Управление ресурсами радиоподсистемы в сетях WCDMA с использованием технологий

На правах рукописи
Иванов
Михаил Викторович
Управление ресурсами
радиоподсистемы в сетях WCDMA
с использованием технологий
высокоскоростной передачи данных
05.12.13. – Системы, сети и устройства
телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2011
Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете
телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре «Радиопередающих устройств и средств подвижной связи».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Бабков Валерий Юрьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Одоевский Сергей Михайлович
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник
Степанец Валерий Алексеевич
Ведущая организация
ФГУП ЛОНИИР (Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится «___» _________ 2011 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета
при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу:
191186 Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря
диссертационного совета.
Автореферат разослан «____» ______________ 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент
В.Х. Харитонов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Сети сотовой связи WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов) являются наиболее распространенной платформой для построения сетей третьего поколения (3G, Third Generation). Среди основных
причин их масштабного распространения можно выделить эволюционный процесс перехода от сетей GSM (Global System for Mobile Communications, глобальная система цифровой мобильной связи) и перспективность применения
технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (High Speed Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ). В настоящее время более 80% всех
сетей WCDMA поддерживают технологию HSDPA (High Speed Downlink Packet
Access, высокоскоростной пакетный доступ в прямом канале) с максимальной
скоростью передачи данных 3,6 Мбит/с. Операторы сетей WCDMA активно
вводят в эксплуатацию технологию HSUPA (High Speed Uplink Packet Access,
высокоскоростной пакетный доступ в обратном канале), которая может обеспечить скорость передачи данных до 5,76 Мбит/c. Дополнительные возможности
предоставляют новые протоколы высокоскоростной передачи данных HSPA+
(Evolved HSPA, улучшенные протоколы высокоскоростной передачи данных),
которые позволяют достигать скоростей 21/28 Мбит/с в прямом канале.
С увеличением скоростей передачи данных и применением новых технологий доступа особенно актуальным становится вопрос управления ресурсами
радиоподсистемы сети WCDMA с целью обеспечения необходимого качества
обслуживания абонентов. Программные комплексы, позволяющие проводить
настройку физических параметров радиосети, таких как мощность канала
PCPICH (Primary Common Pilot Channel, основной общий пилотный канал), углы наклона антенн базовых станций (БС), азимуты антенн БС, предлагаются
большим числом специализированных компаний, например: Schema, Amphora,
Optimi. Такие программные инструменты способны автоматически управлять
соседскими отношениями между секторами 3G-3G, 3G-2G, параметрами внутрисетевых и межсетевых эстафетных передач, мощностями отдельных RAB
(Radio Access Bearer, радиоканал передачи пользовательской информации с заданными характеристиками).
Программные инструменты, позволяющие в автоматическом режиме
управлять ресурсами радиоподсистемы и настраивать их конфигурацию, на сегодняшний день не представлены ни одной специализированной компанией.
Однако зачастую при увеличении скоростей передачи данных и объема трафика
именно от корректности настроек использования ресурсов радиоподсистемы
зависит качество предоставления услуг абонентам. В связи с этим тема работы
представляется актуальной.
Объектом исследования является радиоподсистема сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных HSPA.
Предметом исследования являются вопросы влияния ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA на качество обслуживания абонентов.
1
Цель диссертационной работы заключается в повышении качества обслуживания абонентов в сети WCDMA при использовании протоколов высокоскоростной передачи данных.
Научной задачей является разработка алгоритмов адаптивного управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.
Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории распространения радиоволн и имитационного моделирования на основе программных
продуктов MathCad и PL/SQL Developer.
Достоверность полученных результатов, в том числе основных положений и выводов, подтверждается адекватным применением апробированного математического аппарата, сравнением с экспериментальными данными, обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, публикациями основных достижений в журналах, проведением тестирований на тестовом стенде и применением полученных рекомендаций для коммерческой сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон».
Научная новизна работы. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.
1. Концепция управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с
поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.
2. Математические модели загрузки ресурсов радиоподсистемы сети
WCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных, учитывающие текущее число активных абонентов и их распределение по предоставляемым услугам.
3. Имитационная модель влияния абонентской нагрузки на качество
предоставления услуг в сети WCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.
4. Рекомендации по настройке параметров радиоподсистемы WCDMA,
учитывающие коэффициенты блокировок и обрывов для голосовых и пакетных
соединений, а так же среднюю скорость передачи данных для технологии
HSDPA.
5. Предложение по построению и реализации программного комплекса автоматической адаптивной регулировки параметров радиоподсистемы WCDMA
с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.
Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации могут использоваться как на этапе планирования радиосети
WCDMA для определения конфигурации ресурсов радиоподсистемы, так и на
этапе эксплуатации для поиска причин ухудшения качества обслуживания абонентов и устранения несогласованности в конфигурации ресурсов радиоподсистемы.
Реализация результатов исследований. Реализованная с учетом полученных результатов имитационного моделирования на базе языка программирования PL/SQL платформа автоматического управления параметрами радиоподсистемы позволила повысить качество обслуживания абонентов и снизить
2
трудозатраты по поиску и устранению некорректных настроек параметров радиоподсистемы в коммерческой сети СЗФ ОАО «МегаФон».
Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации
опубликованы в 8 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 59, 61 и 62-й НТК профессорско-преподавательского
состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб., 2007, 2009, 2010),
на 60-й конференции студентов и (СПб., 2006). Две работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 49 наименований, и трех
приложений. Работа содержит 235 с. текста, 103 рис. и 41 табл.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Концепция адаптивного управления ресурсами радиоподсистемы сети
WCDMA.
2. Математические модели расчета влияния абонентской нагрузки на качество предоставления услуг для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы.
3. Результаты имитационного моделирования влияния абонентской
нагрузки в обратном канале сектора сети WCDMA на качество предоставляемых услуг, согласование ресурсов.
4. Предложение по реализации программного комплекса по автоматическому управлению параметрами и ресурсами радиоподсистемы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определена цель диссертационной работы и решаемые в ней задачи. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дано краткое описание радиоподсистемы сети WCDMA,
отражены ключевые моменты организации высокоскоростного пакетного доступа в прямом канале – HSDPA. Даны описания структуры кадров, применяемых для технологии доступа HSDPA. Кратко описаны изменения, необходимые
для организации канала E-DCH (Enhanced Dedicated Chanel, улучшенный выделенный канал передачи данных), в соответствии с технологией HSUPA. Приведены сравнительные таблицы категорий мобильных терминалов, поддерживающих высокоскоростную передачу данных. Определена область дальнейших
исследований. В заключение главы сформулированы научные задачи, решаемые в диссертационной работе.
Во второй главе поставлены задачи разработки концепции управления
параметрами и ресурсами радиоподсистемы, декомпозиции радиоподсистемы
на отдельные ресурсы и создания математических моделей для расчета загрузки
данных ресурсов.
Концепция системы управления параметрами и ресурсами радиоподсистемы (рис. 1) включает:
1) систему мониторинга и управления радиосетью, поставляемую производителем оборудования, которая хранит статистическую информацию, полу3
чаемую от БС и контроллеров радиосети, а так же актуальную конфигурацию
ресурсов и параметров радиоподсистемы;
База данных конфигурации
радиосети
Ресурсы интерфейса Uu:
1. OVSF коды
2. Мощность DL
3. Интерференция UL
UE
База данных
статистики
Система управления
ресурсами сети WCDMA
Система мониторинга
и управления
радиосетью
RNC
NodeB
IuCS
UE
IuPS
I
ub
Ресурсы БС:
производительность процессоров БС
Ресурсы интерфейса Iub:
пропускная
способность
канала
Рис. 1. Концепция управления ресурсами радиоподсистемы
2) базу данных (БД) конфигурации радиосети WCDMA и БД статистики,
которые обеспечивают адаптацию хранящихся в системе мониторинга и управления данных для дальнейших вычислений;
3) систему управления ресурсами и параметрами радиоподсистемы, которая на основании данных о конфигурации и статистической информации производит расчет новых параметров радиоподсистемы и пересылает их в систему
мониторинга и управления сетью.
Для реализации системы управления определены следующие ресурсы, оказывающие влияние на качество обслуживания абонентов в секторе сети WCDMA с поддержкой высокоскоростных протоколов пакетной передачи данных:
- кодовый ресурс;
- производительность процессоров БС;
- пропускная способность канала интерфейса Iub;
- мощность передатчика БС (прямой канал);
- уровень интерференции в обратном канале.
При отсутствии вводимых ограничений на максимальную загрузку ресурсов возможна неконтролируемая деградация качества обслуживания абонентов.
Для ограничения максимальной нагрузки в сетях WCDMA используется процедура контроля доступа абонентов к ресурсам (CAC, Call Admission Control), которая после проверки загрузки всех ресурсов принимает решение о возможности предоставления ресурсов для нового подключения.
