Повышение эффективности широкополосных сотовых систем радиосвязи на основе методов и алгоритмов ситуационно-адаптивного планирования

Актуальность темы

Опережающее развитие систем мобильной сотовой радиосвязи по сравнению с системами фиксированной связи является общепризнанной тенденцией настоящего времени. Так как происходит резкий скачок количественного и качественного многообразия передаваемых сообщений, системы мобильной связи выходят на максимальный уровень нагрузки. Следует отметить несовершенство существующих методов проектирования и управления системами мобильной связи. В частности, современные методы проектирования основаны на частотно-территориальной привязке средств радиодоступа и не учитывают такие важные факторы как изменение нагрузки (трафика) во времени, «миграцию» мобильных абонентов в условиях неопределенности их позиционирования, качественного изменения структуры телетрафика, изменения зон радиопокрытия и сопутствующий этим условиям выбор конфигурации транспортной сети. В итоге это вызывает необходимость модернизации и оптимизации сети мобильной связи уже после начала её эксплуатации, что снижает общую экономическую эффективность её эксплуатации.

Тем самым можно отметить недостаточную глубину проработки методов проектирования, оптимизации и управления систем мобильной связи и, как следствие этого, недостаточную автоматизацию процессов проектирования и управления, что увеличивает сроки проектирования. Следует отметить необходимость разработки эффективных алгоритмов перераспределения ресурсов сети на уровне зон радиопокрытия базовых станций (БС), функционирующих в реальном масштабе времени. Поэтому актуальным направлением развития сотовых систем мобильной связи является повышение их пропускной способности за счёт поиска новых способов, методов и алгоритмов организации и последующей активизации неиспользуемых «внутренних» ресурсов систем радиосвязи. К таким способам можно отнести методы ситуационно-адаптивного планирования систем мобильной связи. Под ситуационно-адаптивным планированием понимается процесс рационального управления «свободными» (неза-действованными) канально-временными, информационными и иными ресурсами систем мобильной связи с целью повышения информационной ёмкости систем мобильной связи и снижения затрат на их эксплуатацию и строительство. Среди всего комплекса задач ситуационно-адаптивного планирования, требующих своего решения, можно выделить следующие — главные — это разработка системных моделей ситуационно-адаптивного планирования, алгоритмов идентификации текущих ситуаций с возможностью дальнейшего предсказания изменений «трафиковых» ситуаций, модернизация алгоритмов канально-временного и сетевого (транспортного) планирования (в отличие от известных, в условиях жёсткого временного ограничения получения решений). Следует отметить, что общие идеи и пионерские работы по этой проблематике возникли уже достаточно давно. Среди отечественных учёных можно выделить труды Б. В. Гнеденко, М. А. Шнепса, Б. С. Лившица, Г. П. Башарина, А. П. Пшеничникова, А. Д. Харкевича, Е. И. Рухмана, Б. Я. Советова, С. А. Яковлева, В.А. Кочега-рова, Г. А. Фролова, O.A. Шорина, И. В. Кузнецова. Большой вклад в развитие идей этого направления исследований внесли зарубежные учёные: Клейнрок JI., Спенсер Р., Мартин Дж., Галлагер Р., Мерлин П., Сегал А. и др.

Задача повышения эффективности остаётся актуальной также и для широкополосных систем мобильной связи. Это связано с тем, что возрастает спектр предоставляемых услуг от относительно низкоскоростной передачи речевых сообщений до высокоскоростного потокового видео, что оказывает влияние на пространственно-временное сосредоточение абонентских точек радиодоступа с вытекающими отсюда проблемами электромагнитной совместимости, радиопокрытия и т. д. Отметим, что это подтверждается практикой эксплуатации операторов сетей сотовой связи, сотовых сетей широкополосной радиосвязи ООО «Скартел» в Уфе, Москве, Санкт-Петербурге и других крупных городах России. Следовательно, решение задачи повышения эффективности систем связи является актуальным как в научном, так и в практическом отношениях.

Объект исследования — телекоммуникационные системы и сети широкополосной сотовой связи на примере стандарта 802.1 бе (WiMax).

Предмет исследования — разработка алгоритмов построения эффективных широкополосных телекоммуникационных систем на основе методов ситуационно-адаптивного планирования.

