автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Управление ресурсами радиоподсистемы в сетях WCDMA с использованием технологий высокоскоростной передачи данных

Иванов Михаил Викторович

Управление ресурсами радиоподсистемы в сетях \Л/СРМА

с использованием технологий высокоскоростной передачи данных

05.12.13. - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

4845999

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Санкт-Петербург 2011

4845999

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре «Радиопередающих устройств и средств подвижной связи».

доктор технических наук, профессор Бабков Валерий Юрьевич

доктор технических наук, профессор Одоевский Сергей Михайлович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Степанец Валерий Алексеевич

Ведущая организация ФГУП ЛОНИИР (Санкт-Петербург)

Зашита диссертации состоится «^>> 2011 г. в ^Учасов на заседании диссертационного совета_при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу. 191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « iPY 2011г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сети сотовой связи WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов) являются наиболее распространенной платформой для построения сетей третьего поколения (3G, Third Génération). Среди основных причин их масштабного распространения можно выделить эволюционный процесс перехода от сетей GSM (Global System for Mobile Communications, глобальная система цифровой мобильной связи) и перспективность применения технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (High Speed Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ). В настоящее время более 80% всех сетей WCDMA поддерживают технологию HSDPA (High Speed Downlink Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ в прямом канале) с максимальной скоростью передачи данных 3,6 Мбит/с. Операторы сетей WCDMA активно вводят в эксплуатацию технологию HSUPA (High Speed Uplink Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ в обратном канале), которая может обеспечить скорость передачи данных до 5,76 Мбит/с. Дополнительные возможности предоставляют новые протоколы высокоскоростной передачи данных HSPA+ (Evolved HSPA, улучшенные протоколы высокоскоростной передачи данных), которые позволяют достигать скоростей 21/28 Мбит/с в прямом канале.

С увеличением скоростей передачи данных и применением новых технологий доступа особенно актуальным становится вопрос управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с целью обеспечения необходимого качества обслуживания абонентов. Программные комплексы, позволяющие проводить настройку физических параметров радиосети, таких как мощность канала PCPICH (Primary Common Pilot Channel, основной общий пилотный канал), углы наклона антенн базовых станций (БС), азимуты антенн БС, предлагаются большим числом специализированных компаний, например: Schéma, Amphora, Optimi. Такие программные инструменты способны автоматически управлять соседскими отношениями между секторами 3G-3G, 3G-2G, параметрами внут-рисетевых и межсетевых эстафетных передач, мощностями отдельных RAB (Radio Access Bearer, радиоканал передачи пользовательской информации с заданными характеристиками).

Программные инструменты, позволяющие в автоматическом режиме управлять ресурсами радиоподсистемы и настраивать их конфигурацию, на сегодняшний день не представлены ни одной специализированной компанией. Однако зачастую при увеличении скоростей передачи данных и объема трафика именно от корректности настроек использования ресурсов радиоподсистемы зависит качество предоставления услуг абонентам. В связи с этим тема работы представляется актуальной.

Объектом исследования является радиоподсистема сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных HSPA.

Предметом исследования являются вопросы влияния ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA на качество предоставляемых услуг.

Цель диссертационной работы заключается в повышении качества обслуживания абонентов в сети WCDMA при использовании протоколов высокоскоростной передачи данных.

Научной задачей является разработка алгоритмов адаптивного управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории распространения радиоволн и имитационного моделирования на основе программных продуктов MathCad и PL/SQL Developer.

Достоверность полученных результатов, в том числе основных положений и выводов, подтверждается адекватным применением апробированного математического аппарата, сравнением с экспериментальными данными, обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, публикациями основных достижений в журналах, проведением тестирований на тестовом стенде и применением полученных рекомендаций для коммерческой сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон».

Научная новизна работы. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.

1. Концепция управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.

2. Математические модели загрузки ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных, учитывающие текущее число активных абонентов и их распределение по предоставляемым услугам.

3. Имитационная модель влияния абонентской нагрузки на качество предоставления услуг в сети WCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.

4. Рекомендации по настройке параметров радиоподсистемы WCDMA, учитывающие коэффициенты блокировок и обрывов для голосовых и пакетных соединений, а так же среднюю скорость передачи данных для технологии HSDPA.

5. Предложение по построению и реализации программного комплекса автоматической адаптивной регулировки параметров радиоподсистемы WCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.

Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации могут использоваться как на этапе планирования радиосети WCDMA для определения конфигурации ресурсов радиоподсистемы, так и на этапе эксплуатации для поиска причин ухудшения качества обслуживания абонентов и устранения несогласованности в конфигурации ресурсов радиоподсистемы.

Реализация результатов исследований. Реализованная с учетом полученных результатов имитационного моделирования на базе языка программирования PL/SQL платформа автоматического управления параметрами радиоподсистемы позволила повысить качество обслуживания абонентов и снизить

трудозатраты по поиску и устранению некорректных настроек параметров радиоподсистемы в коммерческой сети СЗФ ОАО «МегаФон».

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 59, 61 и 62-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб., 2007, 2009, 2010), на 60-й конференции студентов и (СПб., 2006). Две работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 49 наименований, и трех приложений. Работа содержит 235 с. текста, 103 рис. и 41 табл.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Концепция адаптивного управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA.

2. Математические модели расчета влияния абонентской нагрузки на качество предоставления услуг для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы.

3. Результаты имитационного моделирования влияния абонентской нагрузки в обратном канале сектора сети WCDMA на качество предоставляемых услуг, согласование ресурсов.

4. Предложение по реализации программного комплекса по автоматическому управлению параметрами и ресурсами радиоподсистемы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определена цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано краткое описание радиоподсистемы сети WCDMA, отражены ключевые моменты организации высокоскоростного пакетного доступа в прямом канале - HSDPA. Даны описания структуры кадров, применяемых для технологии доступа HSDPA. Кратко описаны изменения, необходимые для организации канала E-DCH (Enhanced Dedicated Chanel, улучшенный выделенный канал передачи данных), в соответствии с технологией HSUPA. Приведены сравнительные таблицы категорий мобильных терминалов, поддерживающих высокоскоростную передачу данных. Определена область дальнейших исследований. В заключение главы сформулированы научные задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе поставлены задачи разработки концепции управления параметрами и ресурсами радиоподсистемы, декомпозиции радиоподсистемы на отдельные ресурсы и создания математических моделей для расчета загрузки данных ресурсов.

Концепция системы управления параметрами и ресурсами радиоподсистемы (рис. 1) включает:

1) систему мониторинга и управления радиосетью, поставляемую производителем оборудования, которая хранит статистическую информацию, полу-

чаемую от БС и контроллеров радиосети, а так же актуальную конфигурацию ресурсов и параметров радиоподсистемы;

База данных конфигурации радиосети

Система управления ресурсами сети WCDMA

Ресурсы интерфейса Uu:

1. OVSF коды

2. Мощность DL

3. Интерференция UL

Система мониторинга 14 и управления

радиосетью

3 UE

f

S UE

j Ресурсы БС: '

| производительность про- f i цессоров БС |

' Ресурсы интерфейса Iub:

i пропускная способность i канала

Рис. 1. Концепция управления ресурсами радиоподсистемы

2) базу данных (БД) конфигурации радиосети WCDMA и БД статистики, которые обеспечивают адаптацию хранящихся в системе мониторинга и управления данных для дальнейших вычислений;

3) систему управления ресурсами и параметрами радиоподсистемы, которая на основании данных о конфигурации и статистической информации производит расчет новых параметров радиоподсистемы и пересылает их в систему мониторинга и управления сетью.

Для реализации системы управления определены следующие ресурсы, оказывающие влияние на качество обслуживания абонентов в секторе сети WCDMA с поддержкой высокоскоростных протоколов пакетной передачи данных:

- кодовый ресурс;

- производительность процессоров БС;

- пропускная способность канала интерфейса Iub;

- мощность передатчика БС (прямой канал);

- уровень интерференции в обратном канале.

