автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка метода расчета и построения сетей подвижной связи

На правах рукописи

Кондратов Антон Геннадьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

1 о сен да

003476259

Работа выполнена на кафедре систем управления городских телефонных сетей Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ГОУ ВПО МТУСИ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Степанова Ирина Владимировна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мишенков Сергей Львович

кандидат технических наук Крылов Андрей Сергеевич

Ведущая организация Открытое акционерное общество

«Московская сотовая связь» (Скай Линк- Москва)

Защита диссертации состоится (?&■ /О 2009 года в/зчасов на заседании диссертационного совета Д 219.001.03 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ГОУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики» по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, дом 8а,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан.

2009 Г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы обусловлена интенсивным развитием сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования (СПРС-ОП), в которых реализуется широкий спектр услуг. Современный период развития сетей мобильной связи в Российской Федерации близок к периоду насыщения - количество абонентов мобильной связи превышает число пользователей фиксированной связи. Значительный дополнительный доход должны приносить новые мультимедийные услуги, для реализации которых требуется повышенная скорость передачи информации.

Высокие темпы роста абонентской емкости сетей СПРС-ОП во всем мире определены следующими факторами: популярностью базовой услуги «мобильная телефонная связь»; гибкими тарифами на услуги и тенденцией их снижения; упрощением пользования и удешевлением абонентских терминалов; расширением зон покрытия; расширением номенклатуры услуг; высокой устойчивостью сети; надежной концепцией безопасности. Реализация перспективной архитектуры IMS (IP Multimedia Subsystem), предусматривающей конвергенцию сетей подвижной и фиксированной связи, должна обеспечить создание новых и совершенствование существующих сервисов, основанных на передаче речи, текста, графики и видео.

Системы подвижной связи должны быть универсальными для множества радиоинтерфейсов, способных обслужить всех пользователей с помощью одной базовой сети. В перспективе - построение всемирной сети подвижной связи с реализацией роуминга независимо от типа сети - будь то фиксированная или подвижная, наземная или спутниковая, беспроводная или сотовая сеть.

Особенностью сетей СПРС-ОП является мобильность пользователей и их неравномерное распределение на территории сети, а также необходимость оценки влияния мультимедийных приложений, для реализации которых требуется повышенная скорость передачи информации.

Быстрое развитие СПРС-ОП и конвергенция сетей мобильной связи с сетями фиксированной связи определяют актуальность представления и исследования СПРС-ОП в виде многофазной системы массового обслуживания. Необходимая пропускная способность различных участков сети характеризуется интенсивностью нагрузки, пропущенной с заданным качеством, и может быть определена методами теории телетрафика. Требования к показателям качества предоставления телефонных услуг в СПРС-ОП задаются нормативами Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации. Основными являются характеристики доступности: доля вызовов, получивших отказ в обслуживании; доля установленных соединений, прерванных сетью связи.

Современный этап развития СПРС-ОП Российской Федерации характеризуют: быстрое развитие спектра услуг в существующих сотовых сетях второго поколения 2G, промежуточного поколения 2,5G, поколений 3G и 4G;

одновременное функционирование сетей связи разных стандартов; высокая концентрация абонентов в Московском и Северо-Западном регионах; активная реализация операторскими компаниями региональных проектов. Подавляющее большинство абонентов в сетях сотовой связи Российской Федерации включены в системы стандартов GSM/GPRS (Global System for Mobile communications/ General Packet Radio Service) диапазонов 900 МГц и 1800 МГц поколений 2G/ 2,5G. Для диапазона 400 МГц перспективно внедрение оборудования с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access). Эволюция сетей GSM идет в направлении развертывания сети третьего и четвертого поколений в Москве, Московском регионе, Санкт - Петербурге и других крупных городах России, то есть в тех местах, где услуги поколений 3G и 4G будут наиболее востребованы.

3

Предполагается, что действующие сети СПРС-ОП длительное время будут взаимодействовать с сетями поколений 3G и 4G.

В качестве объектов исследования в цифровых СПРС-ОП могут рассматриваться радиоинтерфейсы отдельных базовых станций и различные сетевые элементы, пропускная способность которых оказывает существенное влияние на качество обслуживания вызовов в целом. Информационный поток в радиоинтерфейсе базовой станции передается с высокой скоростью и формируется в соответствии с техническими особенностями и возможностями конкретного цифрового стандарта подвижной связи. Ресурс каналов радиоинтерфейса остается ограниченным, хотя общим свойством цифровых систем мобильной связи является рост числа каналов в радиоинтерфейсах базовых станций. Применительно к оценке показателей качества связи в радиоинтерфейсе стандартов технологий GSM и CDMA можно сослаться на исследования Невдяева JIM., Быховского М.А., Фомина А.Ф., Гоцуляка А.Ф., Степановой И.В., Громакова Ю.А.

Диссертация посвящена исследованию современных подходов к анализу цифровых систем мобильной связи и разработке метода расчета пропускной способности СПРС-ОП, позволяющего учесть влияние мобильности пользователей в условиях роста мультимедийного трафика.

Целью диссертации является разработка метода расчета пропускной способности СПРС-ОП с привлечением теории телетрафика, позволившего оценить и минимизировать влияние мультимедийного трафика на характеристики доступности. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи: систематизированы подходы к оценке пропускной способности радиоинтерфейсов макросот и микросот СПРС-ОП методами теории телетрафика с учетом особенностей использования частотного ресурса внутри сот и характеристик цифровых стандартов мобильной связи;

на основе разработанной математической модели проведено исследование вероятностных характеристик радиоинтерфейса базовой станции в условиях объединения канальных структур для увеличения скорости передачи информации при реализации мультимедийных услуг;

разработана методика раздельного использования ресурса каналов при реализации обслуживания мультимедийных заявок, учитывающая особенности стандартов мобильной связи, степень проникновения мультимедийных услуг и перспективность стратегии подвижной границы для интеграции различных видов трафика.

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории телетрафика, вычислительной математики и программирования. Научная новизна работы заключается в следующем: разработанная математическая модель функционирования радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи позволила производить расчет характеристик обслуживания вызовов в радиоинтерфейсе базовой станции системы стандартов GSM и CDMA с учетом группового характера предоставления каналов для реализации мультимедийных услуг,

установлено, что объединение нескольких каналов в единый цифровой поток, выполняемое с целью снижения общего времени передачи информации, существенно повышает вероятность отказов в обслуживании групповой заявки;

разработан метод раздельного использования ресурса каналов при введении группового обслуживания мультимедийных заявок, который предусматривает использование стратегии подвижной границы при обслуживании трафика телефонии и трафика пакетной коммутации;

обоснована необходимость введения раздельного контроля интенсивности поступления вызовов, требующих одиночного и группового обслуживания, в целях использования результатов такого контроля для активизации различных защитных методов или изменения емкости пучка группового обслуживания.

Основные положения, выносимые на защиту:

формализованное представление процесса поступления и обслуживания вызовов в радиоинтерфейсе базовой станции в виде математической модели, позволяющее учесть особенности предоставления мультимедийных услуг;

математическая модель радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи в виде полнодоступной системы массового обслуживания с групповым поступлением заявок на обслуживание позволяет учесть неравномерное распределение пользователей по территории сети и влияние мультимедийных приложений;

разработан метод повышения пропускной способности цифровых сотовых сетей подвижной связи. Его применение позволяет решать задачи анализа и синтеза сетей с учетом интенсивности трафика и доли трафика мультимедийных приложений.

Личный вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и проведенное моделирование на персональном компьютере, а также полученные из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации математическая модель обслуживания вызовов в цифровой сотовой сети подвижной связи позволяет исследовать зависимость вероятности потерь по вызовам от структурных параметров сети связи, а также с учетом влияния мультимедийных услуг. Разработаны рекомендации по обоснованному выбору емкости пучка каналов для группового обслуживания вызовов. Метод раздельного использования ресурса каналов радиоинтерфейса базовой станции может быть использован для определения допустимой интенсивности нагрузки на ячейку сети и оценки необходимости активизации защитных механизмов от перегрузок в сетях мобильной связи.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе кафедры СУ ГТС МТУСИ, а также в научно-практической деятельности работе ОАО «Московская сотовая связь» (Скай Линк - Москва), что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на конференции «Операторы виртуальных сетей подвижной связи в России и СНГ» 2007 года (Москва, «Moscow Marriott Grand Hotel»), на Международных форумах информатизации МФИ-2007 и МФИ-2008, на Московской отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества» 2007 года, на заседаниях кафедры систем управления городских телефонных сетей.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, из них: 5 статей, в том числе - две статьи в журнале из Перечня ВАК Министерства образования Российской Федерации; 6 докладов на конференциях; без соавторов опубликованы 3 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она изложена на 91 странице, включает 39 рисунков, 29 таблиц, 5 приложений. Список литературы включает 104 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, ее актуальность, новизна, сформулированы цель и задачи исследования, определены структура и объем диссертации, коротко изложено ее содержание.