В табл.1 приведены данные по использованию кодового ресурса каналами
сигнализации и трафиковыми каналами. Кодовый ресурс сектора WCDMA в
случае поддержки высокоскоростного протокола HSDPA используется тремя
4
типами соединений: сигнализация и управление, соединения WCDMA, соединения HSDPA.
Таблица 1
Использование кодового ресурса каналами трафика и сигнализации
Количество
Каналы сигнализации и
SF в DL
Примечание
SF=128 в DL
управления
PCPICH (Primary Common
128
1
Пилотный канал
Physical Channel)
Передача системной информации
PCCPCH (Primary Com256
0,5
логического канала BCH (Broadcast
mon Physical Channel)
Channel, вещательный канал)
PICH (Paging Indicator
Организация пейджинговых групп
256
0,5
Channel)
цикла DRX
AICH (Acquisition Indicator
Передача индикаторов доступа к
256
0,5
Channel)
сети
Передача транспортных каналов
SCCPCH (Secondary
256…4,
2
PCH, FACH (количество каналов
Common Control Channel)
(6)4
SCCPCH может быть >1)
Передача служебной информации:
схемы манипуляции, параметров
каналообразующего кода, схемы
HS-SCCH (High Speed
128
1
HARQ (Hybrid Automatic Repeat
Shared Control Channel)
Request), размеров блока данных
(может быть от 1 до 5 каналов в одной соте, рекоменд. 4)
Управление мощностью канала HSA-DCH (Associated DediDPCCH, для каждого абонента
256
0,5
cated Control Channel)
HSDPA (может использоваться FDCH)
Каналы передачи пользовательской информации
DCH CS AMR 12,2
128
1
Передача голосового трафика
Передача пакетного трафика со
DCH PS 64 R'99
32
4
скоростью 64 кбит/с
Передача пакетного трафика со
DCH PS 144 R'99
16
8
скоростью 144 кбит/с
Передача пакетного трафика со
DCH PS 384 R'99
8
16
скоростью 384 кбит/с
Организация кодового пула
HS-PDSCH (High Speed
HSDPA. Количество каналов 1…15.
Physical Downlink Shared
16
8
5 каналов - скорость 3,6 Мбит/c, 10
Channel)
каналов - 7,2 Мбит/с
Основным параметром управления ресурсом является количество кодов
SF=16 (Spreading Factor, коэффициент расширения), резервируемое для протокола доступа HSDPA. Увеличение числа кодов для технологии HSDPA приводит к уменьшению количества абонентов, которые одновременно могут получить доступ к сети, и увеличению скорости передачи данных. Глобальным параметром сети, который устанавливается на RNC (Radio Network Controller,
5
контроллер радиосети), является GBR (Guaranteed Bit Rate, гарантированная
скорость передачи данных).
Таблица 2
Значения GBR для абонентов HSDPA
Услуга (RAB)
Телефония, AMR 12,2 кбит/с
Передача данных, 64 кбит/с
Передача данных, 144 кбит/с
Передача данных, 384 кбит/с
Передача данных, HSDPA
GBR, кбит/с
16
64
144
384
64/144/384
На основании величин GBR для используемых в сети сервисов и конфигурации кодового ресурса рассчитывается загрузка ресурса. В работе принято,
что GBR для абонентов HSDPA может принимать значения 64, 144 и 384 кбит/с
(табл. 2). В том случае, когда сеть WCDMA не может обеспечить гарантированную скорость передачи данных для абонента, ему будет отказано в доступе.
Производительность процессоров БС может являться ограничивающим
ресурсом, влияющим на пропускную способность сектора и качество обслуживания абонентов. Расчет загрузки данного ресурса производится на основании
данных, предоставляемых производителем оборудования об использовании канальных элементов различными сервисами. Один канальный элемент – это такая нагрузка на процессоры БС, которую создает одно голосовое соединение
AMR 12,2 кбит/с. Информация по оборудованию БС DBS3806 компании
Huawei представлена в табл. 3. Максимальное количество канальных элементов
для данного типа БС в прямом канале составляет 256, в обратном канале – 192.
Канал передачи данных HSDPA данный ресурс не использует.
