Исследование и разработка алгоритмов перераспределения нагрузки в сотовых системах связи стандарта GSM

Актуальность темы

.

Влияние технологий мобильной связи на современное общество переоценить невозможно. Мобильная связь рассматривается в настоящее время как норма, а технологии мобильной связи являются наиболее востребованными и быстро растущими. Количество пользователей мобильных технологий растет с каждым годом. В настоящее время наиболее массовым стандартом сотовой связи является стандарт второго поколения — GSM. Высокая скорость развития сотовых сетей связи в последние годы определяет повышенный интерес к ним как со стороны разработчиков программного обеспечения планирования и оптимизации сотовых сетей, так и со стороны специалистов технических служб операторских компаний. Возможность увеличения емкости сотовых систем связи за счет увеличения обслуживаемой территории и числа каналов с течением времени снижается. В связи с этим особенно актуальной является задача повышения эффективности использования уже существующих сетей. Существует необходимость решения задачи оптимизации системы на уровне радиоинтерфейса с целью максимально возможного увеличения пропускной способности по обслуживаемой нагрузке (трафику). Когда допустимый предел нагрузки на фрагмент сети сотовой связи превышен, возникает перегрузка, и некоторой части абонентов не могут быть предоставлены услуги связи (или не может быть обеспечено заданное качество связи"), также возникают проблемы у обслуживаемых абонентов, снижается качество связи.

Рассматривая вопросы надежности сотовых сетей связи, следует учитывать, что в чрезвычайной ситуации для абонента первым признаком надежности является возможность получения связи со своим корреспондентом, а, например, уровень помех и слышимых абонентом шумов становится под качеством связи чаще всего понимается доступность соединения, относительное число ошибок на бит сообщения и уровень внутрисистемной помехи второстепенным требованием по сравнению с возможностью связаться со своим корреспондентом.

Кроме перегрузок сотовой сети, вызванных чрезвычайными происшествиями регионального уровня, или массовых перегрузок во время праздников, можно выделить еще один вид перегрузки. Каждая сота сети имеет предел обслуживаемой абонентской нагрузки. Сегодня основную часть абонентской нагрузки практически во всех сотовых сетях составляют голосовые вызовы [32].

Сота перегружена, если превышен предел обслуживаемой абонентской нагрузки. При любой перегрузке собственного ресурса соты недостаточно для сохранения планового качества обслуживания, и на всей территории обслуживания соты снижается качество обслуживания. Причина локальной перегрузки — превышение нагрузки на соту за счет увеличения нагрузки в области расположения некоторой части абонентов соты. При этом область расположения абонентов намного меньше области обслуживания соты. Локальная перегрузка (ЛП) может быть вызвана чрезвычайным происшествием или массовым мероприятием, возможны и другие причины. Вероятность отказа обслуживания любого абонента во всей соте при возникновении ЛП существенно возрастает.

Растущая сложность структур систем связи, рост объема передаваемого через сети связи трафика, и развитие взаимодействия сетей связи (в том числе и протоколов, определяющих взаимодействие сетей) приводят к постановке новых задач.

К таким задачам относится группа задач по оптимизации параметров сети в условиях перегрузок сети.

Сотовая сеть может быть представлена совокупностью входящих в ее состав ячеек (сот), каждая из которых в свою очередь может быть определена группами параметров, описывающих область обслуживания г'-ой соты Wp (х-у) и ее канальную емкость Wp: dB ' Er I.

WPi (x-, y) = n,(faJH ant' Pver' &hor' f ДН (*Phor'))' ^dBcell"^all dB rel dB.

1) и.

0((niRX ' nTS ' nHR).

2). fr/.

В (1) х-у — координаты элемента области обслуживанияНаш^Р^а1,^.1'дн ((Рьог'ЖеГ) «группа параметров, описывающих параметры антенны;

Равсеп'^а11с1 В (х-у)-1геЫВ (х-у) — группа параметров, описывающих энергетические характеристики станции и условия распространения сигнала.