В первой главе систематизированы тенденции развития цифровых систем подвижной связи и определены особенности их использования в сетях подвижной радиотелефонной связи общего пользования.

Сравнительный анализ систем и стандартов подвижной связи показал, что создание СПРС-ОП идет преимущественно за счет оборудования цифровых сотовых стандартов, использование которых позволяет существенно увеличить число каналов в радиоинтерфейсах базовых станций. Мобильная телефонная связь остается наиболее важной услугой, предоставляемой и востребованной пользователями СПРС-ОП. Значительный дополнительный доход должны приносить мультимедийные услуги, для реализации которых требуется повышенная скорость передачи информации. Предполагается, что развитие таких услуг мобильной связи, как передача музыки, новостей, спортивных клипов, стимулирует объединение мобильной индустрии и индустрии развлечений.

Построение и развитие сетей подвижной радиотелефонной связи в Российской Федерации предполагает адаптацию системных параметров и ресурсов сетей к географическим и демографическим особенностям территорий, к уровню проникновения дополнительных услуг, а также к величине, пространственному распределению и плотности абонентской нагрузки. Общегосударственной проблемой является эффективное использование частотного диапазона СПРС-ОП, а также определение требований в пропускной способности транспортного уровня сети.

Особенностью организации радиотелефонной связи в Российской Федерации является одновременное использование стандартов и систем мобильной связи разного технического уровня и возможностей. Наиболее конкурентоспособны - технологии «семейства GSM» с временным уплотнением каналов и технологии с кодовым разделением каналов. Строительство сетей мобильной связи поколения 2G в европейской части Российской Федерации практически завершено, существующие сети развиваются в направлении поколения 2,5G. Предусмотрен эволюционный переход к системам поколений 3G и 4G. Актуальным направлением исследований становятся системный анализ и синтез структуры созданных и разворачиваемых цифровых СПРС-ОП Российской Федерации с учетом внедрения мультимедийных услуг.

Пропускная способность отдельных элементов сетей мобильной связи общего пользования характеризуется интенсивностью нагрузки, которая может быть пропущена с заданным качеством связи. Мобильность пользователей является важным фактором перераспределения потоков трафика на существующих сетях мобильной и фиксированной связи.

При синтезе сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования, рассматриваемой как многофазная многоканальная система массового обслуживания, должны учитываться: неравномерное распределение абонентов на территории сети и соответствующее изменение интенсивности поступающей нагрузки; ресурс каналов трафика на различных участках сети; влияние мультимедийных услуг и эстафетной передачи мобильных абонентов между базовыми станциями. Актуальной научной задачей является разработка метода расчета пропускной способности сети СПРС-ОП, позволяющего учесть влияние фактора мобильности пользователей и степень проникновения мультимедийных услуг.

Вторая глава посвящена разработке математической модели обслуживания вызовов в сетях мобильной связи с учетом влияния мультимедийных услуг.

Интегральным показателем работы сети является пропускная способность отдельных участков сети и всей сети в целом, характеризующая величину трафика, пропущенного с заданным качеством. Точку зрения оператора связи на качество работы сети в большей степени отражает величина пропущенного трафика, которая напрямую связана с доходами оператора. Точку зрения пользователя сети подвижной связи по поводу качества ее функционирования отражают следующие вероятностные характеристики:

вероятность отказа в обслуживании вызова при установлении соединения; вероятность потери вызова в процессе эстафетной передачи. При оценке качества речевых услуг в сетях 3G в режиме коммутации каналов могут быть использованы методы и методики для сетей мобильной связи предыдущих поколений. Требования к показателям качества обслуживания в режиме коммутации каналов задаются нормативами Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации. Их целесообразно дополнить критериями и показателями для оценки качества успуг в режиме коммутации пакетов, такими как доступность и скорость передачи. На уровне радиоинтерфейса технологии 2,5G и 3G в режиме коммутации пакетов не предоставляют пользователю гарантий качества обслуживания. Скорость передачи, выделяемая пользователю, постоянно меняется и зависит от текущей нагрузки в соте, от уровня помех и наличия интерференции. Соответственно изменяются задержки передачи и характеристики доступности услуги. Единственным инструментом оператора в регулировании качества услуг остается максимальная скорость передачи абонента.

Задача нормирования показателей качества по этапам соединения тесно связана с общей задачей оптимального построения систем распределения информации. Результаты исследований по нормированию показателей качества связи в СПРС-ОП нашли отражение в таких основополагающих документах как «Ведомственные нормы технологического проектирования. Комплексы сетей сотовой и спутниковой подвижной связи общего пользования. РД 45.162», разработанные в 2001 году в «Институте сотовой связи», а также в «Генеральной схеме создания и развития федеральной сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования России стандарта GSM», разработанной в ОАО «Гипросвязь».

Одной из целей анализа и синтеза сетей связи общего пользования является обоснование необходимой пропускной способности на различных участках сети. На СПРС-ОП наиболее проблемным всегда был и до сих пор остается участок соединительного тракта, который приходится на радиоинтерфейс базовой станции.

При расчете и анализе работы конкретных сетей мобильной связи уровня 2,5G и 3G должна учитываться степень проникновения услуг мультимедиа и потребность в предоставлении каналов трафика для реализации конкретных услуг.

Используем математический аппарат теории телетрафика, разработанный для поступления групповых заявок на обслуживание. В соответствии с классификацией Башарина - Кендалла совокупность каналов трафика радиоинтерфейса базовой станции сети мобильной связи может быть представлена как система массового обслуживания (СМО) вида Ml/M/V/L.

Первый разряд классификации характеризует поступающий поток вызовов (пу-ассоновский, неординарный), второй - закон распределения времени обслуживания (экспоненциальное или марковское распределение), третий - структуру системы обслуживания (полнодоступная система с числом приборов V), четвертый - способ обслуживания вызовов (с явными потерями L - Loss).

Для реализации конкретной мультимедийной услуги в радиоинтерфейсе будет выделяться фиксированное число каналов трафика для реализации требуемой скорости передачи. Если в момент t поступила групповая заявка на обслуживание, то с вероятностью ф1 может поступить лишь одна заявка на обслуживание (на занятие канала трафика) в группе, с вероятностью ф2 - две заявки в группе.....с вероятностью фг - г заявок в группе. При этом должны выполняться условия

фг>.О, г = 1, 2, З...и £фг= 1.

г = I

Обозначим величиной Ротк z_, вероятность того, что получит отказ вызов телефонии, требующий для своего обслуживания один свободный канал трафика (2 = 1). Величина Ротк2=1 равнаРр,-вероятности того, что будут заняты все V каналов

pv= о)

S=1 l=S

где Ayp - интенсивность поступления групп заявок случайного состава на обслуживание;

fi - параметр интенсивности обслуживания заявок;

величины Pv ,s учитывают групповой характер заявок на обслуживание и могут быть определены из системы дифференциальных уравнений, впервые описанной Новиковым O.A. и определяющей все состояния рассматриваемой СМО.

Если для предоставления мультмедийной услуги требуется занятие z каналов трафика в радиоинтерфейсе и выполняется неравенство z > 1, то величина Р0Тй2 будет равна вероятности того, что будет занято более (V - z) каналов

z-1

^otkZ»^ S^V-S" (2)

s = 0

где величина z характеризует число каналов трафика, которое должно быть выделено для реализации данной мультимедийной услуги.

В установившемся процессе в каждый момент времени система содержит

v

kPm заявок на обслуживание.

т=1

За каждую единицу времени обслуживаются в среднем

v

ц тРт заявок на обслуживание.

от = 1

Поступают в систему массового обслуживания (на каналы радиоинтерфейса

а>

соты) за единицу времени в среднем Лф шфт заявок на обслуживание.

« = 1

Вероятность того, что вызов телефонии получит отказ в обслуживании, может быть определена как

^отк= -, (3)

«ф Z тфт

т = 1

где агр = Лф 1ц - интенсивность нагрузки, поступающей на пучок каналов V.

Стационарные решения системы дифференциальных уравнений, отображающей особенности обслуживания потока групповых заявок при (-»со, представлены в виде системы алгебраических уравнений

(4)

т

рт+х = {(«гр + т) / (от +1 )}Рт - {агр / (т +1)}£ф, Р„.„ т<¥;

/=1

v

нормирующее условие для определения Ро запишем как ^Г Рт =1.

