Актуальность темы
.
Несмотря на относительно короткую историю, (первая опытная сеть сотовой связи была развернута в 1978 году) сети сотовой связи в своем развитии уже прошли два поколения: 1G — аналоговые системы сотовой связи, 2G — цифровые системы сотовой связи. Самым распространенным цифровым стандартом систем сотовой связи стал стандарт GSM (Global System for Mobile Communications), разработанный под эгидой ETSI в конце 80-х годов. Сети GSM стремительно развиваются по всему миру, обеспечивая миллионы абонентов высококачественной мобильной связью. Современный этап развития сетей сотовой связи характеризуется переходом от систем сотовой связи 2-го поколения (сетей 2G) к системам 3-го поколения (сетям 3G) — при этом стандарт GSM в фазе 2,5G обеспечивает базу для эволюционного перехода к сетям 3G с максимальным использованием подготовленной ин фрастру кту р ы.
Быстро растущая потребность в дополнительных услугах для мобильных г. бон.ентов обозначила необходимость перехода от уже существующих сотовых сетей второго поколения к перспективным сетям 2.5 и 3 поколения, что позволяет ввести принципиально новые услуги, которые раньше были недоступны. Технологии 2,5 и 3 поколения позволяют существенно расширить возможности передачи данных, доступные мобильному абоненту. Так услуги передачи коротких сообщений SMS замещаются услугами MMS (Multimedia Mobile Service). Более высокие скорости передачи обеспечат абонентов большим объемом услуг. Прежде всего это касается высокоскоростного доступа к ресурсам сети Интернет с удовлетворяющей потребителя скоростью. Технологии сетей 2,5 поколения (GPRS, EDGE) позволяют передавать и получать большие объемы данных через Интернет, видеоизображения, музыкальные файлы в стандарте МРЗ, потоковое видео и другую мультимедийную информацию.
В результате внедрения новых услуг существенно увеличивается доля передачи данных в мобильных сетях по отношению к речевому трафику. Возникает необходимость при планировании и проектировании сетей 2.5 G учитывать и прогнозировать рост трафика передачи данных, который не учитывался при проектировании сетей сотовой связи второго поколения в соответствии с методиками, утвержденными соответствующими.
Руководящими документами [13,39,40].
Высокоскоростная технология GPRS представляет собой развитие GSM. При ее использовании сеть радиодоступа RAN (Radio Access Network) остается практически неизменной за исключением новой версии ПО и дополнительного аппаратного блока контроля пакетной передачи данных PCU (Packet Control Unit). Именно поэтому GPRS называют технологией 2.5 поколения. В ней вместо постоянного подключенного и, следовательно, довольно дорогого соединения, используемого технологией 3G [33], используется разбиение преобразованного в цифровую форму потока информации (текста, изображения, тональных сигналов и т. д.) на малые пакеты данных, которые сжимаются и кодируются. Затем эти информационные пакеты передаются получателю в «упакованном» виде в паузах, возникающих при передаче речи. Система GPRS обеспечивает значительно более скоростную передачу данных в пределах одного временного слота, чем 9.6 кБит/с, как в сети GSM второго поколения. Фактическая скорость передачи зависит от скорости кодирования, причем максимально достижимая скорость передачи в течение одного временного слота составляет 21,4 кБит/с, что соответствует общей скорости передачи для 4-слотовых терминалов 85,6 кБит/с, а при объединении 8 тайм-слотов — до 171,2 кБит/с.
Технология EDGE позволяет передавать данные еще быстрее, чем GPRS. Повышение скорости достигается за счет использования нового метода модуляции более высокого уровня (8PSK). Применение такой модуляции в сочетании с кодированием (как и в случае с GPRS) позволяет скорость передачи данных довести до 384 кБит/с. Однако эта максимальная скорость передачи может использоваться только при соотношении сигнал/шум >20 — то есть на небольших расстояниях от базовой станции.
В настоящее время не существует утвержденных либо рекомендованных к применению методик расчета, моделирования и проектирования сетей 2.5 G, в результате чего Операторы сталкиваются с существенными сложностями при планировании этих сетей.
Сейчас GPRS в России находятся в начальной стадии развития, EDGE не запущен ни на одной сети, хотя сразу несколько крупных операторов GSM заявили о планах запустить сеть EDGE во второй половине 2005 года.
При запуске сетей GPRS все операторы в течение нескольких месяцев осуществляли бесплатное для абонентов тестирование сетей, в ходе которых фактически определялись основные характеристики построенных сетей GPRS, предварительное планирование которых осуществлялось весьма приближенными методами — как правило, методом экспертных оценок, либо основываясь на стандартных параметрах, предлагаемых поставщиками оборудования и основанных на европейском опыте внедрения сетей 2,5 поколения, которые, зачастую, совершенно не подходят для проектирования сети в России.