В (2) пткх — количество передатчиков на сотепк — количество физических каналов связи на сотепт — вектор состояния физических каналов соты.

Далее в тексте работы более подробно будут рассмотрены компоненты указанных групп параметров.

Функциональное преобразование описания соты, производимое при учете плотности распределения нагрузки абонентов р, иЬ (ху), позволяет получить.

Задача оптимизации параметров сети в условиях перегрузок, таким образом, может быть сформулирована как задача нахождения правила преобразования и оптимизации аргументов (или элементов аргументов) функционального преобразования описания соты (3) с целью минимизации функции Р1 (ху), и может относиться к любой группе аргументов.

Существует актуальная научно-техническая проблема поиска новых методов по управлению компонентами сотовых сетей и оптимизации параметров фрагментов сотовых сетей стандартов второго и последующих поколений (2.5С, Зв), имеющих с сетями сотовой связи Ю общую подсистему обеспечения коммутационных услуг, в условиях высокой активности абонентов block обслуживания (или ВСЮ)) для каждой соты и возникающих в ее результате перегрузок. Это определяет актуальность диссертационных исследований.

Степень разработанности темы исследования.

Число теоретических и практических работ, посвященных анализу различных аспектов трафика систем связи и подвижной радиосвязи, в том числе сетей 2G, очень велико. Можно сослаться на исследования ведущих российских ученых: Башарина Г. П., Быховского М. А., Степановой И. В., Громакова Ю. А., Шорина O.A., Шинакова Ю. С., Шнепса-Шнеппе М. А. и др., а также зарубежными учеными: В. Иверсеном, Д. Кауфманом, Л. Клейнроком, К. Россом и др.

Вопросы обслуживания трафика в сетях связи исследовались в работах Захарова Г. П., Лазарева В. Г., Шнепса-Шнеппе М. А., Неймана В. И., Пшеничникова А. П., Степанова С. Н., Кучерявого А. Е. и других.

В трудах названных авторов исследованы вопросы повышения помехоустойчивости систем сотовой связи, теории телетрафика в приложении к сетям сотовой связи, однако исследования вопроса противодействия негативному влиянию локальных перегрузок в сетях сотовой связи или сетях передачи данных не проводилось.

Объект исследования.

Объектом исследования являются, прежде всего, сети сотовой связи 2G, а также сети последующих поколений (2.5G, 3G), имеющие с сетями сотовой связи 2G общую подсистему обеспечения коммутационных услуг или связанные с эволюцией действующих стандартов.

Предмет исследования.

Предметом исследования являются способы управления канальными ресурсами сетей сотовой связи во время существования локальной перегрузки, исследование производится на фрагменте сети стандарта GSM.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка новых способов управления канальными ресурсами сотовой сети в условиях локальной перегрузки. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи.

1. Проведение анализа особенностей перегрузок, вызванных различными причинами. Цель анализа — выявить признаки, по которым возможно определить характеристики перегрузки и ее тип.

2. Определение параметров сотовых сетей, позволяющих управлять распределением канального ресурса сот, обслуживающих район возникновения локальной перегрузки.

3. Разработка алгоритма изменения параметров GSM сети.

4. Разработка системы требований к программным средствам моделирования локальных перегрузок на фрагментах сети стандарта GSM, рассмотрение параметров для оценки качества моделирования и способов анализа подобного моделирования.

5. Проведение исследования локальной перегрузки.

Методы исследования.

В исследовании использованы методы теории вероятности, теории массового обслуживания, а также компьютерное моделирование.

Также в рамках проведения исследования производится моделирование локальной перегрузки на фрагменте реальной сотовой сети связи стандарта GSM.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: введена классификация перегрузокпредложена новая иерархия территориального деления сети GSMпредложен метод противодействия негативному влиянию локальных перегрузок на фрагментах сети GSMпредставлены результаты анализа применения метода в различных условиях его примененияполучена оценка нагрузки, создаваемой повторными вызовами абонентов, в условиях локальных перегрузокразработана методика получения оценки числа эстафетных передач для предложенного метода противодействия локальным перегрузкам.