ш=о

Система алгебраических уравнений (4) может быть значительно упрощена с учетом того, что в диапазоне значений т = 1,..., большая часть значений фг равна нулю. Отличительной особенностью является также возможность изменения интенсивности обслуживания (Л и интенсивности нагрузки в зависимости от таких факторов, как повышение скоростей передачи и перераспределение значений вероятности фг, характеризующей наличие г заявок в группе, с учетом совершенствования оконечных устройств пользователей и развития систем подвижной связи.

Решение системы уравнений (4) для широкого диапазона изменения числа каналов трафика в радиоинтерфейсе V, интенсивности поступления нагрузки агр и

предполагаемого перераспределения вероятностей ^ и фг было получено путем

разработки программы итерации на ЭВМ. Поиск решения предполагал выбор достаточно малой величины первоначального значения Ро нач, относительно которого производится расчет величин Рт в диапазоне значений т = 1,...,V.

Далее проверялось выполнение нормирующего условия для Р0. Если оно не выполнялось, и результат суммирования отличался от единицы, то предполагаемая величина Ро изменялась на величину д. Выбор достаточно малых значений Ро нач и д обеспечивает высокую точность решений, но увеличивает продолжительность поиска решений для оценки величин Ротк2=1 и Ротк2 .

9

При расчете и анализе работы конкретных сетей мобильной связи уровня 2.5G и 3G должна учитываться степень проникновения услуг мультимедиа и потребность в предоставлении каналов трафика для реализации конкретных услуг.

В третьей главе представлены результаты исследование влияния группового характера обслуживания вызовов на обслуживание и пропускную способность радиоинтерфейсов базовых станций семейства стандартов GSM и CDMA.

Определим совокупность используемых параметров на примере расчетов для стандарта GSM900 поколения 2G, который предусматривает возможность объединения четырех каналов трафика в целях повышения скорости передачи информации. Учитывалось наличие двух потоков вызовов с интенсивностью Л, (требуется

один канал трафика) и Л4 (требуются четыре канала трафика). Суммарная интенсивность поступления требований на обслуживание Л^ = Л1 + Л4. Величина фх определялась как фх =/!, I Л£,а величина ф4 - как ф4 = Л4 / Л1. Для оценки усредненного значения интенсивности облуживания ц использовалась формула

где \ и 14- средняя продолжительность занятия канала трафика для обслуживания требований первого и второго типа.

Предположение об экспоненциальном характере распределения продолжительности занятия каналов трафика при обслуживании вызовов сохраняет свою силу, поскольку имеет место соотношение Интенсивность поступления групп требований на обслуживание определялась как

При проведении расчетов фиксировалась величина Л4, и задавались значения ф4 в диапазоне ф4 = 0,05...0,95. Далее проводился расчет усредненной интенсивности обслуживания ¡л и интенсивности нагрузки агр.

На рисунке 1 представлены результаты решения системы уравнений для полнодоступного пучка каналов емкостью V = 384 канала при интенсивности поступления вызовов /¡^ = 11000 вызовов в час. Анализ результаты расчета вероятности потерь по вызовам, выполненного путем решения системы уравнений с привлечением ЭВМ и учитывающего возможность объединения нескольких каналов трафика для образования высокоскоростного информационного потока, показал следующее:

объединение нескольких каналов для передачи информации позволяет существенно снизить продолжительность передачи фиксированного объема'информации, но приводит к резкому увеличению вероятности потерь по вызовам;

результаты контрольных расчетов по первой формуле Эрланга являются неоправданно оптимистическими (они показывают практически полное отсутствие потерь по вызовам в радиоинтерфейсе, в то время как расчет с учетом группового характера обслуживания заявок показывает наличие недопустимо высоких потерь десятки процентов);

(6)

«ф = = {(Л1 + Л4)(А1(1 + Л4(4)}/А£.

(7)

вероятности потерь по вызовам, требующим занятия одного канала Ротк, или группы из четырех каналов , имеют соотношение />отк4 / ?QTKl s 4, из чего можно сделать вывод, что именно мультимедийные приложения, требующие для обслуживания выделения группы радиоканалов являются наиболее уязвимыми и зависимыми от общего числа каналов трафика, интенсивности поступающего потока заявок. Последний вывод косвенно подтверждается неудачным опытом эксплуатации ряда сетей стандарта 3G в Западной Европе.

Полученные аналитические результаты получили подтверждение при статистическом моделировании процессов занятия и освобождения каналов радиоинтерфейса для оценки влияния группового характера обслуживания на вероятность потерь вызовов. Моделирование проводилось на персональном компьютере в среде Borland Pascal.

В режиме GPRS поколения 2,5G каждому абоненту могут предоставляться от 1 до 8 канальных интервалов. Во время пакетной передачи ресурсы восходящего (uplink) и нисходящего (downlink) каналов могут задаваться независимо, то есть в системе может быть применен асимметричный режим пакетной передачи. Реализованная на практике скорость передачи данных в GPRS составляет 115,2 (8x14,4) Кбит/с. Расчет зависимости вероятности потерь по вызовам в радиоинтерфейсе от времени занятия группы каналов для системы поколения 2.5G показал, что:

в системе логарифмических координат вероятности /j^ и ^отк8 практически

линейно возрастают при увеличении интенсивности смешанного потока вызовов, соотношение /^ткд / PQT)<1 составляет 1,8...3,0;

достаточно низкие потери по вызовам в радиоинтерфейсе могут быть обеспечены при соблюдении условия Х^ £5000.вызовов в час, что соответствует интенсивности нагрузки агр s132,9 Эрл.

Основной «транспорт» сетей CDMA2000 в режиме коммутации пакетов — каналы синхронизации SCH. В зависимости от обеспечиваемой ими скорости передачи они могут быть разделены на четыре группы: SCH 2х —19,2 кбит/с; SCH 4х - 38,4 кбит/с; SCH 8х - 76,8 кбит/с и SCH16x -153,6 кбит/с. Выбор типа канала SCH производится подсистемой базовых станций, исходя из текущей радио обстановки в соте. Современное оборудование мобильной связи позволяет собирать статистику на физическом, канальном и сетевом уровнях.

Решения системы уравнений равновесия (4) были использованы для оценки вероятности отказов в обслуживании групповых заявок в каналах SCH систем стандарта CDMA2000. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что объединение нескольких каналов в единый цифровой поток, выполняемое с целью снижения общего времени передачи информации, существенно повышает вероятность отказов в обслуживании групповой заявки. Для рассмотренного конкретного варианта гарантировать низкие потери по вызовам для всех видов заявок позволяет снижение интенсивности поступления вызовов до величины Л^ ¿2000 вызовов в час, что соответствует интенсивности нагрузки агр = 9 Эрланг.

Таким образом, расчеты, проведенные с использованием разработанной математической модели, позволяют сделать вывод о перспективности раздельного использования ресурсов каналов трафика радиоинтерфейса базовой станции.

-^отк агГр, Эрл V = 384, = 11000 вызовов в час

110* 300

1 1СГ3 150

110Г2 200

110Г1 _ _250

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 ф4

Рисунок 1 - Результаты решения системы уравнений для полнодоступного пучка каналов емкостью V = 384 канала от вероятности групповых вызовов ф^

Определено граничное значение коэффициента ф., характеризующего долю

мультимедийного трафика в общем потоке вызовов (где / - число занимаемых одновременно каналов трафика), составляет ф.^ » 0,2. При значениях ф.< ф^ доминирующей составляющей, определяющей потери по вызовам, является вероятность потерь по вызовам телефонии я ^, для оценки которой может быть использована

первая формула Эрланга. При значениях Ф >ф .т доминирующей составляющей

У У*Р

становится вероятность потерь в пучке группового обслуживания Я ,, для определения которой следует использовать разработанную математическую модель.

В четвертой главе представлены результаты разработки метода расчета пропускной способности цифровых сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования.

Разработанная математическая модель функционирования радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи была использована для расчета характеристик обслуживания вызовов телефонии с учетом неравномерного распределения мобильных абонентов по территории сети подвижной связи поколения.

«Активный» абонент телефонии, то есть абонент в состоянии разговора, с некоторой вероятностью фх обслуживается одним радиоканалом трафика (организация связи с абонентами за пределами зоны обслуживания данной базовой станции),

и с вероятностью фг - двумя радиоканалами трафика одной базовой станции (организация связи внутри одной ячейки сети связи). В случае преобладания трафика телефонии имеет место соотношение ф1 + ^ = 1. То есть при I > 2 имеем 0 и система алгебраических уравнений (4) существенно упрощается. Для рассматриваемого случая: интенсивность обслуживания требований ¡л будет одинакова для требований первого и второго типа; интенсивность поступления вызовов на обслуживание агр зависит от подключенного числа абонентов подвижной связи, размеров и количества ячеек сети, наличия центров повышенной абоненткой плотности. Таким образом, величина огф может меняться в широких пределах из-за изменения интенсивности поступления вызовов на обслуживание .

