Исследование особенностей построения и разработка метода оперативного управления ресурсами цифровых сетей подвижной радиотелефонной связи

• Автор: Новожилов, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил

Введение

Актуальность проблемы.

Динамичное развитие систем и сетей подвижной (мобильной) связи является одной из главных составляющих мирового прогресса в сфере телекоммуникаций. Услугами подвижной связи по всему миру пользуются более 1 миллиарда абонентов, из которых 700 миллионов являются абонентами сетей общеевропейского стандарта цифровой сотовой связи (Global System for Mobile Telecommunications - GSM). «Концепцией развития в России систем сотовой подвижной связи общего пользования на период до 2010 года», одобренной Коллегией Минсвязи России 24 октября 2000 года, предполагается быстрое развитие сетей подвижной связи Российской Федерации с преимущественным использованием оборудования цифрового стандарта для диапазонов 900 МГц и 1800 МГц. При проектировании и системном анализе цифровых сетей подвижной радиотелефонной связи (СПРС-Ц) стандарта GSM должны учитываться: значительная географическая протяженность Российской Федерации; существенная концентрация пользователей в местах компактного проживания; необходимость адаптации системных параметров и ресурсов сетей к величине, пространственному распределению и плотности абонентской нагрузки.
Операторы и проектировщики сетей подвижной связи, заинтересованы в эффективном использовании таких общесетевых ресурсов как ресурс производительности управляющих комплексов сети (центров коммутации подвижной связи и контроллеров базовых станций) и ограниченный ресурс несущих частот радиодиапазона. Пропускная способность сети связи и ее элементов характеризуется интенсивностью нагрузки, которая может быть пропущена с заданным качеством связи. Особенностью СПРС-Ц. является разделение радиоканалов на каналы трафика и каналы управления, что позволяет регистрировать и начинать обработку вызовов, обслуживание которых может быть не подкреплено наличием свободных каналов трафика в радиоинтерфейсах базовых станций и в местах сопряжения с другими сетями связи. Интенсивное развитие услуг подвижной связи повышает требования к рациональному использованию ресурсов сети и повышению ее пропускной способности.
Актуальной научной проблемой является определение причин снижения пропускной способности отдельных участков СПРС-Ц, эффективное и оперативное управление ее ресурсами для защиты от перегрузок оборудования сети и по-

вышения числа доступных каналов трафика для абонентов тех ячеек сети, которые географически совпадают с зонами повышенной нагрузки. Использование методов теории массового обслуживания дает возможность системного анализа характеристик сетей подвижной связи.
Для снижения непроизводительной нагрузки на подсистему коммутации и управления предлагается вводить избирательное обслуживание вызовов при сосредоточении абонентов на территории отдельных ячеек сети. Перспективно использование метода пропуска в обслуживании вызовов (Call Gapping - CGAP), хорошо зарекомендовавшего себя на телефонных сетях. Необходима выработка рекомендаций по критериям активизации метода CGAP в СПРС-Ц и выбору длительности интервала пропуска в обслуживании вызовов.
Эффективным средством снижения нагрузки на центр коммутации подвижной связи СПРС-Ц является организация дополнительных зонтичных сот, позволяющая существенно уменьшить число эстафетных передач вызовов. Совокупность каналов трафика радиоинтерфейса зонтичной соты используется для обслуживания вызовов от абонентов с высокой скоростью движения и представляет собой общий ресурс для нескольких сот сети. Предлагается использовать этот ресурс для обслуживания части вызовов из наиболее загруженных сот сети, что позволит повысить пропускную способность СПРС-Ц.
Научный интерес представляет разработка метода оперативного управления ресурсами СПРС-Ц для защиты от перегрузок и повышения пропускной способности сети. Перспективным направлением исследований является использование методов теории массового обслуживания для аналитического описания функционирования СПРС-Ц стандарта GSM.
Целью диссертации является исследование особенностей построения и разработка метода оперативного управления ресурсами цифровых сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM, учитывающего смешанную дисциплину обслуживания вызовов при занятии каналов трафика в радиоинтерфейсах базовых станций, возможность введения избирательного обслуживания вызовов и перераспределения части вызовов в зонтичные соты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ тенденций развития служб и изменения подходов к проектированию сетей подвижной радиотелефонной связи общего пользования;

