Анализ и разработка алгоритмов повышения пропускной способности сетей стандарта GSM

Актуальность темы

Перед любой компанией, занимающейся бизнесом в области телекоммуникаций, стоит задача минимизации затрат на строительство и развитие сети при сохранении приемлемых показателей качества. Не являются исключением и компании сотовой связи. В настоящее время в России идет бурное развитие телекоммуникационной сферы, а особенно мобильной связи, причем наибольшее распространение получил стандарт GSM. Все больше и больше услуг пользуются спросом у рядового абонента сотовой связи: различные сервисы на базе технологии GPRS/EDGE (в скором времени с использованием более новой технологии UMTS), обмен SMS и MMS сообщениями, причем эти дополнительные услуги позволяют по разным оценкам увеличить такой важный экономический показатель деятельности оператора как ARPU (средний доход с одного абонента) на 1520% [12]. Естественно, что развитие новых технологий требует развития оборудования, на котором эти технологии будут реализованы. Это является довольно сложной задачей, и различные компании-производители оборудования решают ее по-своему, но удовлетворяя требованиям стандартов (ETSI, ITU и т. д.). Однако ряд способов, применяемых при реализации того или иного узла, является общим. В качестве примера можно привести методы линеаризации усилителей мощности [23,62−67,72], использование которых становится актуальным в сетях сотовой связи при переходе к EDGE и сетям третьего поколения, где используются сигналы не с постоянной (как в GSM), а переменной огибающей [10].

Разработка оборудования является прерогативой компаний-поставщиков оборудования, и влияние операторов сотовой связи в этой части минимально. Но, безусловно, пожелания, и особенно, претензии к существующему оборудованию и программному обеспечению учитываются, и вносятся соответствующие коррективы. Стоит признать, что основной задачей операторов связи является предоставление качественных услуг на имеющемся оборудовании, используя и настраивая в сети определенным образом те или иные опции. В этой части у операторов имеются достаточно большие возможности.

Не стоит забывать об основной функции на данном этапе развития подвижной связи — предоставление голосовых услуг. В настоящее время степень развития рынка телекоммуникационных услуг такова, что абоненты хотят не просто иметь возможность разговаривать в любом месте в любое время, но и получать качественные услуги. Необходимо отметить, что поскольку под любые сервисы занимается один и тот же физический ресурсрадиоканал, то необходимо, во-первых, грамотно распределять имеющийся ресурс между различными сервисами, а во-вторых, применяя различные алгоритмы, использовать его максимально эффективно. Анализу проблем алгоритмов управления, хранения информации, а также математическому описанию процессов, происходящих в системах с массовым обслуживанием, посвящено множество работ, как зарубежных, так и отечественных ученых. Среди основополагающих трудов стоит отметить работы Б. С. Лифшица, А. П. Пшеничникова, А. Д. Харкевича, М. А. Шнепса, У. К. Ли, Л. Клейнорка.

Эффективность использования частотного ресурса, выделенного под стандарт GSM, в нашей стране особенно актуальна из-за наличия различных ограничений, особенно в диапазонах частот 880−915 МГц и 925−960 МГц (для краткости далее диапазон 900 МГц). Зачастую бывает просто невозможно увеличить емкость сети за счет добавления трансиверов, т.к. это может привести к появлению интерференции, а значит, к резкому ухудшению качества предоставляемых услуг. Поэтому в ряде случаев важнейшую роль играет использование различных способов и алгоритмов, позволяющих перераспределять трафик и увеличить емкость сети без установки дополнительных трансиверов. Более того, ставится задача увеличивать емкость динамически и в нужный момент времени, т. е. когда действительно имеет место нехватка каналов на радиоинтерфейсе. Другими словами, необходимо применять алгоритмы, при помощи которых можно предсказывать перегрузки и управлять емкостью сети.