Практическая значимость.

Предложенный в диссертационной работе метод позволяет с минимальными материальными, трудовыми и временными затратами повысить надежность сотовых сетей стандарта GSM для абонентов, находящихся в условиях локальных перегрузок. Для реализации метода не требуется разработки нового оборудования, изменения интерфейсов или аппаратной части радиоинтерфейса, однако при этом требуется существенное изменение программной части, обрабатывающей данные непосредственно на оборудовании базовых станций.

Достоверность и обоснованность.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обеспечивается обоснованностью принятых ограничений и допущений, строгостью математической постановки и решения поставленных задач, и непротиворечивостью полученных результатов известным практическим и теоретическим результатам.

Реализация результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы используются в практической деятельности оператора сотовой связи стандарта GSM московского региона «Столичный филиал ОАО „МегаФон“».

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международных конференциях «Мобильный бизнес: «Перспективы развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом» «РАЕН в 2007, 2008, 2010 годахмеждународных конференциях «ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ» международного форума информатизации МФИ-2007, МФИ-2008, МФИ-2009, МФИ-2010; девятом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы», Владимир, 2010 годX Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления», Калуга, 2011 год.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в список изданий рецензируемых журналов ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 91 наименование. Общий объем диссертации 150 страниц, основная часть работы изложена на 128 страницах машинописного текста. Работа содержит 35 рисунка, 10 таблиц и 11 страниц приложений.

Выводы по главе 4.

1. Проведенное исследование эффективности сформулированного метода на фрагменте реальной сети и средствами имитационного моделирования показывает снижение вероятности отказа обслуживания абонента на 10% - 20% (в зависимости от условий).

Программу для компьютерного моделирования сотовой сети для исследования метода снижения негативного влияния локальных перегрузок на надежность сети сотовой связи целесообразно составлять так, чтобы обеспечить ее взаимодействие с программным обеспечением, используемым оператором сотовых сетей (учитывая форматы файлов конфигурации, форматы файлов отчетов и т. д.) — в этом случае исследования могут производиться в том числе и для новых, еще только проектируемых фрагментов сети. Создание программы для такого моделирования является отдельной научно-технической задачей.

Заключение

.

В ходе исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан следующий алгоритм компенсации негативного влияния локальных перегрузок на доступность сети сотовой связи стандарта GSM:

1) обнаружение перегрузки;

2) классификация перегрузки;

3) анализ распределения нагрузки (по сотам и по зонам Timing Advance для каждой соты);

4) формирование и проверка гипотезы о причине локальной перегрузки;

5) выбор соты, для которой будет изменяться форма и размер области обслуживания;

6) изменяться формы и размера области обслуживания выбранной соты;

7) мониторинг завершения локальной перегрузки;

8) восстановление штатного режима работы соты.

Алгоритм позволяет осуществлять управление областями обслуживания сот сети и может применяться для снижения вероятности отказа обслуживания в некоторой части области радиопокрытия соты.

2. Решена задача оценки дополнительной нагрузки, создаваемой абонентом при проведении повторных вызовов своего корреспондента в условиях локальных перегрузок, вызванных массовыми мероприятиями. Получены математические модели для определения ожидаемого количества процедур эстафетных передач обслуживания при изменении области обслуживания отдельной соты. Кроме этого, рассмотрено взаимное влияние смежных сот и фактора мобильности абонентов на вероятность блокировки вызова.

3. Получены коэффициенты коррекции для аналитических формул расчета вероятности блокировки вызова абонента (в том числе для формулы Эрланга В), учитывающие ряд особенностей реальных сотовых сетей (в частности, существование канала управления в системе с несколькими обслуживающими абонентов каналами связи).

4. Показано, что применение разработанного алгоритма снижает вероятности отказа в обслуживании. Так, результаты проведенных экспериментов показывают снижение вероятности блокировки вызова примерно на 10%.