разработка формализованного представления СПРС-Ц в виде совокупности систем массового обслуживания, учитывающего тенденцию значительного замыкания нагрузки в пределах одной или нескольких ячеек сети для мест компактного проживания мобильных абонентов;
сравнительный анализ различных дисциплин занятия каналов трафика в радиоинтерфейсах базовых станций;
разработка математической модели занятия и освобождения каналов трафика в радиоинтерфейсе базовой станции, учитывающая поведение нетерпеливых абонентов и смешанную дисциплину обслуживания вызовов;
разработка компьютерных программ расчета и имитационного моделирования вероятностных характеристик занятия и освобождения каналов трафика в радиоинтерфейсах базовых станций;
исследование особенностей использования метода пропуска в обслуживании вызовов в радиоинтерфейсах базовых станций;
разработка метода оперативного управления ресурсами СПРС-Ц, позволяющего повысить пропускную способность радиоинтерфейсов СПРС-Ц за счет дополнительных ресурсов зонтичных сот.
Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, вычислительной математики и программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработанная математическая модель занятия и освобождения каналов трафика в радиоинтерфейсе базовой станции СПРС-Ц отличается тем, что учитывает смешанную дисциплину занятия каналов трафика: исходящие вызовы обслуживаются с ожиданием, входящие вызовы обслуживаются с отказами;
разработан подход к проектированию СПРС-Ц в условиях повышенной концентрации абонентов на территории административных центров, учитывающий наличие приоритета в обслуживании исходящих вызовов при смешанной дисциплине занятия каналов трафика и позволяющий ограничиваться расчетом характеристик обслуживания для наиболее загруженных сот;
проведено исследование особенностей использования метода СвАР как средства ограничения интенсивности потока вызовов в СПРС-Ц, определены условия активизации этого метода в условиях перегрузки радиоинтерфейсов и требования к длительности интервала пропуска вызовов;

Голосовые услуги соответствуют голосовому кодеку на 16 кбит/с. Простой обмен сообщениями данных — это служба, аналогичная SMS. Предполагается, что обычный размер простого сообщения составляет 40 кбайт, а приемлемая задержка равна 30 с. Служба передачи данных с коммутацией каналов - это услуга со скоростью передачи 14 кбит/с, аналогичная существующим службам передачи данных в сетях GSM. Предполагается, что интерактивные ММ-услуги будут использовать симметричные каналы с пропускной способностью 128 кбит/с, длительность вызова для этой услуги составляет 180 секунд при реальной длительности вызова 144 секунд. Среднескоростные и высокоскоростные ММ-услуги аналогичны развивающимся Веб - услугам. Средний объем данных, передаваемых при среднескоростных ММ-услугах, равен 0,5 Мбайт за 14 секунд (что дает абонентскую скорость 286 кбит/с), а для высокоскоростных ММ-услуг - 10 Мбайт за 53 секунд (1,51 Мбит/с).
России удается, не повторяя всего эволюционного пути, выходить на современные технологии. В ближайшие годы в среде GSM/TDMA на основе технологий GPRS и EDGE станет возможным предоставление абонентам сотовых сетей широкого спектра услуг третьего поколения, включающего передачу данных, речевой и мультимедийной информации, мобильный доступ в Интернет. Ожидается, что введение новых технологий и новых видов услуг, существенные изменения в численности и составе абонентской базы сетей неизбежно повлечет за собой значительные изменения объемов, структуры и параметров абонентского трафика.
Анализ работ [15,16,17,18,19,20,40] по проблемам адаптации инфраструктуры действующих сетей к «новому» трафику, позволил установить, что методологическая база для проектирования и эксплуатации СПРС-Ц должна учитывать влияние таких факторов как динамическое распределение радиоресурса, совместная передача данных, речи и мультимедийной информации в одной телекоммуникационной среде, реализация в одной сети режимов коммутации каналов и коммутации пакетов, пакетная передача данных по радиоканалам, значительная асимметрия трафика, взаимодействие в реальном масштабе времени (в перспективе -конвергенция) телекоммуникационной среды с информационной средой Интернет и со средой интеллектуальных услуг.