С учетом изложенных выше факторов проведение анализа, оценки эффективности и влияния на качественные показатели основных опций, позволяющих увеличить емкость сети, а также нахождение параметров математической модели предсказания перегрузок и перераспределения голосового и пакетного трафика применительно к сетям стандарта GSM являются актуальными задачами.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение задачи по увеличению пропускной способности сетей стандарта GSM на основе разработанных математических моделей теории массового обслуживания.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

— на основе анализа возможностей оценки мобильности абонентов в сетях стандарта GSM определить параметры математической модели для предсказания перегрузок на радиоитерфейсе подсистемы базовых станций;

— разработать практические рекомендации по использованию существующих опций, позволяющих увеличить емкость сети;

— на основе статистической обработки имеющихся экспериментальных данных, полученных с различных элементов сети, разработать алгоритм расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения»;

— на основе экспериментальных данных разработать и обосновать алгоритм по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между пакетным и голосовым трафиком для максимально эффективного использования имеющейся емкости сети.

Общая методика исследования. При разработке алгоритма расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения» и определении параметров модели по предсказанию перегрузок использовались методы теории массового обслуживания и теории телетрафика, теории вероятностей и статистической радиотехники.

Научная новизна и основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Определены параметры, позволяющие оценить мобильность абонентов, учитывающие особенности определения местоположения абонентов в сетях стандарта GSM.

2. Исследована и обоснована математическая модель для прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM, а также определены ее параметры с учетом найденных параметров мобильности.

3. Разработан алгоритм настройки процедуры «прямого переназначения», который позволяет снизить перегрузки на радиоинтерфейсе подсистемы базовых станций при сохранении низкого уровня процента обрывов соединений.

4. На основе обработки статистических данных (более 1.000.000 измерений) получена аналитическая зависимость по расчету допустимых значений логических параметров базовых станций для настройки «процедуры прямого» переназначения. Проведено исследование полученной формулы, доказана ее состоятельность и найдены доверительные интервалы.

5. На основе обработки статистических данных (более 600.000 измерений) разработана и обоснована методика перераспределения ресурсов между голосовым и пакетным трафиком, позволяющая удовлетворить нормативам по качеству для обеих услуг.

6. На основе обработки статистических данных (более 700.000 измерений) выработаны практические рекомендации по использованию опций, позволяющих увеличить емкость сети.

Личный вклад. Результаты проведенных теоретических и практических исследований, а также вытекающие из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность. Выполненные в диссертационной работе исследования и найденные параметры математической модели для прогноза перегрузок позволяют на раннем этапе возникновения роста трафика предпринимать меры по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе для предотвращения отказов в обслуживании абонентов.

Рассмотренные способы оценки качества сетей подвижной связи и рекомендации по их применению позволяют операторам связи на постоянной основе осуществлять контроль состояния сети и поддерживать качество предоставляемых услуг на высоком уровне.

Рекомендации, приведенные в диссертационной работе по внедрению основных опций, увеличивающих емкость сети, дают возможность оператору сотовой связи наиболее эффективно и своевременно активировать их на своей сети, что позволит наилучшим образом использовать имеющиеся ресурсы.

Разработанная методика настройки процедуры «прямого переназначения» обеспечивает снижение перегрузок на радиоинтерфейсе сетей стандарта GSM при сохранении на низком уровне значений обрывов соединений, что увеличивает эффективность использования имеющихся ресурсов.

Аналитическая зависимость, полученная для расчета допустимых значений логических параметров базовых станций при настройке процедуры «прямого переназначения» совместно с алгоритмом прогнозирования перегрузок позволяет оператору подвижной связи не только выявлять возникновение перегрузок на раннем этапе, но и вовремя предпринимать меры по их снижению при минимальном влиянии на другие основные показатели качества.

Разработанный и обоснованный алгоритм по перераспределению ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком дает возможность в условиях ограниченности ресурсов предоставлять услуги как по передачи голоса, так и по передачи данных с высокими показателями качества.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «ВымпелКом» и департаменте «Телекоммуникации» ООО Сименс, что подтверждено актами о внедрении. Результаты, полученные в работе, применяются в учебном процессе кафедры «Радиотехнические системы» МТУ СИ.