Для начального периода развития СПРС-ОП в городах Российской Федерации было характерно формирование одной ячейки связи. При этом величина ¿СПРС-ОП характеризовала долю вызовов, которые замыкаются в сети подвижной связи. Имело место равенство ф2 = £спрс-огг Величина Агспрс оп повышается до 30-40% по мере развития СПРС-ОП. Для сетей профессиональной радиотелефонной связи величина ¿спрс-оп близка к единице, однако для этих сетей связи характерно преимущественное использование режима полудуплексной связи.

При равномерном распределении пользователей подвижной связи по территории сети можно определять коэффициент ф2 как:

Фг=^спрс-оп 1(8) I. - число ячеек в сети СПРС-ОП.

При проектировании сетей подвижной связи общего пользования, имеющих сложную структуру и большое число ячеек сети, возникает противоречие:

влияние замыкания нагрузки в пределах одной ячейки и связанное с этим использование двух каналов трафика резко снижается и может не учитываться;

однако концентрация пользователей на территории конкретной ячейки сети может существенно увеличивать коэффициент ф2.

Проблема состоит в том, что увеличение показателя ф2 происходит параллельно с ростом интенсивности поступления вызовов на обслуживаниеагр, то есть

напрямую зависит от числа абонентов на территории ячейки сети.

В предельном случае, когда все абоненты сети могут собраться на территории одной ячейки, получим ф2 = ¿спрс-оп' Таким образом, при проведении аналитических оценок следует выбирать диапазон изменения ф2 =0,...,£СПрС_ОГ1.

Сети со значительным числом ячеек в большей степени подвержены влиянию перегрузок из-за мобильности пользователей, так как первоначальный проект не позволяет учесть в полной мере влияние этого фактора.

Можно предположить, что проект, в полной мере учитывающий мобильность пользователей, будет отличаться значительной избыточностью ресурса радиоканалов. Расчет по первой формуле Эрланга дает заниженную оценку потерь по вызовам в радиоинтерфейсе.

Достоинством разработанной математической модели является, то, что ее использование позволяет учесть совокупное влияние двух факторов - интенсивности нагрузки а,р и коэффициента ф2. Значительно снизить величину ф2, обеспечивая

повышения пропускной способности радиоинтерфейса базовой станции, позволяет перспективная услуга РиэМо-ТаИ* с переходом на режим полудуплексной связи.

Совершенствование средств связи идет в направлении развития мультимедийных услуг. Проведенные исследования показали, что выделение специальных пучков каналов для обслуживания мультимедийных заявок, предполагающих объединение каналов для повышения скорости передачи информации, становится перспективным даже при сравнительно небольшой доле заявок на групповое обслуживание. Разработанный метод расчета пропускной способности цифровых сотовых сетей подвижной связи позволяет учесть особенности предоставления мультимедийных услуг и оценить влияние мобильности пользователей на характеристики доступности СПРС-ОП. Например, повышение пропускной способности радиоинтерфейсов базовых станций может быть реализовано с использованием дополнительного ресурса зонтичных сот, каждая из которых охватывает несколько ячеек сети. Предлагается расширить сферу применения зонтичных сот, используя их как ресурс для формирования пучка каналов, обслуживающих мультимедийный трафик.

Следует учитывать, что мультимедийный трафик является дополнительным к трафику телефонии, а возможности обслуживания последнего ухудшаются. Методика обоснования емкости пучка каналов с учетом группового обслуживания вызовов состоит из следующих этапов. При известной интенсивность потока вызовов на радиоинтерфейс базовой станции следует провести оценку возможной величины

Фа х принимая фА= 0,2, поскольку при ф4 > 0,2 быстро растут потери по вызовам Роп4, которые могут быть скомпенсированы только введением специальным методов ограничения поступления вызовов. Следует отметить, что выбор ф4 = 0,2 из диапазона значений ф^ = 0..Д2 соответствует наиболее тяжелым условиям работы радиоинтерфейса.

Исходя из предполагаемой величины Л4, следует определить необходимое число каналов в пучке группового обслуживания как \/4 "= (Л4 - в) /а;

Далее в качестве основного показателя обслуживания может быть использована вероятность потерь Рота в пучке каналов общей емкостью VI*- V -У4*, поскольку требования по величине Р<т4 будут гарантированно выполняться.

На рисунке 2 представлены зависимости допустимой интенсивности потока вызовов телефонии ^ и допустимой интенсивности потока заявок на групповое

обслуживание я. от числа каналов в пучке группового обслуживания V. для

400/7

фиксированных значений Р^, = 510'5 и Ротк4 =110"2. Допустимое число вызовов суммарного потока ЛцОП = Я1доп + доп изменяется незначительно.

Следует учитывать, что мультимедийный трафик является дополнительным к трафику телефонии, а возможности обслуживания последнего ухудшаются. Так, величина Л,)доп снижается на 5% при изменении У4 от 8 до 16 каналов, и снижается

на 19% при изменении У4 от 8 до 40 каналов.

Рисунок 2 - Зависимости допустимой интенсивности потока вызовов телефонии Л[дОП и допустимой интенсивности потока заявок на групповое обслуживание Л4доп

от числа каналов в пучке группового обслуживания V4 при Ротк1 s 510'5

Чрстк4 S110-2

Необходим раздельный контроль интенсивности поступления вызовов, требующих одиночного и группового обслуживания, с целью проверки соответствия допустимым значениям. Результаты такого контроля могут использоваться в целях активизации различных защитных методов или в целях изменения емкости пучка каналов группового обслуживания.

Метод раздельного использования ресурса каналов при введении группового обслуживания мультимедийных заявок основывается на общем выводе о целесообразности выделения отдельного пучка каналов, предназначенного только для обслуживания групповых заявок мультимедийных услуг, и включает в себя этапы.

1-. Оценка или прогнозирование реальной или ожидаемой в ближайшее время доли вызовов с привлечением дополнительных услуг, требующих повышенной скорости передачи. Может также прогнозироваться перспективность выделения отдельных каналов для работы в режиме потокового трафика stream.

2. Уточнение диапазона изменения параметра потока вызовов в течение суток и в ЧНН по данным статистики и интенсивности обслуживания вызовов, характерной для данной сети мобильной связи.

3. Уточнение особенностей построения конкретной сети мобильной связи и имеющегося ресурса каналов на различных участках сети мобильной связи.

4. Изучение необходимости перехода к дифференциальному обслуживанию, исходя из имеющегося ресурса каналов в радиоинтерфейсе базовой станции и предполагаемой доли вызовов с привлечением дополнительных услуг. Расчет вероятности потерь по вызовам, требующим занятия одного канала или группы каналов, путем решения системы уравнений равновесия.

5. Выбор варианта выделения пучка каналов для обслуживания групповых заявок (с использованием ресурса каналов трафика или с использованием возможностей каналов синхронизации или управления).

6. Проведение аналитических расчетов для варианта дифференциального использования каналов с целью получения зависимости А доп = Р(УФ) и уточнения коэффициентов линейной зависимости.

7. Выбор емкости пучка группового обслуживания с учетом данных статистики по интенсивности поступления вызовов.

Развитие технологий связи в перспективе приводит к интеграции нагрузки двух классов: критичной к задержкам и джиттеру; нагрузки, требующей надежной доставки данных, сформированных в виде пакетов. Сочетание гарантированной вероятности блокировки для соединений и минимально возможной задержки при заданной пропускной способности канала связи может быть достигнуто, путем применения адаптивного разделения ресурса каналов, которое характерно для стратегии подвижной границы. Использование этой стратегии позволяет существенно повысить качество обслуживания мультимедийного трафика, не снижая по существу качество обслуживания трафика мобильной телефонии.

Сочетание гарантированной вероятности блокировки для соединений и минимально возможной задержки при заданной пропускной способности канала связи может быть достигнуто путем применения адаптивного разделения ресурса каналов, которое характерно для стратегии подвижной границы. Использование этой стратегии позволяет существенно повысить качество обслуживания мультимедийного трафика, не снижая по существу качество обслуживания трафика мобильной телефонии. Следует рекомендовать использование стратегии подвижной границы для распределения ресурса пропускной способности радиоинтерфейсов базовых станций в целях повышения качества обслуживания трафика передачи данных. Существует принципиальная возможность доведения подвижной границы до нуля в тех случаях, когда радиоинтерфейс испытывает перегрузку от трафика первого класса (трафика телефонии и видеоконференций).

Основные результаты работы приведены в заключении:

1. Создание современных СПРС-ОП идет преимущественно за счет оборудования цифровых сотовых стандартов. Одним из ключевых направлений развития мобильной связи в европейской части России является развертывание сотовых сетей поколения 2,50 с поддержкой передачи данных и с последующим переходом к системам поколений ЗЭ и 4(3. При анализе и синтезе сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования должно учитываться неравномерное распределение абонентов на территории сети и влияние мультимедийных услуг.