При отсутствии вводимых ограничений на максимальную загрузку ресурсов возможна неконтролируемая деградация качества обслуживания абонентов. Для ограничения максимальной нагрузки в сетях WCDMA используется процедура контроля доступа абонентов к ресурсам (САС, Call Admission Control), которая после проверки загрузки всех ресурсов принимает решение о возможности предоставления сервиса для нового подключения.

В табл. 1 приведены данные по использованию кодового ресурса каналами сигнализации и трафиковыми каналами. Кодовый ресурс сектора WCDMA в

случае поддержки высокоскоростного протокола НББРА используется тремя типами соединений: сигнализация и управление, соединения \VCDMA, соеди-

нения ШОРА.

Таблица 1

_Использование кодового ресурса каналами трафика и сигнализации_

Каналы сигнализации и управления SFBDL Количество SF=128 в DL Примечание

PCPICH (Primary Common Physical Channel) 128 1 Пилотный канал

PCCPCH (Primary Common Physical Channel) 256 0,5 Передача системной информации логического канала ВСН (Broadcast Channel, вещательный капал)

PICH (Paging Indicator Channel) 256 0,5 Организация пейджинговых групп цикла DRX

AICH (Acquisition Indicator Channel) 256 0,5 Передача индикаторов доступа к сети

SCCPCH (Secondary Common Control Channel) 256...4, (6)4 2 Передача транспортных каналов РСН, FACH (количество каналов SCCPCH может быть >1)

HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel) 128 1 Передача служебной информации: схемы манипуляции, параметров каналообразующего кода, схемы HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), размеров блока данных (может быть от 1 до 5 каналов в одной соте, рекоменд. 4)

A-DCH (Associated Dedicated Control Channel) 256 0,5 Управление мощностью канала HS- DPCCH, для каждого абонента HSDPA (может использоваться F-DCH)

Каналы передачи пользовательской информации - - -

DCH CS AMR 12,2 128 1 Передача голосового трафика

DCH PS 64 R'99 32 4 Передача пакетного трафика со скоростью 64 кбит/с

DCH PS 144 R'99 16 8 Передача пакетного трафика со скоростью 144 кбит/с

DCH PS 384 R'99 8 16 Передача пакетного трафика со скоростью 384 кбит/с

HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel) 16 8 Организация кодового пула HSDPA. Количество каналов 1... 15. 5 каналов - скорость 3,6 Мбит/с, 10 каналов - 7,2 Мбит/с

Основным параметром управления ресурсом является количество кодов SF=16 (Spreading Factor, коэффициент расширения), резервируемое для протокола доступа HSDPA. Увеличение числа кодов для технологии HSDPA приводит к уменьшению количества абонентов, которые одновременно могут получить доступ к сети, и увеличению скорости передачи данных. Глобальным параметром сети, который устанавливается на RNC (Radio Network Controller,

контроллер радиосети), является GBR (Guaranteed Bit Rate, гарантированная скорость передачи данных).

Таблица 2

Значения GBR для абонентов HSDPA__

Услуга (RAB) GBR, кбит/с

Телефония, AMR 12,2 кбит/с 16

Передача данных, 64 кбит/с 64

Передача данных, 144 кбит/с 144

Передача данных, 384 кбит/с Ui оо

Передача данных, HSDPA 64/144/384

На основании величин GBR для используемых в сети сервисов и конфигурации кодового ресурса рассчитывается загрузка ресурса. В работе принято, что GBR для абонентов HSDPA может принимать значения 64, 144 и 384 кбит/с (табл. 2). В том случае, когда сеть WCDMA не может обеспечить гарантированную скорость передачи данных для абонента, ему будет отказано в доступе.

Производительность процессоров БС может являться ограничивающим ресурсом, влияющим на пропускную способность сектора и качество обслуживания абонентов. Расчет загрузки данного ресурса производится на основании данных, предоставляемых производителем оборудования об использовании канальных элементов различными сервисами. Один канальный элемент - это такая нагрузка на процессоры БС, которую создает одно голосовое соединение AMR 12,2 кбит/с. Информация по оборудованию NodeB DBS3806 компании Huawei представлена в табл. 3. Максимальное количество канальных элементов для данного типа БС в прямом канале составляет 256, в обратном канале - 192. Канал передачи данных HSDPA данный ресурс не использует.

Таблица 3

Использование ресурса производительности процессоров БС_

Тип устанавливаемого соединения Необходимое количество канальных элементов в UL Необходимое количество канальных элементов в DL

RRC соединение, включающее все сигнальные процедуры 1,00 1,00

RAB соединение CS AMR 12,2 кбит/с 1,00 1,00

RAB соединение PS 64 кбит/с 3,00 2,00

RAB соединение PS 144 кбит/с 5,00 4,00

RAB соединение PS 384 кбит/с 10,00 8,00

RAB соединение HSDPA - -

RAB соединение HSUPA 20,00 2,00

HS-PDSCH - 0

HS-DPCCH 0 -

UL A-DCH (DPCCH) 64 кбит/с 3 -

DL A-DCH (DPCCH) 64 кбит/с - 1

Пропускная способность канала интерфейса Iub определяется его конфигурацией. Наиболее распространенными протоколами для организации интерфейса Iub являются ATM (Asynchronous Transfer Mode, асинхронная переда-

ча данных) и IP (Internet Protocol, сетевой протокол). При использовании АТМ общий канал формируется из 1...N каналов El с помощью технологии IMA (Inverse Multiplexing over АТМ, инверсное мультиплексирование потоков). При использовании протокола IP в качестве физического канала передачи данных применяется Ethernet 100 Мбит/с.

Общий канал интерфейса Iub разделяется на логические части: Control Plane - передача служебной информации для установления соединений, Management Plane - передача служебной информации для управления NodeB, User Plane - передача пользовательских данных. В свою очередь в логической части передачи пользовательских данных формируются логические каналы, по которым передаются абонентские данные в зависимости от типа передаваемого трафика и технологии доступа для более гибкого управления. В случае, когда используется протокол АТМ, логические каналы называются AAL2PATH (АТМ Adaptation Layer Type 2), в случае использования протокола IP - IPPATH.

Такая организация логических каналов дает возможность управления пользовательской информацией путем ограничения максимальной пропускной способности для AAL2PATH относительно максимальной пропускной способности общего канала. Расчет нагрузки производится на основании значений GBR и эффективной пропускной способности канала интерфейса Iub. Вне зависимости от используемого протокола эффективная пропускная способность канала будет меньше 100% из-за наличия трафика сигнализации и управления (табл. 4).

Таблица 4

Пропускная способность интерфейса Iub в зависимости от конфигурации

Конфигурация канала интерфейса Iub Эффективная пропускная способность абонентских данных, кбит/с

ATM, lxEl 1360

ATM, 2xEI ' 3060

ATM, 3xEl 4760

ATM, 4xEl 6460

ATM, 5xEl 8160

IP, Ethernet 10 Мбит/с 8194

Общие каналы управления занимают порядка 20% от максимальной мощности передатчика базовой станции, которая составляет 20 Вт (3GPP, 3rd Generation Partnership Project, консорциум органов стандартизации 3G). Мощность для технологии HSDPA определяется по остаточному принципу после ее распределения между активными соединениями WCDMA. Такой принцип позволяет наиболее рационально использовать мощностной ресурс прямого канала, однако может приводить к тому, что радиус зоны обслуживания для абонентов HSDPA будет уменьшаться при возрастании нагрузки от абонентов WCDMA.