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (Москва, 2004 — 2006 гг.), на международной конференции «IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communications» (Москва, 2004 г.).

Публикации. Опубликовано 20 печатных работ [23,24, 57−72,77,82].

Основные положения, выносимые на защиту:

• На основе анализа основных опций, используемых операторами сотовой связи для увеличения емкости сети, разработаны рекомендации по их применению, подтверждающиеся практическими результатами:

— при проектировании сети целесообразно ориентироваться на долю трафика в режиме Half Rate 20−30%;

— применение процедуры прямого переназначения позволяет увеличить емкость сети на величину до 25%;

— настройка двухдиапазонной сети позволяет увеличить эффективность использования ресурса соты на величину до 5%;

— использование псевдослучайной перестройки частоты позволяет улучшить значения CunSR на 15%, а значение TAsFRradioпрактически в два раза.

• Параметры математической модели для прогнозирования роста перегрузок на основе параметров мобильности, вычисляемых в сетях стандарта GSM, показывают, что при интенсивности = 10 аб/с необходимый интервал анализа составляет 100−250 с, что примерно в 34 раза меньше времени возникновения реально ощутимых перегрузок из-за каких-либо ситуаций типа «пробок», аварий и пр. Это позволяет использовать полученную модель в оборудовании для динамического перераспределения ресурсов сети.

• Полученная аналитическая формула, показывает, что при значении Signallevmin= -95 дБм, для сохранения значений неуспешных соединений не выше 2% настройка логических параметров, отвечающих за работу процедуры «прямого переназначения», должна производиться таким образом, чтобы доля сигналов с уровнем ниже граничного не превышала 15%.

• Найденные параметры настройки алгоритма перераспределения ресурсов на радиоинтерфейсе между голосовым и пакетным трафиком позволяют удерживать значение Ротк gprs на уровне 1−2%, при минимальном воздействии на Ротк:

Кол-во ТКХШараметр HIGHTRAFFIC MAXPDCH

1 TRX 83% 5

2TRX 92% 12

3TRX 90% 19

4TRX 93% 26

5TRX 94% 34

6TRX 95% 41 и

— для секторов с одним и двумя трансиверами, независимо от наличия режима Half Rate, значения MAXPDCH и HIGHTRAFFIC:

MAXPDCH = Кол-во TS — 1, где TSдоступные тайм-слоты, не занятые служебными каналами.

MAXPDCHHIGHTRAFFIC = 100*(МАХРБСН)/(Кол-во TS);

— для секторов с тремя и более трансиверами, независимо от наличия режима Half Rate:

MAX PDCH = Кол-во TS- 2,

HIGHTRAFFIC = 100 *(МАХРБСН)/(Кол-во TS).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа содержит 147 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 82 наименований.

4.8 Выводы

С учетом имеющихся теоретических результатов были проанализированы алгоритмы прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM с учетом особенностей определения местоположения абонентов в таких сетях. Показано, что целесообразно использовать и проводить оценку изменения интенсивностей входящих и исходящих хендоверов, т.к. эти параметры, во-первых, однозначно определяют перемещение абонентов, а, во-вторых, достаточно просто оцениваются в реальных ситуациях.

Изменение интенсивности входящих хендоверов приводит к определенным переходным процессам изменения нагрузки за счет самих хендоверов, а также к изменению количества потенциально активных абонентов.

Наиболее ранним этапом обнаружения и предсказание возможных перегрузок является обнаружение изменения параметров мобильности. Для повышения достоверности и избежания реагирования на кратковременные всплески нагрузки, а значит повышения эффективности рассмотренных алгоритмов, целесообразным является проведение второго этапа, основанного на анализе возникающих в соте переходных процессов и превышении на определенном интервале времени заданного уровня нагрузки.