Цель работы — разработка научно-обоснованных алгоритмов ситуационно-адаптивного планирования систем широкополосной мобильной радиосвязи, учитывающих пространственно-временное изменение абонентского трафика, позволяющих увеличить локальную информационную ёмкость распределённых систем связи при помощи критериального перераспределения канальновременного ресурса, а также повысить качество работы этих систем.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработать стохастическую модель трафиковых процессов в широкополосных сотовых системах радиосвязи, описывающую территориальную подвижность (мобильность) абонентов в зоне обслуживания.

2. Разработать алгоритм идентификации и прогнозирования ситуации локального пространственно-временного изменения трафика в зоне обслуживания на основе стохастической модели трафиковых процессов.

3. Разработать алгоритм перераспределения канально-временного ресурса между базовыми станциями сети широкополосной мобильной связи.

4. Разработать алгоритм оптимизации конфигурации транспортной сети широкополосной мобильной связи с учётом ограничений на временные задержки при передаче сообщений, обусловленные транзитным характером передачи сообщений.

5. Разработать инженерную методику и рекомендации по модернизации и ситуационной оптимизации сети широкополосной сотовой связи обособленного подразделения ООО «Скартел» в г. Уфе.

Методы исследований. При решении поставленных задач, в работе используются положения теории вероятностей и математической статистики, исследования операций и линейного программирования, методы теории конечных графов, массового обслуживания и аналитической геометрии. При проведении экспериментальных исследований применяются методы математического моделирования, в том числе компьютерного.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Представление моделей трафиковых процессов в широкополосных сотовых системах радиосвязи в форме набора скрытых марковских моделей (СММ) позволяет учитывать неопределённость локального пространственно-временного изменения трафика в зоне обслуживания сети.

2. Алгоритм идентификации и прогнозирования ситуации локального пространственно-временного изменения трафика, разработанного на основе СММ, в отличие от известных, позволяет повысить достоверность прогнозирования изменения нагрузки в условиях неопределённости позиционирования мобильных станций в зоне обслуживания сети.

3. Применение топологического метода и метода линейного программирования в алгоритме перераспределения канально-временного ресурса между базовыми станциями сети широкополосной мобильной связи, позволяет обеспечить перераспределение радиоресурсов в масштабе реального времени.

4. В решении оптимизационной (критериальной) задачи выбора конфигурации транспортной сети в системах мобильной связи, в отличие от известных, учитываются структурные ограничения на конфигурацию сети, которые позволяют уменьшить временные задержки при передаче сообщений, обусловленные транзитным характером передачи.

5. Предложенные технические решения и инженерная методика основаны на алгоритмах ситуационно-адаптивного планирования и применены при модернизации сети широкополосной сотовой связи ООО «Скартел» в г. Уфе.

Практическая ценность работы.

1. Разработана инженерная методика получения стохастических моделей ситуационно-адаптивного планирования.

2. Разработаны рекомендации по ситуационно-адаптивному планированию широкополосной сети сотовой связи ООО «Скартел» в г. Уфе.

3. Разработаны рекомендации по модернизации сети сотовой связи для режима максимальной абонентской нагрузки ООО «Скартел» в г. Уфе.

4. Разработаны рекомендации по модернизации транспортной сети системы мобильной связи ООО «Скартел» в г. Уфе.

Реализация результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены при проектировании (модернизации) южного участка сотовой сети мобильной связи ООО «Скартел» г. Уфы, а также в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета.

На защиту выносятся:

1. Стохастическая модель трафиковых процессов широкополосной сети мобильной связи на основе скрытых марковских процессов.

2. Алгоритмы идентификации и прогнозирования ситуации локально-временного изменения трафика в зоне обслуживания на основе стохастической модели трафиковых процессов.

3. Алгоритм оптимального перераспределения канально-временного ресурса между подсистемами сети широкополосной мобильной связи.

4. Алгоритмы оптимизации конфигурации транспортной сети широкополосной мобильной связи с учётом ограничений на временные задержки передачи сообщений, обусловленные транзитным характером передачи сообщений.

5. Инженерная методика и рекомендации по модернизации и ситуационной оптимизации сети широкополосной сотовой связи обособленного подразделения ООО «Скартел» в г. Уфе.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:

Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «IX Королёвские чтения»;

Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» г. Казань;

Всероссийская молодёжная научная конференция «Мавлютовские чтения»;

X международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Самара;

Одиннадцатая Международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» г. Уфа.

Публикации.

Результаты диссертационной работы отражены в 10 публикациях, в том числе в 7 статьях, 2 из которых в журналах, вошедших в перечень ВАК, в 3 материалах международных и российских конференций. 7 публикаций, на 23 страницах, выполнены без соавторов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений и изложена на 154 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 94 наименования литературы.