Использование мощности в прямом канале абонентами WCDMA зависит от распределения абонентов внутри зоны обслуживания сектора. Кроме распределения абонентов по удаленности от передающих антенн NodeB на загрузку ресурса влияют следующие параметры:

-распределение абонентов по запрашиваемым услугам; -морфология местности и характер поведения абонентов;

-коэффициент активности абонентов с услугами пакетной передачи данных;

-характеристики оборудования базовых станций и мобильных терминалов; -внешние источники помех и помехи от передатчиков соседних БС. В работе за радиус зоны обслуживания сектора принят радиус зоны обслуживания сервиса PS 64 кбит/с в обратном канале, который необходим для обеспечения работы технологии HSDPA 3,6 Мбит/с. Для расчета потерь на распространения сигнала выбрана модель Ксиа-Бертрони. Модель упрощается за счет предположений о равновысотности застройки и одинаковых расстояниях между зданиями. Она учитывает явление дифракции, которая оказывает существенное влияние на распространение радиоволн в городских условиях. Суммарная интерференция в прямом канале сектора сети WCDMA рассчитывается по формуле

hotal = ¡own + ¡other + ^n- (1)

В (1) I total - суммарная интерференция на входе приемника мобильной станции, lovm - интерференция в прямом канале от обслуживающей соты, 1оЛгг -интерференция в прямом канале от соседних сот, Рп - собственные шум приемника мобильной станции и тепловой шум.

Рп = 10 X log(K XT xW) + NF. (2)

Первое слагаемое представляет собой тепловой шум на входе приемника мобильной станции, NF - собственный шум приемника базовой станции. Уровень интерференции от собственной соты определяется равенством

¡own = аХ Ptx„own> (3)

где Ртх_от ~ текущая суммарная мощность передатчика базовой станции, определяемая абонентской нагрузкой в секторе и мощностью общих каналов управления, а - коэффициент неортогональности OVSF кодов в прямом канале.

¡other — fob Х PtXJID]> (4)

где fDL - коэффициент шума соседних секторов, Ртх_ adj~ мощность передатчика в соседнем секторе. В центре соты fDL~0, а на границе соты KfDL<2.

Если принять нагрузку в сети распределенной равномерно, т. е. Ptx_adj=Ptx own, то можно записать следующее равенство;

Ф« =

Р;

- Р-1010___

(а+/)хРГУ+1о1Я {а+ПхРтх+1(ГП*

L+PN• (5)

1010

В (5) (/Д,)] - отношение сигнал/шум для у'-го абонента до преобразования широкополосного сигнала в узкополосный, I - суммарные потери в прямом канале, Р]- мощность базовой станции дляу-го абонента.

Суммарные потери I рассчитываются по формуле

I = Р101 + 1саЬ1е - Сап1еппав5 + 1Ьойу + + 1репе1г ~ ^НО + РРМ, (6)

где РЬа - потери на трассе распространения в прямом канале, Ьсаые - потери в фидере, (/„„«„„л - коэффициент усиления антенны базовой станции, Ьшу - потери в теле человека, БНМ^г ~ запас на быстрые замирания сигнала без учета выигрыша от мягкой эстафетной передачи, Ьрепе1г - потери на проникновение в здания, БНО - выигрыш от мягкой эстафетной передачи, FF.il/- запас на медленные замирания.

Обозначим Pj ял-как мощность, принимаемую;-м абонентом:

Pj_RX

- J_L

Юю

Общая интерференция для у-го абонента в данной точке зоны обслуживания сектора равна

(а+Лх^вь шаХХРтх

. (.о;

hum ~

L_ 1010

где г)01 ша! - абонентская нагрузка сектора в прямом канале. В случае идеального управления мощностью передатчика базовой станции можно записать следующее равенство:

W

10 ю =(-£);Х-Х-. (9)

¡0 «/ Р]

В (9) (Еь/Ы0); - отношение сигнал/шум для у'-го абонента после преобразования широкополосного сигнала в узкополосный, р} - коэффициент активности абонента. Запишем равенство для требуемой мощности базовой станции для у-го абонента:

m

ю ю xpjXPTXx(a+f+

10 10 Ртх

о

YL к,-

(10)

Так как радиус зоны обслуживания сектора равен радиусу зоны обслуживания сервиса Р8 64 кбит/с, рассчитаем требуемые мощности для абонентов со всеми типами ЛАВ, используемыми в диссертационной работе, на границе соты. Результаты расчетов представлены в табл. 5.

Таблица 5

Тип сервиса Требуемое отношение сигнал/шум, ДБ Выигрыш от обработки широкополосного сигнала, ДБ Потери на трассе распространения на границе соты, ДБ Требуемая мощность передатчика Ыос1еВ для одного абонента на краю соты, ДБм/Вт

CS AMR 12,2 5 25 144,1 25,6/0,45

PS 64 4 17,8 144,1 31,9/1,5

PS 144 3 14,8 144,1 34,5/2,8

PS384 3 10 144,1 38,7/7,4

Суммарная абонентская нагрузка сектора по мощности в прямом канале определяется как

Лоьшаь — р---(11)

гтах

где РТХ - текущая суммарная загрузка сектора в прямом канале, Ртах - максимальная мощность передатчика базовой станции. Тогда нагрузка оту-го абонента, обслуживаемого в данном секторе, будет равна

cfe biLк

"о J Prv 10 10 .

Pj 10 10

=-^-~• (12)

rmax

Rj

Уровень интерференции в обратном канале сектора сети WCDMA определяется абонентской нагрузкой и в случае идеального управления мощностью передатчика мобильной станции не зависит от распределения абонентов по удаленности от антенн базовой станции, а зависит от распределения абонентов по сервисам. Выделим следующие факторы, влияющие на уровень интерференции в обратном канале:

-коэффициент активности абонентов с услугами пакетной передачи данных; -характеристики оборудования базовых станций и мобильных терминалов; -внешние источники помех и помехи от передатчиков UE соседних секторов, правильность описания соседских отношений между соседними секторами; - морфология местности и характер поведения абонентов. Для оценки интерференции в обратном канале сектора WCDMA на практике применяется параметр RTWP (Receive Total Wideband Power, суммарная принимаемая мощность широкополосного сигнала), который измеряется на входе приемника базовой станции. RTWP включает в себя сигналы от мобильных станций, обслуживаемых в данном секторе, интерференционные помехи от мобильных станций соседних секторов, тепловой шум и вероятные внешние помехи.

RTWP - Itotai = Iown + lather + + ?add< (13)

где Itoiai - суммарная интерференция в обратном канале сектора сети WCDMA, Iown - интерференция, создаваемая абонентами данного сектора, Iother - интерференция от абонентов соседних секторов, Р„ - собственный шум приемника базовой станции, Рш - уровень внесистемных помех и помех, связанных с некорректной конфигурацией соседских отношений между секторами в сети.

Шумовая температура приемника базовой станции Р„ рассчитываются по (2). Для современного оборудования БС значение NF лежит в пределах 2 дБ. Суммарная интерференция от абонентов, обслуживаемых в данном секторе равна сумме мощностей мобильных терминалов.

W= IM. (14)

Мощность, принимаемая приемником NodeB от j-го мобильного терминала:

Pj = , hotf , (15)

г—ж.—

-Mi w 1

10 10 Hl^

где Rj - битовая скорость передачи данных, W - чиповая скорость в сетях WCDMA, pj - коэффициент активности абонента.

Интерференция от мобильных терминалов, обслуживаемых в соседних секторах, определяется эмпирическим путем:

f=lfhSLi (1б)

'own

где/- коэффициент интерференции соседних сот. Данный коэффициент используется в теоретических расчетах при условии, что размеры сот одинаковые и

абоненты в них распределены равномерно. Для нормально спланированной сети коэффициент/= 0,5 ... 0,7.

Запишем выражение общей интерференции в обратном канале сектора сети WCDMA:

1N _ 1 total

W = d+/)x2;7=i

i+-

+ рп.

(17)

о//

—L W 1

10 X-S-X-

Обозначим:

Лу Pj

LJ =

i

10 ю

W 1' X—X—

Ri Pi

(18)

где -нагрузка, которую создает один абонент на изолированной соте. Тогда получим

кот1 = Рпх

(19)

Введем нагрузочный коэффициент сектора в обратном канале:

VuL = a+f)xlj=ilJ- (2°)

Очевидно, что если нагрузочный коэффициент сектора qui-* 1, суммарная интерференция 1,оШг-юо. В этом случае происходит неконтролируемая деградация качества обслуживания абонентов. Следует отметить, что нагрузочные коэффициенты от абонентов в секторе носят аддитивный характер.