Полученные теоретические выкладки были проверены на реальных сетях, и экспериментальные результаты подтвердили целесообразность использования проанализированных алгоритмов. Для сетей стандарта GSM были определены параметры алгоритмов предсказания перегрузок, на основании которых можно говорить о том, что необходимое время для анализа и вынесения решения о возможных перегрузках составляет порядка 100−3 00с. Современный уровень развития технологий и степень вычислительных мощностей позволяет надеяться на возможность обнаружения потенциальных перегрузок и перераспределении ресурсов в пользу перегруженных сот в реальных системах сотовой связи за указанное время. С учетом особенностей сбора статистической информации, используемых большинством компаний-производителей оборудования для сетей стандарта GSM, рассмотренный выше алгоритм может быть реализован по схеме, указанной в Приложении 2.

Заключение

1. На основе проведенного анализа предложена классификация опций, позволяющих увеличить емкость в сетях стандарта GSM без установки дополнительных трансиверов и которые находят широкое применение на различных этапах развития сети. Все опции можно разделить на две группы: опции, уменьшающие перегрузки, т. е. позволяющие перераспределять трафик между соседними сотами (некоторые виды хендоверов, использование полускоростного режима кодирования, применение иерархической структуры сетей) — опции, уменьшающие интерференцию в среднем по сети (псевдослучайная перестройка частоты, регулировка мощности и непостоянное излучение).

2. На основе практических результатов определена последовательность применения рассмотренных опций в сетях стандарта GSM в зависимости от существующей конфигурации сети, степени развития, а также значений основных показателей качества. На первом этапе развития сети, когда основной проблемой является нехватка емкости сети, и, как следствие, наличие перегрузок, целесообразно в первую очередь использовать и настраивать соответствующим образом опции, входящие в первую группу. В дальнейшем, в процессе оптимизации, когда основную роль начинают играть радиопроблемы, имеет смысл большее внимание уделить опциям, входящим во вторую группу.

3. Проведен анализ основных методы оценки качества сетей сотовой связи — тестовые звонки или драйв-тесты, анализ трассировок и обработка статистической информации, получаемой с контроллеров сети. Каждый из этих методов важен для получения полной информации о состоянии сети, дополняет друг друга, но основным в силу ряда рассмотренных особенностей является последний метод. Его использование влечет за собой необходимость определения показателей качества, при помощи которых и производится оценка сетей.

4. Рассмотрены основные показатели качества, разработанные с учетом особенностей оборудования различных производителей. Основным показателем качества является процент неуспешных звонков — С unSR, в состав которого входят процент неуспешных назначений канала управления (SDAsFR), процент обрывов. соединений во время нахождения вызова на канале управления (SDCDR), процент неуспешных назначений канала трафика (TAsFR) и процент обрывов соединений во время нахождения вызова на канале трафика (TCDR). Каждый из этих показателей может быть вычислен как в ЧНН, так и интегрально за какой-либо промежуток времени (как правило, неделю). Как показывает практика, одного способа недостаточно для составления объективной оценки сети, и целесообразно использовать оба метода.

5. Проведен анализ влияния опций, увеличивающих емкость сети, на качественные показатели сети. Все опции направлены на уменьшение показателя CunSR, однако каждая из опций позволяет уменьшить одну (иногда и несколько) составляющую этого индикатора качества. На начальном этапе развития сетей основной задачей является уменьшение перегрузок, и на первый план выходит использование режима полускоростного кодирования, процедуры «прямого переназначения» и настройка двухдиапазонной сети (при условии наличия в сети передатчиков двух диапазонов). При дальнейшем развитии сети встает проблема уменьшения интерференции в сети, и целесообразно применение таких опций как псевдослучайная перестройка частоты, регулировка мощности и непостоянное излучение. Практические результаты использования каждой из опций доказывают необходимость и эффективность их применения.