Сложности с использованием существующих моделей обусловлены тем, что большинство из них разработано отдельно для сетей с коммутацией каналов (КК) [13,14,17,26,39,40], либо для сетей с коммутацией пакетов (КП) [1,6,14,15,18−20,22,25,29−34,37,38] и не могут быть применены для расчета сетей 2.5 G, являющихся по своей сути сетями с гибридной коммутацией (ГК), реализованной на базе временного разделения каналов [7]. В таких системах весь цикл передачи разбивается на временные канальные интервалы фиксированной длины. Методы и модели, разработанные для сетей с гибридной коммутацией, рассматривают либо системы с фиксированным порогом (ГКФП), при которой каналы тракта жестко распределены между трафиком в режиме с КК и трафиком в режиме с КП [5], либо, в большинстве своем, для систем с адаптивной коммутацией (АК), в которых порог между КК и КП сообщениями смещается в обе стороны, а также имеется возможность заполнения пауз, появляющихся при передачи составных сообщений в режиме с КК. К таким работам относятся исследования М. Шварца, А. Н. Назарова В.М. Вишневского, А. И. Ляхова [3,12,35,36,42], в которых приводятся методики оценки трафика с коммутацией пакетов, либо адаптивной коммутацией, не применимые в чистом виде для сетей GSM с GPRS.
Данные методы не могут быть применены для сетей GSM 2.5 поколения, так как в этих сетях порог между каналами, занятыми под передачу сообщений с КК и КП может изменяться только в одну сторону — каналы, занятые под передачу КК сообщений могут заниматься под сообщения с КП, однако КК сообщения имеют приоритет над КП сообщениями причем возможны случаи, когда под передачу пакетов может быть занято сразу несколько канальных интервалов. Такие системы рассматривались в работах [4,41,51]. В них показана в общем виде возможность использования матричного метода исследования указанных систем массового обслуживания (СМО), который позволяет рассчитать данную систему при различных приоритетных дисциплинах на основе системы интегральных уравнений равновесия, записанной в матричной форме. Этот метод взят за основу в данном диссертационном исследовании и применен для разработки методики расчета и оптимизации трафика для сетей GSM 2,5 поколения.
Отсутствие же методик расчета трафика в сетях GSM 2.5 поколения, пригодных для планирования и инженерных расчетов, результаты которых согласовывались бы с реальными данными, полученными статистическим путем, может привести к ошибкам при планировании и проектировании этих сетей и, в конечном итоге, к значительным потерям инвестиций, построению несбалансированных сетей, не обеспечивающих требуемое качество обслуживания абонентов.
Объектом исследования являются сети сотовой подвижной связи стандарта GSM с GPRS и/или EDGE.
Предмет исследования.
Анализ вероятностных характеристик трафика сети GSM 2.5 поколения (с GPRS и/или EDGE), разработка метода расчета нагрузок и качественных характеристик в сетях GSM с GPRS, моделей распределения ресурсов сетей, пригодных для проектирования и инженерных расчетов, разработка алгоритма оптимального распределения ресурсов этих сетей и с целью максимизации доходов от пропуска трафика при заданных качественных характеристиках сетей.
Цель работы.
Оптимизация использования ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS/EDGE для пропуска трафика с гибридной коммутацией.
Основные задачи исследования.
— исследование и анализ вероятностных характеристик трафика сети с гибридной коммутацией с односторонним смещением порога с постоянной длиной цикла, реализованной на базе временного разделения каналов;
— разработка метода расчета трафика и качественных характеристик в сетях GSM с GPRS, пригодных для проектирования и инженерных расчетов.
— разработка модели оптимального распределения ресурсов подсистемы базовых станций (BSS) сетей,.
— разработка алгоритма оптимального распределения ресурсов подсистемы BSS сети GSM с GPRS/EDGE между трафиком с коммутацией каналов (КК) и коммутацией пакетов (КП).
— оптимизация конфигурации ресурсов подсистемы BSS для пропуска трафика с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.
Методы исследования.
Основные теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы выполнены с применением метода моделирования, методов теории массового обслуживания, теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов, теории организации.
Научная новизна работы.
В работе впервые:
— применен метод описания состояния системы с помощью дифференциальных уравнений для оценки качественных характеристик для сети GSM с GPRS;
— разработана математическая модель расчета трафика сети с гибридной коммутацией с односторонним смещением порога;
— разработан алгоритм оптимального распределения ресурсов между КК и КП сообщениями в сети GSM 2.5 поколения, обеспечивающий максимизацию дохода от пропуска трафика;
— применена разработанная модель для оптимизации конфигурации ресурсов подсистемы BSS для пропуска КК и КП трафика в сети GSM с GPRS ЗАО «СМАРТС» в Самарской области.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
В работе предложен новый метод инженерных расчетов трафика сети GSM GPRS, на основе которого разработан алгоритм оптимизации распределения радиоресурсов сети GSM GPRS, позволяющий уменьшить капитальные затраты на построение сети и повысить качество обслуживания абонентов.
Разработанная в работе модель расчета трафика сети GPRS позволяет рассчитать сеть GPRS на этапе проектирования.