Введем понятие допуска на интерференцию в обратном канале ROT (Rise Over Thermal), который показывает увеличение интерференции относительно шумового порога приемника базовой станции:

= = _____ = __ pi)

или

ROT = -10 X log(l - Г]иО- (22)

В том случае, когда абонентская нагрузка в обратном канале не ограничена настройками алгоритма САС, в загруженном секторе каждый новый абонент может стать причиной резкого снижения качества обслуживания абонентов.

Таблица б

Тип сервиса Требуемое отношение сигнал/шум, дБ Коэффициент активности абонента Нагрузка г), %

CS AMR 12,2 кбит/с 5 0,6 1,6

PS 64 кбит/с 4 0,67 6,2

PS 144 кбит/с 4 0,67 11,8

PS 384 кбит/с 3 0,67 21,8

HSDPA 3,6 Мбит/с (UL 64) 4 0,67 6,2

HSUPA 2 Мбит/с 2 0,67 46,1

В табл. 6 приведены расчетные значения нагрузки в обратном канале, создаваемой всеми типами абонентов, которые рассматриваются в диссертацион-

ной работе. Для абонентов HSDPA с максимальной скоростью передачи данных 3,6 Мбит/с в направлении от мобильного терминала к БС для передачи служебной информации рассчитывается канал PS 64 кбит/с. Нагрузка между расчетным сектором и соседними секторами распределена равномерно. Для абонентов HSUPA следует отметить высокую нагрузку, создаваемую в обратном канале.

В третьей главе на основе результатов имитационного моделирования проведена оценка влияния абонентской нагрузки на качество предоставления услуг, определяемое коэффициентами обрывов и блокировок для голосовых и пакетных сервисов и средней скоростью передачи данных для абонентов HSDPA.

Моделирование проведено на базе рассмотренного математического аппарата расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы с использованием языка программирования PL/SQL. Поскольку процесс моделирования воспроизводит процесс работы алгоритма САС, соблюдая логическую и временную последовательность анализа загрузки ресурсов радиоподсистемы, модель является имитационной.

При создании имитационной модели абонентской нагрузки сделаны следующие допущения:

- абоненты географически распределены равномерно в зоне обслуживания сектора WCDMA;

- распределение абонентов по запрашиваемым услугам выбрано в соответствии со статистическими данными реальной сети;

- модель является дискретно-временной и не учитывает среднюю продолжительность активной сессии;

- исключен этап установления соединения на уровне RRC (Radio Resource Control, уровень управления радиоресурсами), на котором также используются ресурсы радиоподсистемы;

- исключен расчет нагрузки от процедур LAU (Location Area Update, изменение локальной зоны), от прочих типов RAB, не указанных в работе;

- абонентская нагрузка распределена равномерно между секторами сети WCDMA;

- при расчетах коэффициентов обрывов для голосовых и пакетных сервисов DCR (Drop Call Rate) исключены переходы и эстафетные передачи в сеть GSM;

- не учитывается приоритезация абонентов с услугами пакетной передачи данных.

Результаты имитационного моделирования рассмотрены на примере абонентской нагрузки в обратном канале. Исходя из результатов математической модели влияния абонентской нагрузки, для ограничения эффекта «дыхания» соты и предупреждения неконтролируемой деградации качества обслуживания абонентов необходимо вводить ограничение на максимальную нагрузку в обратном канале.

Нагрузку в обратном канале сектора WCDMA можно оценить по уровню RTWP. Однако на значение уровня RTWP влияют дополнительные составляющие: внесистемная и внутрисистемная помехи. Для того чтобы оценить абонентскую нагрузку и не учитывать влияние помех, используется значение экви-

валентных пользователей (EUN, Equivalent User Number). Нагрузка, равная одному EUN, это нагрузка, создаваемая одним голосовым соединением в обратном канале. Установка максимального значения EUN для сектора позволяет ограничивать абонентскую нагрузку в обратном канале. Оборудование контроллера радиоподсистемы Huawei BSC6810 позволяет управлять нагрузкой в обратном канале раздельно для голосовых и пакетных соединений.

П_тах=100 %/

♦ ♦ ♦

тупах=85%

--ax=7-5%—

jm

П max=50%

/

— — [S N п

inr^owto'nowiomo^o

Т Tt 1Л 1Л О

Количество активных абонентов в секторе, шт.

Количество активных абонентов в секторе, шт.

секторе, шт. Резервирование нагрузки для СЭ трафика

Рис. 2. Ограничение максимальной нагрузки в обратном канале и влияние на уровень блокировок для голосовых соединений ограничения по нагрузке от абонентов с пакетной передачей данных

Выводы по результатам имитационного моделирования:

- отсутствие ограничений по абонентской нагрузке в обратном канале может привести к неконтролируемой деградации сервисов в секторе '\VCDMA;

- при вводе ограничений на максимальную абонентскую нагрузку в обратном канале увеличиваются отказы в обслуживании абонентов;

- максимальное значение ЕШ", позволяющее обслуживать абонентов с минимальными значениями отказов и обрывов, является индивидуальным для каждого сектора и зависит от географического распределения абонентов;

- в случае раздельного анализа нагрузки в обратном канале для голосовых и пакетных абонентов возможна регулировка уровня отказов в соответствии с политикой оператора.

Корректировка максимальной абонентской нагрузки в обратном канале позволяет повысить качество обслуживания абонентов и на основе статистических данных сделать выводы о необходимости физического расширения сети: установки дополнительной БС, применения второй несущей частоты.

В четвертой главе в соответствии с полученными результатами имитационного моделирования влияния абонентской нагрузки в обратном канале на качество предоставления услуг поставлена задача реализации программного комплекса по автоматической настройке параметров загрузки ресурсов радиоподсистемы.

Рис. 3. Взаимодействие программного комплекса с внешней средой

Управление параметрами происходит на основе статистических данных сети и конфигурации сетевых элементов. Программный комплекс реализован как внешняя среда по отношению к системам управления RAN и создан на основе БД Oracle. Алгоритмы реализованы с помощью языка программирования PL/SQL.

Принцип взаимодействия программного комплекса с внешними базами данных и системой управления RAN представлен на рис. 3. Программный комплекс автоматической настройки параметров получает статистику от системы управления, по внутренним алгоритмам создает пороги на активацию действий системы, формирует MML команды и отсылает их в систему управления. Для корректного формирования команд программный комплекс получает информацию о текущей конфигурации и параметрах в сети из соответствующей БД.

Основой программного комплекса является модуль расчета параметров, который отвечает за агрегацию данных по статистике и конфигурации параметров, вычисление КР1 и порогов по срабатыванию алгоритмов, вычисление новых параметров сети и формирование ММЬ команд (рис. 4).

Интерфейсы импорта отвечают за прием статистики и конфигурации параметров и ресурсов радиоподсистемы, а также настроек оптимизатора радиосети. Интерфейсы экспорта передают команды на изменение параметров в систему управления радиосетью, обновления конфигурации и данные для формирования отчетов.

-ы Модуль настроек

Модуль статистики

Модуль конфигурации

Модуль истории изменения параметров

Модуль расчета параметров

Модуль обслуживания

Модуль разграничения прав

Планировщик задач

Интерфейсы импорта

4-

Интерфейсы экспорта

статистика конфигурация настройки I

Новые ММЬ команды

параметры Отчеты.

данные

СУР БД

параметров

радиосети

СУР

БД параметров радиосети

Внешние БД

Рис. 4. Блок-схема программного комплекса по автоматической настройке параметров и ресурсов радиоподсистемы

К вспомогательным модулям программного комплекса относятся:

- модуль настроек: агрегация данных по настройке алгоритмов;

- модуль статистики: предварительная обработка статистических данных;

- модуль конфигурации: обработка данных конфигурации радиоподсистемы;

- модуль истории изменения параметров: журнал автоматических изменений, проведенных в соответствии с алгоритмами;

- модуль обслуживания: контроль работоспособности программного комплекса;

- модуль разграничения прав: авторизация доступа к настройкам и разграничение прав пользователей;

- планировщик задач: согласование работы модулей платформы.