2.Пропускная способность СПРС-ОП определяет доходы оператора подвижной связи и должна соответствовать величине и соотношению основных составляющих абонентской нагрузки от постоянных и временных абонентов сета, а также учитывать влияние мультимедийных приложений. Основными в оценке качества коммутируемых услуг остаются характеристики доступности. Главные из них — доля вызовов, которым было отказано в обслуживании (блокировки входящих вызовов), и доля установленных соединений, прерванных не пользователями, а сетью связи.

З.Отличительной особенностью мультимедийных услуг является потребность в повышенной скорости передачи, для реализации которой предусматривается объединение нескольких канальных структур. В соответствии с классификацией Башари-на - Кендалла совокупность каналов трафика радиоинтерфейса базовой станции сети мобильной связи рассматривалась как СМО вида М1/МА/Л., на вход которой поступает поток групп заявок на обслуживание со случайным числом заявок в группе.

Разработанная математическая модель функционирования радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи позволяет учесть степень проникновения услуг мультимедиа и потребность в предоставлении каналов трафика для реализации конкретных услуг. Расчет характеристик обслуживания вызовов в радиоинтерфейсах базовых станций системы стандартов GSM/GPRS и CDMA выполнялся путем решения системы уравнений с привлечением ЭВМ. Установлено, что объединение каналов в единый цифровой поток с целью снижения времени передачи информации, существенно повышает вероятность отказов в обслуживании групповой заявки.

4. Для подтверждения соответствия аналитических выражений разработанной модели реальным процессам, происходящим в радиоинтерфейсе базовой станции мобильной сети, было проведано статистическое моделирование, учитывающее возможность объединения нескольких каналов трафика для обслуживания одного абонента. Сравнение его результатов с результатами теоретических расчетов показал, что расчетные значения хорошо согласуются с результатами эксперимента.

5. Проведенные исследования показали, что раздельное использование ресурса каналов радиоинтерфейса перспективно начиная с небольшой доли заявок на групповое обслуживание. Разработан метод раздельного использования ресурса каналов при введении группового обслуживания мультимедийных заявок, предусматривающий использование стратегии подвижной границы.

6. Систематизация требований по качеству обслуживания и оценка возможностей управления потоками трафика в сетях мобильной связи позволила разработать рекомендации по активизации защиты от перегрузок при обслуживании мультимедийных заявок в сетях мобильной связи. Обоснована необходимость введения раздельного контроля интенсивности поступления вызовов, требующих одиночного и группового обслуживания, с целью проверки соответствия допустимым значениям. Результаты такого контроля могут использоваться для управления емкостью пучка каналов группового обслуживания и для активизации защитных методов.

Опубликованные работы

1. Степанова И.В., Кондратов А.Г. Результаты разработки метода расчета пропускной способности сетей подвижной связи II T-Comm. Телекоммуникации и транспорт. - 2009. - №1. - С.46-49.

2. Кондратов А.Г., Степанов Б.Л. Особенности расчета пропускной способности сотовых сетей подвижной связи// T-Comm. Телекоммуникации и транспорт. - 2009. -№3. - С.43-46.

3. Кондратов А.Г. Обоснование перспективности раздельного использования ресурсов каналов трафика радиоинтерфейса базовой станции // Труды Московского технического университета связи и информатики. - М.: «ИД Медиа Паблишер», 2007.-С.157-159.

4. Степанова И.В., Кондратов А.Г. Методика выбора ресурса радиоканалов трафика в сетях мобильной связи // Труды Московского технического университета связи и информатики. - М.: «ИД Медиа Паблишер»,2007. - С.55-59.

5. Кондратов А.Г. Анализ зависимости вероятности потерь по вызовам в радиоинтерфейсе системы мобильной связи стандарта CDMA2000 // Международный форум информатизации (МФИ-2007): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»,- М.: МТУСИ, 2007. - С.114.

6. Степанова И.В., Кондратов А.Г. Результаты аналитической оценки вероятности потерь по вызовам в радиоинтерфейсе базовой станции // Международный форум информатизации (МФИ-2007): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы».- М.: МТУСИ, 2007. - С.112-113.

17

7. Степанова И. В., Кондратов АГ. Анализ вариантов реализации удаленного абонентского доступа II Технологии информационного общества: Тезисы докладов московской отраслевой научно-технической конференции. М.: Информсвязьиздат, 2007.-С.43.

8. Кондратов А.Г. Метод раздельного использования ресурса каналов СПРС-ОП при обслуживании мультимедийных заявок // Международный форум информатизации (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы».- М.: МТУСИ, 2008. - С.125-126.

9. Кондратов А.Г., Степанов Б.Л. Стратегии обслуживания вызовов мобильной связи с подвижной границей II Международный форум информатизации (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»,- М.: МТУСИ, 2008. - С.126 -128.

10. Кондратов АГ., Степанов Б.Л. Математическая модель функционирования радиоинтерфейсов в системах GSM/GPRS II Международный форум информатизации (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»,- М.: МТУСИ, 2008. - С.128-129.

11. Кондратов А.Г., Степанов Б.Л.Обоснование перспективности раздельного использования ресурсов каналов трафика базовых станции сотовой связи II Правовая информатика. -2008. - Вып. 11. - С.46-49.

Подписано в печать 09.07.09г. Формат 60x84/16. Объем 1,2 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 114. ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Введение.

1 .Анализ тенденций развития сетей подвижной связи в Российской Федерации.

1.1.Анализ подходов к организации подвижной связи.

1.2.Архитектура сети подвижной связиобщего пользования

PLMN стандарта GSM.

1.3. Особенности архитектуры универсальной мобильной телекоммуникационной системы UMTS/IMT

1.4. Эволюция.сетей стандарта GSM в сторону UMTS*.

1.5. Развитие структуры сетей СПРС - ОП при внедрении NGN.

1.6. Перспективное направление развития СПРС-ОП

Российской Федерации - использование технологии CDMA.

1.7.Анализ тенденций развития услуг мобильной связи.

1.8. Выбор методов описания сетей подвижной связи.

1.9. Постановка задачи исследования. 4t

1.10.Вывод ы.

2. Разработка математической модели предоставления услуг в сетях подвижной связи.

2.1. Определение совокупности вероятностных параметров и характеристик для описания функционирования сетей подвижной связи.

2.1.1. Анализ требований к качеству связи при обслуживании различных приложений в сетях подвижной связи.

2.1.2. Определение совокупности параметров и характеристик теории телетрафика для сетей подвижной связи.

2.2.Обоснование требований к групповому качеству обслуживания абонентов в сетях подвижной связи поколения 3G.

2.3. Разработка математической модели функционирования радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи с учетом группового характера обслуживания мультимедийных вызовов.

2.4. Выводы.

3. Исследование влияния группового характера обслуживания вызовов на характеристики обслуживания и пропускную способность радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи.

3.1. Результаты расчета и оценка влияния группового характера обслуживания вызовов в радиоинтерфейсе базовой станции мобильной сети стандарта GSM900.

3.2. Анализ результатов статистического моделирования для оценки влияния группового характера обслуживания на вероятность потерь вызовов в радиоинтерфейсе базовой станции мобильной сети.

3.3.Аналитическая оценка вероятности потерь по вызовам от времени занятия каналов трафика в радиоинтерфейсе базовой станции.

3.3.1. Анализ зависимости вероятности потерь по вызовам в радиоинтерфейсе базовой станции от времени занятия каналов.

3.3.2. Анализ зависимости вероятности потерь по вызовам в радиоинтерфейсе поколения 2,5G от времени занятия каналов.

3.3.3. Анализ результатов расчета и оценка влияния группового характера обслуживания вызовов на вероятность потерь по вызовам в радиоинтерфейсе базовой станции стандарта CDMA 2000.

3.4.Обоснование необходимости раздельного использования ресурса каналов трафика радиоинтерфейса базовой станции.

3.5. Выводы.

4. Развитие подходов к расчету пропускной способности цифровых сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования.

4.1.Определение особенностей расчета пропускной способности сотовых сетей подвижной связи.

4.2. Оценка влияния неравномерности распределения мобильных пользователей по территории сети связи на вероятность потерь вызовов.

4.3. Разработка метода расчета пропускной способности цифровых сотовых сетей подвижной связи.

4.3.1. Исследование возможности дифференцированного использования ресурса каналов радиоитерфейса.

4.3.2. Разработка методики выбора емкости радиоинтерфейса базовой станции стандарта GSM900 с учетом группового обслуживания вызовов.

4.3.3. Разработка метода раздельного использования ресурса каналов СПРС-ОП при обслуживании мультимедийных заявок.

4.4. Математическая модель функционирования радиоинтерфейсаов в системах GSM/GPRS для стратегии обслуживания с подвижной границей.