Разработанный в работе алгоритм оптимизации ресурсов подсистемы базовых станций (BSS), а также метод расчета трафика сети GPRS приняты к использованию оператором ЗАО «СМАРТС», предоставляющим услуги сотовой связи в стандарте GSM-900/1800 на территории Центрального, Приволжско-Уральского, Южного укрупненных Федеральных округов.
Апробация работы.
Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на XII Российской научно-технической конференции ПГАТИ (Самара, 2005 г.), V юбилейной Всероссийской научной конференции «Наука, Бизнес, Образование» (Самара, 2002 г.), XV Межрегиональном семинаре руководителей и сотрудников предприятий, входящих в группу компаний «СМАРТС» (Сочи 2004 г.).
Публикации.
Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах. Публикации включают 2 тезисов докладов, 6 статей в научных изданиях.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы включает 99 страниц. Общий объем работы, включая приложения 137 страниц. В.
4.3. Выводы.
В данной главе проведен расчет оптимальной конфигурации подсистемы базовых станций для сети ЗАО «СМАРТС» в Самарской области. В результате оптимизации при сохранении объема и качества речевого трафика, на всех базовых станциях, где П (Ор (>0, обеспечена гарантированная скорость передачи КП трафика.
Как видно, результаты, полученные аналитически (Табл. 4.2) отличаются от результатов, полученных с использованием имитационного моделирования (табл. 3.2) максимум на ?,=0,237 при Ркк2=0,395 794 при значении ]=1. Это говорит о высокой достоверности результатов, полученных аналитическим и имитационным путем и о пригодности предложенной в настоящей работе методики для инженерных расчетов.
Для выбранного критерия оптимальности и целевой функции (2.11) значения Пи, р1 одинаковые для аналитической и имитационной моделей.
Кроме того, доходы оператора сотовой связи от пропуска трафика на загруженных базовых станциях увеличены в среднем на 15%.
Использование программы (приложение 4) позволяет минимизировать трудозатраты инженерного персонала при использовании разработанной методики на практике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Таким образом, в работе достигнуты следующие результаты:
Результатом анализа возможных вариантов пропуска GPRS трафика в различных сетевых условиях является вывод о том, что существующие методы и модели планирования развития сетей не обеспечивают учет передачи пакетного трафика в сетях GSM, повышения пропускной способности сетей за счет внедрения новых информационных технологий. Дпя решения этой проблемы в работе разработана модель, описывающая возможные состояния работы оборудования подсистемы базовых станций без учета сбоев. Выполнено формализованное описание этих состояний, позволяющее решить систему дифференциальных уравнений методом Гаусса для расчета качественных характеристик, анализируемой системы массового обслуживания, а также суммарной пропущенной сетью нагрузки.
Выполнена разработка метода расчета трафика и качественных характеристик в сетях GSM с GPRS, пригодных для проектирования и инженерных расчетов.
В процессе разработки этого метода проведено исследование и анализ вероятностных характеристик трафика сети с гибридной коммутацией с односторонним смещением порога.
Формулировка и решение данной задачи позволили создать алгоритм, являющийся основой программы расчета вероятностей отказа КК и КП трафика с учетом числа зарезервированных каналов PDCH для пропуска пакетного трафика, приведенной в приложении 4. Эта программа является реализацией разработанного в данной главе метода расчета нагрузок и качественных характеристик подсистемы базовых станций сети GSM с GPRS и EDGE.
Разработана имитационная модель, обеспечивающая расчет изменения качественных характеристик (вероятностей отказа КК и КП сообщений) в режиме реального времени. Это позволяет продолжить исследования, выполненные в данной работе в направлении проектирования системы автоматического регулирования распределения ресурсов подсистемы базовых станций сети GSM/GPRS и роста эффективности использования этих сетей.
Кроме того имитационная модель позволяет провести практическую апробацию разработанных методов и моделей и рассчитать эффективность их применения. В главе рассматривается финансовая, бюджетная и экономическая эффективность этих исследований. Финансовая эффективность определяется ростом выручки оператора без дополнительных капитальных затрат. Бюджетная эффективность отражает рост налоговых выплат в бюджеты всех уровней. Экономическая эффективность определяется ростом качества обслуживания абонентов за счет предоставления дополнительных услуг и роста объема уже предоставляемых услуг.
Проведен расчет оптимальной конфигурации подсистемы базовых станций для сети ЗАО «СМАРТС» в Самарской области. В результате оптимизации при сохранении объема и качества речевого трафика, на всех базовых станциях, где niopt>0, обеспечена гарантированная скорость передачи КП трафика.
Кроме того, доходы оператора сотовой связи от пропуска трафика на загруженных базовых станциях увеличены в среднем на 15%.
Использование программы (приложение 4) позволяет минимизировать трудозатраты инженерного персонала при использовании разработанной методики на практике.
Все вышеперечисленные модели и методы объединены в методику инженерных расчетов трафика, качественных характеристик и оптимизации ресурсов сети GSM/GPRS.
Результаты, полученные в данном научном исследовании могут быть использованы для любой сети GSM/GPRS, EGDE, а при продолжении исследований в дальнейшем и для сетей подвижной связи третьего поколения.