На рис. 5 представлены результаты применения программного комплекса для устранения блокировок по ресурсу обратного канала в сети \VCDMA. Относительное количество отказов по причине ограничения нагрузки в обратном

канале снизилось на 90% относительно максимального, успешность установления пакетных соединений увеличилась на 20-25%.

Время, дни.

Время, дни.

Рис. 5. Результат применения программного комплекса в коммерческой сети

В заключении перечисляются основные результаты диссертационной работы.

Прил. 1 содержит перечень основных статистических данных, используемых для создания статистических аварийных событий и примеры формирования аварийных событий, используемых в разработанном программном комплексе.

Прил. 2 содержит акт реализации программного комплекса по автоматической настройке параметров радиосети в сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон».

Прил. 3 содержит акт использования результатов диссертационной работы при разработке пакетов учебных программ и постановке лабораторно-практических курсов в учебно-методическом центре при СПбГУТ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана концептуальная модель управления ресурсами радиоподсистемы, систематизированы и подробно рассмотрены ресурсы подсистемы радиодоступа \VCDMA, определены параметры, влияющие на загрузку ресурсов радиоподсистемы.

2. Разработаны математические модели расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы в зависимости от абонентской нагрузки.

3. Разработана имитационная модель влияния абонентской нагрузки на качество обслуживания абонентов для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы, подобраны значения параметров, повышающих качество обслуживания абонентов.

4. Выполнена оценка влияния совокупности ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов, рассмотрены случаи несогласованной конфигурации ресурсов.

5. Разработана модель программного комплекса для автоматической настройки параметров загрузки ресурсов радиоподсистемы.

6. Реализованный на базе Oracle программный комплекс внедрен в коммерческую эксплуатацию в сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон».

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Иванов, М.В. Анализ причин возникновения внутрисистемных помех в обратном канале в сетях WCDMA и методы их устранения / М. В. Иванов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. - №5(108). - С. 30-35. (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК)

2. Иванов, М.В. Расчет пропускной способности радиоканала HSUPA с учетом особенностей высокоскоростной передачи данных / М. В. Иванов // Вестник связи. - Ириас. - М., 2009. - №8. - С. 25-30. (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК)

3. Иванов, М.В. Автоматическое управление параметрами в радиоподсистеме UTRAN / М. В. Иванов // Труды учебных заведений связи / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2010. -№ 182-183. - С. 72-79.

4. Иванов, М.В. Источники интерференции в сетях мобильной связи с кодовым разделением каналов WCDMA и методы их устранения / М. В. Иванов // 62 НТК / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2010. - С. 140,141.

5. Иванов, М.В. Расчет пропускной способности радиоканала HSUPA с учетом поправок для высокоскоростной передачи данных в сетях с кодовым разделением каналов / М. В. Иванов // 61 НТК / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2009. - С. 104.

6. Иванов, М.В. Исследование преимуществ технологии высокоскоростной передачи данных HSDPA в сетях мобильной связи с кодовым разделением каналов WCDMA / М. В. Иванов // 59-я НТК / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2007. - С. 64.

7. Иванов, М.В. Технология высокоскоростной передачи данных HSDPA в сетях с кодовым разделением каналов / М. В. Иванов, В. Ю. Бабков // Мобильные телекоммуникации. - Профи-пресс. - М., 2007. - Х° 6. - С. 22-28.

8. Иванов, М.В. Технология высокоскоростной передачи данных HSDPA в сетях с кодовым разделением каналов WCDMA / М. В. Иванов // 60-я НТК / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2006. - С. 31-36.

Подписало к печати 10.03.2011 Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Отпечатано в СПбГУТ. 191186. СПб., наб. р. Мойки, 61

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. РАДИОПОДСИСТЕМА СЕТИ \VCDMA С ПОДДЕРЖКОЙ ПРОТОКОЛОВ НБРА.

1.1 Характеристика подсистемы радиодоступа сети \VCDMA.

1.2 Принципы организации технологии доступа ИББРА.

1.3 Принципы организации технологии доступа ШиРА, характеристики мобильных терминалов.

1.4 Определение исследуемой области сети \VCDMA, постановка задач исследования.

Глава 2. РЕСУРСЫ РАДИОПОДСИСТЕМЫ СЕТИ Х^СБМА/ШРА.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Концепция системы управления ресурсами радиоподсистемы.

2.3 Кодовый ресурс радиоподсистемы.

2.4 Мощностной ресурс радиоподсистемы в прямом канале.

2.5 Уровень интерференции в обратном канале.

2.6 Ресурс пропускной способности канала интерфейса 1иЬ.

2.7 Ресурс производительности процессоров Мос1еВ.

2.8 Выводы.

Глава 3. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ РЕСУРСОВ РАДИОПОДСИСТЕМЫ НА КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ АБОНЕНТОВ

3.1 Постановка задачи.

3.2 Предложения по формированию модели абонентской нагрузки и основные характеристики имитационной модели.

3.3 Имитационная модель влияния ограничений ресурсов на качество обслуживания абонентов.

3.3.1 Кодовый ресурс.

3.3.2 Ресурс мощности в прямом канале.

3.3.3 Уровень интерференции в обратном канале.

3.3.4 Ресурс пропускной способности канала передачи данных интерфейса Iub.

3.3.5 Ресурс производительности базовой станции.

3.4 Результаты имитационного моделирования влияния совокупности ресурсов на качество обслуживания абонентов.

3.5 Выводы.

Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ ЗАГРУЗКИ РЕСУРСОВ РАДИОПОДСИСТЕМЫ СЕТИ WCDMA.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Формирование статистических показателей качества обслуживания абонентов и загрузки ресурсов радиоподсистемы.

4.3 Предложение по реализации системы обработки статистических аварийных событий.

4.4 Реализация программного комплекса автоматической настройки параметров радиоподсистемы. Алгоритмы.

4.4.1 Уровень интерференции в обратном канале.

4.4.2 Ресурс пропускной способности интерфейса Iub.

4.5 Результат внедрения алгоритма автоматического управления нагрузкой в обратном канале. Дополнительные возможности разработанного программного комплекса.

4.6 Выводы.

Сети сотовой связи WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов) являются наиболее распространенной платформой для построения сетей третьего поколения (3G, Third Génération). Среди основных причин их масштабного распространения можно выделить эволюционный процесс перехода от сетей GSM (Global System for Mobile Communications, глобальная система цифровой мобильной связи) и перспективность применения технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (High Speed Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ). В настоящее время более 80% всех сетей WCDMA поддерживают технологию HSDPA (High Speed Downlink Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ в прямом канале) с максимальной скоростью передачи данных 3,6 Мбит/с. Операторы сетей WCDMA активно вводят в эксплуатацию технологию HSUPA (High Speed Uplink Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ в обратном канале), которая может обеспечить скорость передачи данных до 5,76 Мбит/с. Дополнительные возможности предоставляют новые протоколы высокоскоростной передачи данных HSPA+ (Evolved HSPA, улучшенные протоколы высокоскоростной передачи данных), которые позволяют достигать скоростей 21/28 Мбит/с в прямом канале.

С увеличением скоростей передачи данных и применением новых технологий доступа особенно актуальным становится вопрос управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с целью обеспечения необходимого качества обслуживания абонентов. Программные комплексы, позволяющие проводить настройку физических параметров радиосети, таких как мощность канала PCPICH (Primary Common Pilot Channel, основной общий пилотный канал), углы наклона антенн базовых станций (БС), азимуты антенн БС, предлагаются большим числом специализированных компаний, например:

Schema, Amphora, Optimi. Такие программные инструменты способны автоматически управлять соседскими отношениями между секторами 3G-3G, 3G-2G, параметрами внутрисетевых и межсетевых эстафетных передач, мощностями отдельных RAB (Radio Access Bearer, радиоканал передачи пользовательской информации с заданными характеристиками).

Программные инструменты, позволяющие в автоматическом режиме управлять ресурсами радиоподсистемы и настраивать их конфигурацию, на сегодняшний день не представлены ни одной специализированной компанией. Однако зачастую при увеличении скоростей передачи данных и объема трафика именно от корректности настроек использования ресурсов радиоподсистемы зависит качество предоставления услуг абонентам. В связи с этим тема работы представляется актуальной.