4.5.0ценка необходимости активизации защитных механизмов от перегрузок в сетях мобильной связи.

4.6.Выводы.

Актуальность проблемы обусловлена интенсивным развитием сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования (СПРС-ОП), в которых.реализуется широкий спектр услуг. Современный период развития сетей мобильной связи в Российской Федерации близок к периоду насыщения - количество абонентов мобильной связи превышает число пользователей фиксированной связи. Значительный дополнительный доход должны приносить новые мультимедийные услуги, для реализации которых требуется повышенная скорость передачи информации.

Особенностью сетей СПРС-ОП является мобильность пользователей и их неравномерное распределение на территории сети, а также необходимость оценки влияния мультимедийных приложений, для реализации которых требуется повышенная скорость передачи информации.

Быстрое развитие СПРС-ОП и конвергенция сетей мобильнойгсвязи с сетями-фиксированной связи определяют актуальность представления и исследования СПРС-ОП в виде многофазной системы массового обслуживания. Необходимая пропускная способность различных участков сети характеризуется интенсивностью нагрузки, пропущенной с заданным качеством, и может быть определена методами теории телетрафика. Требования к показателям качества предоставления телефонных услуг в СПРС-ОП задаются нормативами Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации. Основными являются характеристики доступности: доля вызовов, получивших отказ в обслуживании; доля установленных соединений, прерванных сетью связи.

Современный этап развития СПРС-ОП Российской Федерации характеризуют: быстрое развитие спектра услуг в существующих сотовых сетях второго поколения 2G, промежуточного поколения 2.5G, поколений 3G и 4G; одновременное функционирование сетей связи разных стандартов; высокая концентрация абонентов в Московском и Северо-Западном регионах; активная реализация операторскими компаниями региональных проектов. Подавляющее большинство абонентов в сетях сотовой связи Российской Федерации включены в системы стандартов GSM/GPRS (Global System for Mobile communications/ General Packet Radio Service) диапазонов 900 МГц и 1800 МГц поколений <2G/ 2,5G. Для диапазона 400 МГц перспективно внедрение оборудования с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access). Эволюция сетей GSM идет в направлении развертывания сети третьего и четвертого поколений в Москве, Московском регионе, Санкт - Петербурге и других крупных городах России, то есть в тех местах, где услуги поколений 3G и 4G будут наиболее востребованы. Предполагается, что действующие сети СПРС-ОП длительное время будут взаимодействовать с сетями поколений 3G и 4G.

В качестве объектов исследования в цифровых СПРС-ОП могут рассматриваться радиоинтерфейсы отдельных базовых станций и различные сетевые элементы, пропускная способность которых оказывает существенное влияние на качество обслуживания вызовов в целом. Информационный поток в радиоинтерфейсе базовой станции передается с высокой скоростью и формируется в соответствии с техническими особенностями и возможностями конкретного цифрового стандарта подвижной связи. Ресурс каналов радиоинтерфейса остается ограниченным, хотя общим свойством цифровых систем мобильной связи является рост числа каналов в радиоинтерфейсах базовых станций. Применительно к оценке показателей качества связи в радиоинтерфейсе стандартов технологий GSM и CDMA можно сослаться на исследования Невдяева Л.М., Быховского М.А., Фомина А.Ф., Гоцуляка А.Ф., Степановой И.В., Громакова Ю.А.

Диссертация посвящена исследованию современных подходов к анализу и синтезу цифровых систем мобильной связи и разработке метода расчета пропускной способности СПРС-ОП, позволяющего учесть влияние мобильности пользователей в условиях роста мультимедийного трафика.

Целью диссертации-является разработка метода расчета пропускной способности СПРС-ОП с привлечением теории телетрафика, позволившего оценить и минимизировать влияние мультимедийного трафика на характеристики доступности. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи: систематизированы подходы к оценке пропускной способности радиоинтерфейсов макросот и микросот СПРС-ОП методами теории телетрафика с учетом особенностей использования частотного ресурса внутри сот и характеристик цифровых стандартов мобильной связи; на основе разработанной математической модели проведено исследование вероятностных характеристик радиоинтерфейса базовой станции в условиях объединения канальных структур для увеличения скорости передачи информации-при реализации мультимедийных услуг; разработана методика раздельного использования ресурса каналов npnf реализации обслуживания мультимедийных заявок, учитывающая особенности стандартов мобильной связи, степень проникновения мультимедийных услуг и перспективность стратегии подвижной границы для интеграции различных видов трафика.

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории телетрафика, вычислительной математики и программирования. Научная новизна*работы заключается в следующем: разработанная математическая модель функционирования радиоинтерфейса базовой станции сети- подвижной связи позволила производить расчет характеристик обслуживания вызовов в радиоинтерфейсе базовой станции системы стандартов GSM и CDMA с учетом группового характера предоставления каналов для реализации мультимедийных услуг; установлено, что объединение нескольких каналов в единый цифровой поток, выполняемое с целью снижения общего времени передачи информации, существенно повышает вероятность отказов в обслуживании групповой заявки; разработан метод раздельного использования ресурса каналов при введении группового обслуживания мультимедийных заявок, который, предусматривает использование стратегии подвижной границы при обслуживании трафика телефонии и трафика пакетной коммутации; обоснована- необходимость введения раздельного контроля интенсивности поступления вызовов, требующих'одиночного и группового обслуживания, в целях использования результатов такого контроля для активизации различных защитных методов или изменения емкости пучка группового обслуживания. Основные положения, выносимые на защиту: формализованное представление-процесса поступления и обслуживания вызовов в радиоинтерфейсе базовой станции в виде математической модели, позволяющее учесть особенности предоставления мультимедийных услуг; математическая модель радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи в виде полнодоступной системы массового обслуживания с групповым поступлением заявок на обслуживание позволяет учесть неравномерное распределение пользователей по территории сети и влияние мультимедийных приложений; разраббтан метод повышения пропускной способности цифровых сотовых сетей подвижной связи, позволяющий решать задачи анализа и синтеза сетей с учетом интенсивности трафика и доли трафика мультимедийных приложений.

Личный-вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и проведенное моделирование на персональном компьютере, а также полученные из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации математическая модель обслуживания вызовов в цифровой сотовой сети подвижной связи позволяет исследовать зависимость вероятности потерь по вызовам от структурных параметров сети связи, а также с учетом влияния мультимедийных услуг. Разработаны рекомендации по обоснованному выбору емкости пучка каналов для группового обслуживания вызовов. Метод раздельного использования ресурса каналов радиоинтерфейса базовой станции может быть использован для определения допустимой интенсивности нагрузки на ячейку сети и оценки необходимости активизации защитных механизмов от перегрузок в сетях мобильной связи.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе кафедры СУ ГТС МТУСИ, а также в научно-практической деятельности работе ОАО «Sky Link», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на конференции «Операторы виртуальных сетей подвижной связи в России и СНГ» 2007 года (Москва, «Moscow Marriott Grand Hotel»), на Международных форумах информатизации МФИ-2007 и МФИ-2008, на Московской отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества» 2007 года, на заседаниях кафедры систем управления городских телефонных сетей.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она включает 91 страницу машинописного текста, 39 рисунков, 29 таблиц, 5 приложений. Список литературы включает 104 наименования.

4.6. Выводы

1. Разработанная математическая модель функционирования- радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи, учитывающая групповой характер обслуживания вызовов, позволяет вестирасчет характеристик обслуживания вызовов телефонии с учетом неравномерного распределения мобильных абонентов по территории сети подвижной связи-поколения 2С/2,5С. Анализ результатов расчета вероятности потерь по вызовам Ротк показал, что увеличение коэффициента ф2, характеризующего замыкание нагрузки внутри ячейки-сети, может вызывать недопустимо большие потери по вызовам в радиоинтерфейсе. Так, уже при ф2= 0,10 результаты оценки Ротк почти,вдвое превышают величину потерь Еу[схгр], рассчитанную по первой'формуле Эрланга. Рекомендуется использовать первую формулу Эрланга для аналитических расчетов в тех случаях, когда ф2 £ 0,05.