6. С учетом полученных теоретических результатов проведен анализ алгоритмов прогнозирования перегрузок в сетях стандарта GSM с учетом особенностей определения местоположения абонентов в таких сетях. Показано, что целесообразно использовать и проводить оценку изменения интенсивностей входящих и исходящих хендоверов, т.к. эти параметры, во-первых, однозначно определяют перемещение абонентов, а, во-вторых, достаточно просто оцениваются в реальных сетях. Изменение интенсивности входящих хендоверов приводит к определенным переходным процессам изменения нагрузки за счет самих хендоверов, а также к изменению количества потенциально активных абонентов. Наиболее ранним этапом обнаружения и предсказание возможных перегрузок является обнаружение изменения параметров мобильности. Для повышения достоверности и избежания реагирования на кратковременные всплески нагрузки, а значит повышения эффективности рассмотренных алгоритмов, целесообразным является проведение второго этапа, основанного на анализе возникающих в соте переходных процессов и превышении на определенном интервале времени заданного уровня нагрузки. Полученные теоретические выкладки были проверены на реальных сетях, и экспериментальные результаты подтвердили целесообразность использования проанализированных алгоритмов.

7. Для сетей стандарта GSM определены параметры алгоритмов предсказания перегрузок, на основании которых можно говорить о том, что необходимое время для анализа и вынесения решения о возможных перегрузках составляет порядка 100−300 с. Современный уровень развития технологий и степень вычислительных мощностей позволяет надеяться на возможность обнаружения потенциальных перегрузок и перераспределении ресурсов в пользу перегруженных сот в реальных системах сотовой связи за указанное время.

8. Проведен анализ влияния процедуры «прямого переназначения» на основные качественные показатели сети: вероятность отказа и значения обрывов соединения. Практические результаты и теоретический расчет по модифицированной формуле (4.1), учитывающей размеры зоны перекрытия показали, что процедура «прямого переназначения» является эффективным способом уменьшения вероятности отказа в сетях сотовой связи, позволяющая увеличить пропускную способность на 25%. Опираясь на экспериментальные данные, получены зависимости вероятности отказов и значений обрыва соединений от доли сигналов ниже граничного уровня, которая характеризует размеры зоны перекрытия.

9. Проведена оценка и найдены доверительные интервалы коэффициентов регрессии для аналитических выражений, позволяющих вычислить зависимости гс и обрывов соединений. Для расчета указанных зависимостей был использован участок сети, в котором содержались как соты, обслуживающие местность с «городским» поведением абонентов, так и соты, обладающие пригородной спецификой. На основании полученных результатов, приняв граничный уровень сигнала равным -95 дБм, можно говорить о том, что для сохранения значений неуспешных соединений не выше 2% настройка логических параметров, отвечающих за работу процедуры «прямого переназначения», должна производиться таким образом, чтобы доля сигналов с уровнем ниже граничного не превышала 15%. Разработанный алгоритм можно применять как для ручной настройки из центра управления сетью, так и разработать на его основе новую опцию для сетей сотовой связи второго поколения, позволяющую автоматически в зависимости от текущей ситуации подстраивать логические параметры для наиболее эффективного использования имеющихся ресурсов.

10. С целью повышения пропускной способности сетей стандарта GSM был предложен алгоритм настройки сети с учетом технологии GPRS. На основании проведенного анализа можно говорить о том, что в качестве настройки «по умолчанию» целесообразно даже в условиях большого голосового трафика устанавливать MAXPDCHHIGHTRAFFIC=1, поскольку такое значение позволяет обеспечить приемлемые значения показателей качества для GPRS при минимальном влиянии на голосовой трафик. Устанавливая значение MAXPDCHHIGHTRAFFIC=0, повышение порога HIGHTRAFFIC и уменьшение времени оценки загрузки соты хотя и улучшают ситуацию с неуспешным назначением TBF в обратном направлении, но значение этого индикатора качества остается недопустимо высоким. С целью более эффективного использования ресурса для GPRS в условиях повышенной загрузки соты целесообразно устанавливать высокое значение порога высокой загрузки соты, т. е. следовать указанным рекомендациям для установки значений HIGHTRAFFIC.