Объектом исследования является радиоподсистема сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных HSPA.

Предметом исследования являются вопросы влияния ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA на качество обслуживания абонентов.

Цель диссертационной работы заключается в повышении качества обслуживания абонентов в сети WCDMA при использовании протоколов высокоскоростной передачи данных.

Научной задачей является разработка алгоритмов адаптивного управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории распространения радиоволн и имитационного моделирования на основе программных продуктов MathCad и PL/SQL Developer.

Достоверность полученных результатов, в том числе основных положений и выводов, подтверждается адекватным применением апробированного математического аппарата, сравнением с 8 экспериментальными данными, обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, публикациями основных достижений в журналах, проведением тестирований на тестовом стенде и применением рекомендаций для коммерческой сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон полученных».

Научная новизна работы. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.

1. Концепция управления ресурсами радиоподсистемы сети \VCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.

2. Математические модели загрузки ресурсов радиоподсистемы сети* \VCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных, учитывающие текущее число активных абонентов и их распределение по предоставляемым услугам.

3. Имитационная модель влияния абонентской нагрузки на качество предоставления услуг в сети \VCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.

4. Рекомендации по настройке параметров радиоподсистемы \VCDMA, учитывающие коэффициенты блокировок и обрывов для голосовых и пакетных соединений, а так же среднюю скорость передачи данных для технологии ШОРА.

5. Предложение по построению и реализации программного комплекса автоматической адаптивной регулировки параметров радиоподсистемы \VCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.

Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации могут использоваться как на этапе планирования радиосети \VCDMA для определения конфигурации ресурсов радиоподсистемы, так и на этапе эксплуатации для поиска причин ухудшения качества обслуживания абонентов и устранения несогласованности в конфигурации ресурсов радиоподсистемы. 9

Реализация результатов исследований. Реализованная с учетом полученных результатов имитационного моделирования на базе языка программирования PL/SQL платформа автоматического управления параметрами радиоподсистемы позволила повысить качество обслуживания абонентов и снизить трудозатраты по поиску и устранению некорректных настроек параметров радиоподсистемы в коммерческой сети СЗФ ОАО «МегаФон».

Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 59, 61 и 62-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб., 2007, 2009, 2010), на 60-й конференции студентов и (СПб., 2006). Две работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 49 наименований, и трех приложений. Работа содержит 235 с. текста, 103 рис. и 41 табл.

Основные результаты исследований в данной главе:

1. В данной главе рассмотрены основные показатели качества работы сети

VCDMA, основанные на статистических данных, получаемых системой управления радиоподсистемой с базовых станций и контроллеров радиосети.

Приведены примеры формирования КР1, которые отображают отказы в предоставлении сервисов по причинам ограниченности ресурсов

215 радиоподсистемы. Рассмотрены дополнительные показатели качества обслуживания абонентов и загрузки ресурсов радиоподсистемы: уровень И.Т\¥Р в секторе, количество обрывов для голосовых и пакетных соединений, количество эстафетных передач в сеть Ю. Все рассмотренные КР1 являются основой для создания статистических аварий по качеству, которые служат индикатором ухудшения обслуживания абонентов и требуется корректировка параметров радиоподсистемы или расширение ресурсов.

2. Разработана модель системы мониторинга аварий по качеству, которая является внешней по отношению к системе управления и мониторинга радиоподсистемы и позволяет формировать любые аварийные ситуации на основе статистических данных. При этом не происходит увеличение нагрузки на систему управления и мониторинга радиоподсистемой, что дает возможность формировать большое число КР1, аварий по качеству, показателей работы сети. Данная система может агрегировать данные с оборудования различных производителей.

3. На основе концепции управления загрузкой ресурсов радиоподсистемы создан программный комплекс, позволяющий управлять абонентской нагрузкой на ресурсы радиоподсистемы. Разработаны алгоритмы управления нагрузкой ресурсов обратного канала и интерфейса 1иЬ. Алгоритм по управлению интерференционным ресурсом обратного канала внедрен в эксплуатацию в реальной сети \VCDMA. Алгоритм основан на обработке статистических данных и учитывает уровни блокировок для голосовых и пакетных соединений, уровень Я'ПУР в секторах сети \VCDMA, количество эстафетных передач для абонентов с пакетной передачей данных по технологии НЗБРА.

4. Представлены результаты внедрения алгоритма по управлению интерференционным ресурсом обратного канала. На фоне снижения количества отказов в предоставлении сервиса по причине перегрузок в обратном канале на 92% и повышения успешности установления пакетных

216 соединений на 8% наблюдается рост пакетного трафика, который составил 4,1%. При этом алгоритм учитывает эффект «дыхания» сот и ограничивает максимальную нагрузку на основе статистических данных. 5. На базе разработанного программного комплекса предложены для реализации алгоритмы, которые непосредственно не связаны с регулировкой загрузки ресурсов радиоподсистемы, но применение которых позволит значительно повысить качество обслуживания абонентов. Алгоритмы включают в себя реакцию на деградацию качества обслуживания абонентов, связанную с повышением уровня обрывов для голосовых и пакетных соединений. Перевод голосового трафика в сеть 2G или полная блокировка сектора дополняются алгоритмом автоматического изменения соседских отношений между секторами WCDMA. Крайне полезным является алгоритм перераспределения абонентской нагрузки между сонаправленными секторами с разными несущими частотами. Так как добавление второй несущей частоты является одной из основных мер по расширению емкости сети и подготовке к внедрению технологии HSPA+ (Dual Carrier, использование двух несущих), данный алгоритм необходим для регулировки нагрузки в автоматическом режиме.

По результатам исследований в данной главе можно сделать вывод о том, что предложенная концепция управления параметрами радиоподсистемы, основанная на обработке статистических данных, была успешно внедрена в эксплуатацию в сети WCDMA и позволила повысить качество обслуживания абонентов, оперативность реакции на проблемы в сети при снижении трудозатрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные технологии высокоскоростного доступа НБРА позволили значительно увеличить скорости передачи данных в сетях \VCDMA, что привело к росту популярности данных сетей во всем мире. На сегодняшний день сети \YCDMA с поддержкой технологий НБРА, внедренные операторами сотовой связи в России, позволяют достигать скоростей до 14,4 Мбит/с в прямом канале и 5,76 Мбит/с в обратном канале. С вводом в эксплуатацию данных технологий особенно остро встал вопрос предоставления максимального качества обслуживания абонентов в условиях ограниченности ресурсов сети, а в частотности ресурсов радиоподсистемы.

Специфика работы сети \VCDMA с поддержкой технологии высокоскоростной передачей данных НБРА заключается в том, что, по сути, в сети используются две принципиально разные технологии доступа: Н5РА и \VCDMA. В сети при этом предоставляются услуги голосовой и пакетной передачи данных.

На фоне постоянного роста трафика, связанного с расширением абонентской базы и снижением стоимости услуг, в сети постоянно наблюдается девиация абонентской нагрузки на уровне сот и базовых станции, которая вызвана массовыми мероприятиями, сезонными изменениями и проч. В связи с этим для поддержания уровня качества обслуживания абонентов необходим постоянный контроль за загрузкой ресурсов радиоподсистемы и своевременная реакция на перегрузки и отказы в обслуживании.

В сети \VCDMA для контроля и регулировки загрузки ресурсов радиоподсистемы используется алгоритм С АС. Для каждого ресурса алгоритм принимает решение о возможности предоставления услуги каждому новому абоненту секторе, исходя из текущей абонентской нагрузки. Использование алгоритма САС необходимо, так как без контроля нагрузки ресурсов возможна полная деградация сервисов в секторе. Например, такой случай возможен при перегрузке по интерференции в обратном канале или по

218 мощности в прямом канале, когда возможен выход из строя передатчика базовой станции.