2. Установлено, что^увеличение коэффициента ф2 напрямую зависит от числа абонентов на территорииячейки сети. При проектировании сетей подвижной связи общего пользования' возникает противоречие: с ростом числа ячеек сети влияние замыкания нагрузки в пределах одной-ячейки и связанное с этим использование двух каналов трафика резко снижается; концентрация пользователей на территории конкретной ячейки сети может существенно увеличивать коэффициент ф2. В предельном случае, если все абоненты сети находятся на территории одной ячейки, имеет место равенство ф2 — ^СПРС-ОП' где ^СПРС-ОП " Д°ля нагрузки, которая замыкается внутри СПРС-ОП. Диапазон изменения ф2 для аналитических оценок ф2 =0?.,&СПрСоп

3: Разработанный метод раздельного использования ресурса каналов при обслуживании мультимедийных заявок основан на заключении^ об эффективности выделения отдельного пучка каналов, предназначенного для обслуживания групповых заявок мультимедийных услуг как на,уровне радиоинтерфейса, так и науровне транспортной сети: Проведенные исследования показали, что раздельное или дифференцированное использование ресурса каналов радиоитерфейса может стано-виться-перспективным даже при.сравнительно небольшой доле заявок на групповое обслуживание. Разработаны рекомендации по обоснованному выбору емкости выделенного пучка каналов для группового обслуживания вызовов.

Заключение

1. Создание современных СПРС-ОП идет преимущественно-за счет оборудования цифровых сотовых стандартов. Одним из ключевых направлений развития мобильной связи в европейской части России является развертывание сотовых сетей поколения 2,5G с поддержкой передачи данных и с последующим переходом к системам поколений 3G и 4G. При анализе и синтезе сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования должно учитываться неравномерное распределение абонентов на территории сети и влияние мультимедийных услуг.'

2.Пропускная способность СПРС-ОП определяет доходы оператора подвижной связи и должна соответствовать величине и соотношению основных составляющих абонентской нагрузки от постоянных и временных абонентов сети, а также учитывать влияние мультимедийных приложений. Основными- в оценке качества коммутируемых услуг остаются характеристики доступности. Главные из них — доля вызовов, которым было отказано в обслуживании (блокировки.входящих вызовов), и доля установленных соединений, прерванных не пользователями, а сетью связи.

3.Отличительной особенностью мультимедийных услуг является потребность в повышенной скорости передачи, для реализации которой,предусматривается объединение нескольких канальных структур. В соответствии-с классификацией Баша-рина - Кендалла совокупность каналов трафика радиоинтерфейса' базовой станции сети мобильной связи рассматривалась как СМО вида MI/M/V/L, на вход которой поступает поток групп заявок на обслуживание со случайным числом заявок в группе. Разработанная математическая модель функционирования радиоинтерфейса базовой станции сети подвижной связи позволяет учесть степень проникновения услуг мультимедиа и потребность в предоставлении каналов трафика для реализации конкретных услуг. Расчет характеристик обслуживания вызовов в радиоинтерфейсах базовых станций системы стандартов GSM и CDMA выполнялся путем,решения системы уравнений с привлечением ЭВМ. Установлено, что объединение каналов в единый цифровой поток с целью снижения времени передачи информации, существенно повышает вероятность отказов в обслуживании.групповой заявки.

4. Для подтверждения соответствия аналитических выражений разработанной модели реальным процессам; происходящим в радиоинтерфейсе базовой станции мобильной сети, было проведено статистическое моделирование, учитывающее возможность объединения нескольких каналов трафика для обслуживания одного абонента. Сравнение его результатов с результатами теоретических расчетов показал, что расчетные значения-хорошо согласуются с результатами эксперимента.

5. Проведенные исследования показали, что раздельное использование ресурса каналов радиоинтерфейса перспективно, начиная с, небольшой доли заявок на групповое обслуживание. Разработана методика раздельного использования ресурса каналов при введении группового обслуживания мультимедийных заявок. Предложено использование стратегии подвижной границы, позволяющей существенно повысить качество обслуживания трафика передачи данных, не снижая качество обслуживания трафика телефонии.

6. Систематизация требований по качеству обслуживания и оценка возможностей управления потоками трафика в сетях мобильной связи позволила разработать рекомендации по активизации защиты от перегрузок при обслуживании мультимедийных заявок в сетях мобильной связи. Обоснована необходимость введения раздельного контроля интенсивности поступления вызовов, требующих одиночного и -группового обслуживания, с целью проверки соответствия допустимым значениям.

Результаты такого контроля могут использоваться для управления емкостью пучка каналов группового обслуживания и для активизации защитных методов.

1. Абрамов А. Качество обслуживания и передача потоковых приложений в GPRS/EDGE // Вестник связи - 2004. - №4 - С. 154:

2. Антонян А.Б. Создание общей транзитной сети для федеральных сетей СПС стандартов NMT-450 и GSM-900 // Мобильные системы. 1998. - №3. - С.32-41.

3. Афанасьев В. В., Горностаев Ю. М. Эволюция мобильных сетей. Серия изданий «Связь и бизнес», МЦНТИ ООО «Мобильные коммуникации», 2000. - 140с.

4. Башарин Г.П., Харкевич А.Д., Шнепс М.А. Массовое обслуживание в телефонии. -М.: Наука, 1968,-244с.

5. Белов И;Ю., Валов С.В: Аппаратно-программные платформы для РМС//Технология и средства связи. 2007. - № 1 . - С 62-65.

6. Быховский М.А. Сравнение различных систем сотовой подвижной связи по эффективности использования радиочастотного спектра // Электросвязь. 1996 - №5. - С. 9-12.

7. Ведомственные нормы технологического проектирования. Комплексы сетей сотовой и спутниковой подвижной связи общего пользования. РД 45.162 М., 2001, «Институт сотовой связи».

8. Гребенников А. В., Иванов П.В. CDMA как средство телефонизации села // Технологии и средства связи. -2004. №2. - С.39-40.

9. Гребенников А. В., Иванов П.В. CDMA как средство телефонизации села // Техно-логии'и-средства-связи. -2004. №2. - С.39-40.

10. Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Конвергенция мобильных и интеллек-- туальных сетей // Вестник связи. 2000. - №4. - С. 15-25.

11. Гольцов A.B., Попова А.Г., Степанова И.В. Интегрированные системы предоставления телефонных услуг. «Радио и связь», 2006, 108с.

12. Голышко A.B., Кашенин Ю.Б. Понимание происходящего: врожденная мобильная. // Вестник связи. 2006. - №4. -С. 84-94.

13. Голышко A.B. IMS: полезные рекомендации // CONNECT. 2009. - №5. - С.58-65.

14. Гоцуляк А.Ф., Гавриленко В.П., Орлов С.Н. 1xEV-DO стандарт системы мобильной связи третьего поколения // ВКСС. -2005. - №6 - с.94-120.

15. Гоцуляк А.Ф., Гавриленко В.П., Орлов С.Н. Особенности анализа энергетического балансанисходящей,радиолинии,сс1та2000 1xEV-DO // Вестник связи. 2004. - №4. -С. 138-140.

16. Гоцуляк Л.Ф., Пархимович Э.Ю., Орлов С.Н. Оценка емкости и пропускной-способности системы CDMA2000 1Х в смешанном режиме передачи речи и обмена данными // Мобильные системы. 2004: - №11. -С.24-25.

17. Генеральная схема- создания и развития федеральной1 сети подвижной радиотелефонной5 связи4 общего- пользования- России-стандарта GSM- (Одобрено решением ГКЭС от 25.12.2002 № 50). Москва, 2003.

18. Дремов А. Д. Мобильная связь в России. Новые услуги и технологии для сетей сотовой связи // «Технология и средства связи». 2004-. - №2. - С.112-113.

19. Епанечников В.А., Цветков А.Н. Справочник по прикладным программам для-мик-ро-ЭВМ. М:: «Финансы и статистика», 1988. - 320с.

20. Журавлев П. 3G: начало большого строительства (Концепция сохранения инвестиций на пути к UMTS) // Технологии бизнеса. 2004. - №5. - С.123-125.

21. Заскалет Mi NEC готова к постановке IMS и 3,5G в Россию // Connect! . 2006. -№5 - С.7-12.

22. Зиновьев Д.Ю. Эволюция транспортной сети операторов мобильной связи// Вестник связи,- 2008. №8. - С. 13-16.

23. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. -ГЛ.: Высшая школа, 1982. -256 с.26: Ионин Г.Л., Седол Я.Я. Статистическое моделирование систем телетрафика: М.: Радио и связь, 1982. -182 с.

24. Использование радиочастотного спектра и развитие в России» сетей подвижной связи третьего поколения (под ред. Ю. Б. Зубарева, М. А.Быховского). МЦНТИ, 2000. - 80 с.

25. Карташевский В.Г., Семенов С. Н., Фирстова Т. В. Сети подвижной связи. ЭКО--ТРЭНДЗ; 2001.-297 с.

26. Карлашев E.H., Барабанщикова С.В.Широкополосный беспроводный доступ // Вестник связи.-2004.-№ 4. С. 136.

27. Кий Н. CDMA-450: два года,после старта // Информ курьер связь. -2005. -№1. -С.21-22.