В работе обозначены основные проблемы, возникающие при увеличении абонентской нагрузки в условиях ограниченности ресурсов радиоподсистемы. Обоснована актуальность разработки программной среды автоматической настройки параметров радиоподсистемы на основе концепции. Основными задачами регулировки загрузки радиоподсистемы являются:

- анализ влияния загрузки ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов в сети

- разработка событий, которые идентифицируют ухудшение качества обслуживания абонентов по причинам высокой загрузки радиоподсистемы и средств их мониторинга, разработка адаптивных автоматических алгоритмов для корректировки параметров.

Указанные задачи успешно решены в диссертационной работе. В рамках решения первой задачи:

- рассмотрены ключевые характеристики сетей \VCDMA и технологий высокоскоростной передачи данных Н8РА, особенности использования ресурсов радиоподсистемы технологиями высокоскоростной передачи данных;

- разработан математический аппарат по расчету утилизации ресурсов радиоподсистемы, влияния абонентской нагрузки на качество обслуживания абонентов, методы расчета уровней блокировок для каждого ресурса и уровней обрывов для голосовых и пакетных соединений. Рассмотрен алгоритм доступа к ресурсам радиоподсистемы САС его назначение и основные параметры. Методы математического расчета загрузки определены для следующих ресурсов: мощностной ресурс в прямом канале сектора, интерференция в обратном канале, ресурс пропускной способности канала интерфейса 1иЬ, кодовый ресурс сектора, ресурс производительности цифровых сигнальных процессоров базовой станции.

219 разработаны имитационные модели для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы, основанные на математических методах расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы. По результатам имитационного моделирования получены оценки влияния ограничений ресурсов на качество обслуживания абонентов в сети WCDMA, рассмотрены основные параметры, влияющие на утилизацию ресурсов. Определены основные требования к распределению ресурсов радиоподсистемы между технологиями доступа WCDMA Release'99 и HSPA.

- разработана модель абонентской нагрузки в сети WCDMA, в рамках которой определены следующие важные для расчета параметры: распределение абонентов между услугами, коэффициент активности пакетных абонентов, распределение абонентов по удаленности от центра зоны обслуживания базовой станции.

- проведено тестирование влияние технологии высокоскоростной передачи данных в обратном канале HSUPA на тестовом стенде. Получены экспериментальные и расчетные данные. Сделаны выводы об ограничениях и требуемых расширениях, необходимых при вводе в эксплуатацию данной технологии.

- проведено имитационное моделирование влияния загрузки ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов в сети WCDMA для совокупности ресурсов радиоподсистемы. Приведены примеры настройки параметров, отвечающих за утилизацию ресурсов. Рассмотрены случаи некорректной конфигурации, когда один из ресурсов становится явным «узким местом» в радиоподсистеме и является основной причиной деградации качества обслуживания.

В рамках решения второй задачи:

- разработана концепция управления ресурсами радиоподсистемы на основе статистических данных по качеству обслуживания абонентов и загрузки ресурсов радиоподсистемы. Модель предполагает автоматическое управление

220 параметрами на основе заранее созданных алгоритмов для каждого ресурса радиоподсистемы.

- разработаны основные показатели качества обслуживания абонентов KPI, которые включают в себя отказы в предоставлении сервисов по причине перегрузки одного или нескольких ресурсов радиоподсистемы. На основе KPI разработаны аварийные события по качеству обслуживания абонентов в сети, которые являются индикаторами деградации качества и требуют применения мер по его улучшению.

- разработана модель и внедрена в эксплуатацию система контроля за аварийными событиями по качеству обслуживания абонентов. Отличительной особенностью данной системы является то, что она является автономной системой, которая получает статистические данные из системы мониторинга и управления UTRAN, формирует и рассчитывает основные KPI и аварийные события по качеству обслуживания абонентов не создавая дополнительной нагрузки на сервер системы управления. Также данная система может обрабатывать данные от различного оборудования любых производителей.

- разработан программный комплекс, который включает в себя алгоритмы адаптивного автоматического управления параметрами радиоподсистемы, определяющие загрузку ресурсов. Данный программный комплекс реализован на базе языка PL/SQL и введен в эксплуатацию в сети WCDMA с поддержкой высокоскоростных технологий передачи данных HSPA. Основные результаты использования программного комплекса с алгоритмом регулировки загрузки интерференционного ресурса обратного канала: снижение количества отказов в предоставлении сервисов на 92%, увеличение успешности установления соединений на 8%, рост пакетного трафика на 7%.

- предложены алгоритмы для реализации в рамках программного комплекса по автоматическому управлению параметрами и ресурсами радиоподсистемы, которые позволяют повысить качество обслуживания абонентов за счет оперативного реагирования на проблемы с качеством обслуживания

221 абонентов в сети, автоматической корректировке соседских отношений между секторами WCDMA и равномерном распределении абонентской нагрузки между несущими частотами.

Т.о. полученные автором результаты позволяют повысить качество обслуживания абонентов в сети WCDMA с использованием протоколов высокоскоростной передачи данных при снижении трудозатрат на поиск и корректировка параметров. Формируемая программным комплексом отчетность по загрузке ресурсов радиоподсистемы позволяет своевременно информировать заинтересованных лиц в необходимости расширений тех или иных ресурсов радиоподсистемы, просматривать историю изменения всех параметров, которые произошли в автоматическом режиме для принятия решений о корректировки порогов, формул, процедур и алгоритмов.

В ходе исследований применялись методы математической статистики, математического и имитационного моделирования, математический аппарат теории распространения радиоволн. Имитационные модели создавались с помощью пакета статистического и имитационного моделирования MATHLAB 6.5, математических инструментов MathCAD 2000 и языка PL/SQL. Реализация программного комплекса произведена на базе языка PL/SQL.

В работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана концепция управления параметрами и ресурсами радиоподсистемы на основе адаптивных автоматических алгоритмов. Структурировано описание ресурсов радиоподсистемы, рассмотрены физические свойства каждого ресурса, описана проблематика управления загрузкой ресурсов. Обоснована актуальность исследований по данной тематике. Рассмотрен алгоритм доступ абонентов к ресурсам САС в сети WCDMA.

2. Для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA разработан математический аппарат расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы, отказов

222 для голосового и пакетного трафика. Определены основные ограничения по утилизации ресурсов радиоподсистемы. Перечислены параметры радиоподсистемы, влияющие на загрузку ресурсов.

3. Разработана модель абонентской нагрузки с учетом распределения абонентов между услугами и технологиями доступа к сети, коэффициента активности для абонентов с пакетной передачей данных и распределения абонентов в зоне обслуживания базовой станции. На базе модели абонентской нагрузки проведено имитационное моделирования влияния загрузки ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов для каждого ресурса. Рассмотрено влияние основных параметров радиоподсистемы на утилизацию ресурсов, даны рекомендации по их настройке.

4. Проведено имитационное моделирование влияния совокупности ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов, рассмотрены случаи некорректной конфигурации радиоподсистемы, когда один из ресурсов становится явным ограничением для качественного облуживания абонентов. Выполнены дополнительные настройки параметров радиоподсистемы для достижения равномерности загрузки ресурсов.

5. Разработаны основные показатели качества работы сети, на базе которых предложено формирование аварийных событий по качеству, которые в дальнейшем будут служить индикаторами для срабатывания алгоритмов регулировки загрузки ресурсов. Предложена модель системы мониторинга качества предоставления услуг и загрузки ресурсов радиоподсистемы.

6. Предложен и реализован программный комплекс по автоматической регулировке загрузки ресурсов радиоподсистемы, который включает в себя алгоритмы расчета значений параметров для каждого ресурса. Данный программный комплекс реализован на языке PL/SQL и внедрен в эксплуатацию в сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон». В результате использования предложенного решения удалось добиться повышения качества облуживания абонентов и объема передаваемых пакетных данных.

223

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что диссертационная работа посвящена актуальной проблеме контроля и управления качеством обслуживания абонентов в условиях ограниченности ресурсов радиоподсистемы. Работа содержит научно - обоснованные технические решения в части математических методов, реализации имитационной модели и разработке программного комплекса и полностью решает поставленные задачи.