28. Кондратов А.Г., Степанов Б.Л.Обоснование перспективности'раздельного использования ресурсов каналов трафика, базовых станции? сотовой связи Правовая информатика; выпуск 11. — М.: ФГУ НЦПИ при Минюсте России: - 2008. - С.46;-49:

29. Кондратов А.Г. Обоснование перспективности раздельного использованияфесур-сов каналов трафика-радиоинтерфейса базовой.станции// Труды МТУСИ. 2007. -С.157-160.

30. Кондратов А.Г., Степанов Б.Л. Особенности расчета пропускной-способности сотовых сетей подвижной связи// TComm. 2009. - №3. - С.43-46:

31. Кондратов А.Г., Степанов Б.Л. Стратегии обслуживания вызовов мобильной связи с подвижной границей// Международный форум информатизации. (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы»:- М: МТУСИ. -2008. -С. 126- 128.

32. Кондрашкин В. Сети GSM с 3G интеллектом*// Мобильные системы. - 2005. - № 7. с: 40^43.

33. Костров В.О., Попова А.Г., Степанова И.В. Управление потоками трафика в сетях-связи. «Радио и связь»,2004 . - 96 с.40.,Корнышев Ю. Н., Пшеничников А. П., Харкевич А. Д. Теория телетрафика. М:: Радио и связь, 1996. - 272 с.

34. Кононенко О.Н. Качество услуг в сетях мобильной связи поколения 3G // Информ Курьер связь. 2003. - №10. -, С.45-50.

35. Крупнов А, Е., Скородумов А. И. Перспективы формирования рынка услуг нового поколения и операторы виртуальных сетей подвижной связи // Мобильные системы. -2005. № 6. - С. 24-32.

36. Крылов В. В., Самохвалова С. С. Теория телетрафика и ее приложения. Санкт-Петербург, 2005. -288 с.

37. Кудин A.B., Мельник C.B. Эволюция сетей сотовой связи» стандарта CDMA // Вестник связи. 2004. -№'4 - С.132 -134.

38. Кудин A.B., Максименко В.Н. Оценка качества услуг пакетной-передачи данных в сетях сотовой подвижной связи // Мобильные системы. 2003/- №7.

39. Кудин A.B., Максименко В.Н:, Афанасьев В.В. Оценка качества услуг пакетной передачи, данных в сетях сотовой подвижной-связи стандарта GSM: ЗАО "ИСС",2004, 122 с.

40. Кузнецова O.K., З.Б. Ревелова.З.Б.От качества сети к качеству услуг. Качество услуг связи: на полюсах интересов операторов и потребителей // Информ курьер связь. -2003.-№10-С.37-41. î

41. Кучерявый А. Е., Гильченок Л. 3., Иванов А. Ю. Пакетная сеть связи общего пользования. СПб.: Наука и Техника, 2004. - 272 е.: ил.

42. Кучерявый-А.Е., Цуприков А.Л. Сети связи следующего поколения. М: ФГУП ЦНИИС, 2006. - 280 с.

43. Лагутин В. С., Попова А. Г., Степанова И. В. Характеристика федеральных стандартов на сотовые сети подвижной радиосвязи. Информсвязьиздат, 1996. - 75с.

44. Лившиц B.C., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика.- М.: Связь, 1979.-224 с.

45. Миграция к архитектуре NGN: подход и решения "AMT Групп" // Технологии и средства связи, Специальный-выпуск «Широкополосные мультисервисные сети».2005. -С.76-78.

46. Моляревский А. Десять лет GSM в России, юбилейные размышления // Мобильные компьютеры. 2003 - №12. - С.44 - 47.

47. Невдяев Л.М. Мобильная связь 3-его поколения (под редакцией Горностаева Ю.М.), МЦНТИ ООО «Мобильные коммуникации», 2000. 208 с.

48. Нагорский М. Широкополосный беспроводный доступ на основе радиотехнологии DECT // Wireless.- 2006. № 2. - С.66-67

49. Невдяев Л.М. CDMA: управление мощностью // Сети. 2000. - №4. - С.18-19.

50. Новиков O.A., Петухов С.И. Прикладные вопросы теории массового обслуживания. М.: Советское радио, 1969. -340 с.58.. Нормы технологического проектирования. Городские и сельские сети. НТП-112-2000 РД 45.120 2000, М., 2000.

51. Описание системы D900/D1800. GSMPLMN. Техническая информация фирмы Siemens, 2005.

52. Панкратова О. Массовый продукт GSM. // Информ курьер связь.- 2004.- №5 С. 98-99.

53. Панкратова О. Мобильные технологии и конвергентные услуги //Технология и средства связи. 2007. - № 1 .-С. 21-23.

54. Ревенчук Г. Конвергентные сети: технология или философия // Технологии и средства связи. 2006 - №5. - С.50-56.

55. Саати Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения.- М.: Советское радио, 1971. 515 с.

56. Семенов А. В ожидании 3G // Технологии бизнеса. 2004. - №5. - С.120-123

57. Сенченко Ю. IMS и новые услуги связи// CONNET. 2007. - №10 - С.86-90.

58. Скуснов A.B., Шаронин С.Г. GSM-шлюзы: воровство или экономия и новые услуги корпоративным клиентам?// Вестник связи. 2008. -№ 3. - С.26-29.

59. Соловьева А. Что такое EDGE GSM, HSCDS, GPRS. что дальше? // Мобильные компьютеры. -2003. №1. - С.32-33.г

60. Степанова? И;В. Проектирование сетей мобильной связи // Труды, МТУСИ: Сборник статей; М.:-2004. - С. 139-146.

61. Столингс В. Беспроводные линии связи и сети. Издательский домя"Вильяме", 2003. .

62. Тутов А., Евдокименко Е. Мобильный доступ в Интернет. Поколение 2,5 // Сетевой журнал: -2003. -№3. С.47-48.

63. Тихвинский В.О. Параметры качества услуг передачи данных в сетях подвижной связи с пакетной коммутацией // Мобильные системы. 2004. - №11. -С. 6-9.

64. Харроуэлл Ф. Три точки конвергенции фиксированной и мобильной связи // Wireless. 2006. - №2. -С.56 -57.

65. Шнепс М.А.Системы распределения информации. Методы расчета: Справочное пособие. М.: Связь, 1979. - 344с.

66. Фрейнкман В.А. Услуги интеллектуальной маршрутизации на базе технологии CAMEL //"Wireless Russia". 2006 - №6.

67. Фрейнкман В.А. Wi-Fi / GSM-роуминг как квинтэссенция конвергенции сетей // Мобильные системы. -2006. №12. - С.24-28.

68. Фрейнкман В.А. Как предоставить интеллектуальные услуги абонентам PREPAID? -Влияние конвергентного биллинга на архитектуру сервисных платформ // Мобильные системы. -2005. №5.

69. Фомин А.Ф., Малышев И^Н. Шумоподобные сигналы в мобильной связи-// ВКСС. 2004. -№6: - С.84-93.

70. Фомин А.Ф. Цифровая подвижная радиосвязь в управлении движением«'//Железнодорожный,транспорт. 2002. -, №2. - С.44-46.

71. Ян Элдстал, Андерс Нэсман. Испытательная система WCDMA для тестирования технологии радиодоступа систем 3-го поколения // Mobile communications-international. -2000. -№3.- С. 66-73.

72. Bannister P., Сооре S. Convergence Technologies for 3G Networks: IP, UMTS, EGPRS and ATM// John Wiley & Sons Ltd, 2004, 87 p.

73. CCITT. Draft Recommendation I.37X «Network Capabilities to support Universal Personal-Telecommunication (UPT)» -Temporary Document №54 (XVIII), Geneva, 1992, 34p.

74. ETSI TS 102250-1.Speech Processing, Transmission and Quality-Aspects (STQ); QoS aspects for popular services in GSM' and 3G networks; Part 1: Identification of Quality of Service aspects.

75. ETSI TS 102250-2.Speech Processing, Transmission and Quality Aspects (STQ); QoS aspects for popular services in GSM and 3G networks; Part 2: Definition of Quality of Service parameters and their computation.

76. ETSI TS 123 107: Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Quality of Service (QoS) concept and architecture (3GPP TS 23.107 Release 5).

77. Granbohm H., Wiklund J. GPRS General Packet Radio Service// Ericsson Review, 1999, №2, h. 12.

78. Kosten L. Stochastic theory of service systems, Pergamon Press, Oxford/New York / Toonto / Sydney / Braunschweig. 1973.

79. Leland W., Taddu M., Willinger W., Wilson D. On the self-similar nature of Ethernet traffic// IEEEE transaction on networking. Vol.12. - 1994. - № 1. - P. 2-15.

80. M900/M1800 Система GSM. MSC/SSP. Техническая информация фирмы Huawei Technologies CO.,Ltd.,2005.

81. S0002-A-1 Physical Layer Standard for cdma2000 Spread Spectrum Systems.— 3GPP2C, 2000. — 454 p.