1. 3G в мире, материалы ресурса: http://3gclub.ict-online.ru;

2. Optimi. xParametrs, материалы ресурса: http://www.optimi.com;

3. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Трендз, 2000.-230 е.;

4. Характеристики стандарта UTRA FDD, материалы ресурса: http://www.UMTSWorld.com;

5. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd., 2000. Pp. 45-60;

6. Кузнецов M.А., Рыжков A.E. Современные технологии и стандарты подвижной связи. СПБ.: Линк, 2006. - 122-127 е.;9. 3GPP. UTRA High Speed Download Packet Access (HSDPA): Overall description stage 2. TS 25.308. France 2003;

7. Иванов M.B., Бабков В.Ю. Технология высокоскоростной передачи данных HSDPA в сетях с кодовым разделением каналов // Мобильные телекоммуникации / Профи-пресс. Москва, 2007. № 6-7.;

8. И. 3GPP. Multiplexing and channel coding (FDD). TS 25.212 V7.0.0. France, 2006;

9. Иванов, M.B. Исследование преимуществ технологии высокоскоростной передачи данных HSDPA в сетях мобильной связи с кодовым разделением каналов WCDMA // 59-я НТК / ГОУВПО СПбГУТ. СПб, 2007. С. 64.

10. Rupp Markus, Wrulich Martin. Investigations of HSDPA schedulers. / Institute of communications and radio-frequency engineering. Bachelor thesis, 2007;

11. Holma H., Toskala A. HSDPA/HSUPA for UMTS. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd., 2006. pp. 65-81;

12. Бабков В.Ю., Никитин A.H., Осенний K.H., Сивере М.А. Системы мобильной связи с кодовым разделением каналов. СПб.: ТРИАДА, 2003. -239 е.;16. 3GPP. Requirements for support of Radio Resource Management (FDD). TS 25.133 V5.1.0. France, 2001.;

13. Вальков И.Н., Бабков В.Ю. Управление доступом пользователей в сетях мобильной связи 3-го поколения с учетом эстафетных передач // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПБ, 2006. № 174. С. 72-81,;

14. Бабков В.Ю., Вознюк M.A., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи / СПбГУТ. СПб, 1999. - 130 е.;

15. Holma Н., Toskala A. HSDPA/HSUPA for UMTS. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd., 2006. pp. 92-98;

16. Zhang D., Oh S-J., Sindhushayana. Optimal resource allocation for data services in CDMA reverse link. / IEEE Transactions on wireless communications. San Diego, 2007.

17. Бабков В.Ю., Вознюк M.A., Михайлов А.П. Сети мобильной связи. Частотно территориальное планирование. / СПбГУТ. СПб., 2000.;

18. Parsons J.D. The Mobile Radio Propagation Channel, Wiley 2001, p.418.;

19. Pablo Jose, Ameigeiras Gutierrez. Packet scheduling and quality of service in HSDPA. / Institute of Electronic Systems, Aalborg University. Ph. D. Thesis, 2003.;

20. Troels E. Kolding, Frank Frederiksen. Performance Aspects of WCDMA Systems with High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) / Nokia Networks., Aalborg R&D., Denmark, 2005;

21. Proakis J.G. Digital Communications, New York, McGraw-Hill, 1995.;29. 3GPP. Feasibility Study for Enhancement Uplink for UTRA FDD (Release 6). TR 25.896 V6.0.0. France, 2004.

22. Иванов, M.B. Источники интерференции в сетях мобильной связи с кодовым разделением каналов WCDMA и методы их устранения // 62 НТК / ГОУВПО СПбГУТ. СПб, 2010. с. 140-141;

23. Иванов M.B. Расчет пропускной способности радиоканала HSUPA с учетом особенностей высокоскоростной передачи данных // Вестник связи / Ириас. Москва, 2009. № 8.;

24. DBS 3800 System Hardware Structure, материалы ресурса: http://www.huawei.com;

25. Иванов M.B. Автоматическое управление параметрами в радиоподсистеме UTRAN. /Труды учебных заведений связи/ГУОВПО. -Спб, 2010. № 182/183.-72 с.

26. Qualcomm Engineering Services Group. Aspect of HSUPA Network Planning. / Qualcomm Incorporated. San Diego, 2007.;45. 3GPP. Technical Specification Group RAN. Radio Resource Management Strategies. TR 25.992, V 2.4.0. France, 2002.;

27. HP Open View Storage Area Manager (SAM) 3.2, материалы ресурса http://h20195.www2.hp.com;

28. Иванов M.B. Анализ причин возникновения внутрисистемных помех в обратном канале в сетях WCDMA и методы их устранения. / Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПбГПУ. /№5(108)/ СПб., 2010;

29. Лоу А., Кельтон В. Имитационное моделирование. СПб.: Питер, 2004. -с. 547-562.;

30. Никульчев Е.В. Практикум по теории управления в среде MATHLAB., материалы ресурса: http://www.exponenta.ru.

31. Р8ОАТАК.'99 объем передаваемых пакетных данных с использованием технологии доступа \VCDMA Ы'99;

32. Р8ОАТАН8БРА . объем передаваемых пакетных данных с использованием технологии ШИРА;

33. С801ЮРСА1Х количество обрывов для голосовых соединений;

34. Р801ЮРСАЬЬ количество обрывов для пакетных соединений;16. 1ЯАТНОС8 количество эстафетных передач из сети Зв в сеть 2в для голосовых соединений;17. 1КАТНОР8 количество эстафетных передач из сети Зв в сеть 2в для пакетных соединений;

35. ЯТ\¥РЬЕУ уровень БШУР в секторе.

36. Аварийные события радиоподсистемы, связанные с блокировками по ресурсам и применяемые в алгоритмах автоматического управления параметрами радиоподсистемы

37. Аварийное событие «Высокие блокировки по канальным элементам виь»

38. Условие активации аварийного события:

39. Аварийное событие «Высокие блокировки по канальным элементам в1. ИЬ»

40. Условие активации аварийного события:

41. Условие деактивации аварийного события:с5яаввьксе0ь < (Kcsdl.ce * hcsdlce)&psrabblkcedl < (кр50ьсе * HPSDL.CE),где КСзоесе заданный допустимый уровень блокировок по голосовому сервису, Кр8оьсЕ - заданный уровень блокировок по пакетному сервису.

42. Аварийное событие «Высокие блокировки по перегрузке оборудования» Условие активации аварийного события:

43. CSRABЗLKHW>=Kcsнw)&&(ULCE=NULcEмAxIШLCE==NDLcEMAx))II((PSRAB

44. BLKHW>=Kpsнw)&&(ULCE=NULcEмAxIШLCE=NDLcEMAx))} •

45. Условие деактивации аварийного события:

46. С5ЯАВВЬКНШ < (Kcs.нw * НС5™)&Р5КАВВЬКНШ < (КР£ит * НРЗНш)}

47. Для деактивации аварийного события проверка условия наличия максимального количества лицензий на базовой станции не требуется.

48. Аварийное событие «Высокие блокировки по кодам 0У577» Условие активации аварийного события:

49. С5ЯАВВЬКОУ5Р < (КС5 0У5Р * НС5 0У5Р)&Р5КАВВЬКОУ5Р < (Крзстр * НрзоУ5р)}.

50. Коэффициенты Нсз.оузр и Нр5оузр гистерезисы на деактивацию аварийного события по блокировками по причине нехватки кодов для голосового и пакетного трафика.

51. Аварийное событие «Высокие блокировки по ресурсу интерфейса ШВ» Условие активации аварийного события:

52. С8ЯАВВЬКШВ>=Кс51ив||Р5КАВВЬКШВ>=Кр8шв}.

53. Значения КСзшв и КР8щв являются максимальными допустимыми блокировками для голосового и пакетного сервисов по причине нехватки пропускной способности интерфейса 1иЬ, Условие деактивации аварийного события:

54. СБ.КАВ.ВЬКШВ < (Ксзшв * НС5шв)&Р5ЯАВВЬКШВ < (КР5ШВ * НР5,ив)}.

55. Коэффициенты НС5шв и Н^шв гистерезисы для деактивации аварийного события по блокировками по причине нехватки пропускной способности интерфейса ШВ для голосового и пакетного трафика.