Таблица 3
Использование ресурса производительности процессоров БС
Необходимое количество Необходимое количество
Тип устанавливаемого соединения
канальных элементов в
канальных элементов в
UL
DL
RRC соединение, включающее все
1,00
1,00
сигнальные процедуры
RAB соединение CS AMR 12,2
1,00
1,00
кбит/с
RAB соединение PS 64 кбит/с
3,00
2,00
RAB соединение PS 144 кбит/с
5,00
4,00
RAB соединение PS 384 кбит/с
10,00
8,00
RAB соединение HSDPA
RAB соединение HSUPA
20,00
2,00
HS-PDSCH
0
HS-DPCCH
0
UL A-DCH (DPCCH) 64 кбит/с
3
DL A-DCH (DPCCH) 64 кбит/с
1
Пропускная способность канала интерфейса Iub определяется его конфигурацией. Наиболее распространенными протоколами для организации интерфейса Iub являются ATM (Asynchronous Transfer Mode, асинхронная переда6
ча данных) и IP (Internet Protocol, сетевой протокол). При использовании АТМ
общий канал формируется из 1…N каналов E1 с помощью технологии IMA (Inverse Multiplexing over ATM, инверсное мультиплексирование потоков). При
использовании протокола IP в качестве физического канала передачи данных
применяется Ethernet 100 Мбит/с.
Общий канал интерфейса Iub разделяется на логические части: Control
Plane – передача служебной информации для установления соединений, Management Plane – передача служебной информации для управления NodeB, User
Plane – передача пользовательских данных. В свою очередь в логической части
передачи пользовательских данных формируются логические каналы, по которым передаются абонентские данные в зависимости от типа передаваемого
трафика и технологии доступа для более гибкого управления. В случае, когда
используется протокол ATM, логические каналы называются AAL2PATH
(ATM Adaptation Layer Type 2), в случае использования протокола IP – IPPATH.
Такая организация логических каналов дает возможность управления
пользовательской информацией путем ограничения максимальной пропускной
способности для AAL2PATH относительно максимальной пропускной способности общего канала. Расчет нагрузки производится на основании значений
GBR и эффективной пропускной способности канала интерфейса Iub. Вне зависимости от используемого протокола эффективная пропускная способность канала будет меньше 100% из-за наличия трафика сигнализации и управления
(табл. 4).
Таблица 4
Пропускная способность интерфейса Iub в зависимости от конфигурации
Конфигурация канала интерфейса
Эффективная пропускная способность абонентIub
ских данных, кбит/c
ATM, 1xE1
1360
ATM, 2xE1
3060
ATM, 3xE1
4760
ATM, 4xE1
6460
ATM, 5xE1
8160
IP, Ethernet 10 Mбит/с
8194
Общие каналы управления занимают порядка 20% от максимальной мощности передатчика базовой станции, которая составляет 20 Вт (3GPP, 3rd Generation Partnership Project, консорциум органов стандартизации 3G). Мощность
для технологии HSDPA определяется по остаточному принципу после ее распределения между активными соединениями WCDMA. Такой принцип позволяет наиболее рационально использовать мощностной ресурс прямого канала,
однако может приводить к тому, что радиус зоны обслуживания для абонентов
HSDPA будет уменьшаться при возрастании нагрузки от абонентов WCDMA.
Использование мощности в прямом канале абонентами WCDMA зависит
от распределения абонентов внутри зоны обслуживания сектора. Кроме распределения абонентов по удаленности от передающих антенн NodeB на загрузку ресурса влияют следующие параметры:
- распределение абонентов по запрашиваемым услугам;
- морфология местности и характер поведения абонентов;
7
- коэффициент активности абонентов с услугами пакетной передачи данных;
- характеристики оборудования базовых станций и мобильных терминалов;
- внешние источники помех и помехи от передатчиков соседних БС.
В работе за радиус зоны обслуживания сектора принят радиус зоны обслуживания сервиса PS 64 кбит/с в обратном канале, который необходим для обеспечения работы технологии HSDPA 3,6 Мбит/с. Для расчета потерь на распространения сигнала выбрана модель Ксиа-Бертрони. Модель упрощается за счет
предположений о равновысотности застройки и одинаковых расстояниях между
зданиями. Она учитывает явление дифракции, которая оказывает существенное
влияние на распространение радиоволн в городских условиях. Суммарная интерференция в прямом канале сектора сети WCDMA рассчитывается по формуле
(1)
В (1) Itotal – суммарная интерференция на входе приемника мобильной
станции, Iown – интерференция в прямом канале от обслуживающей соты, Iother –
интерференция в прямом канале от соседних сот, Pn – собственные шум приемника мобильной станции и тепловой шум.
(2)
Первое слагаемое представляет собой тепловой шум на входе приемника
мобильной станции, NF – собственный шум приемника базовой станции. Уровень интерференции от собственной соты определяется равенством
,
(3)
где PTX_OWN – текущая суммарная мощность передатчика базовой станции,
определяемая абонентской нагрузкой в секторе и мощностью общих каналов
управления, а – коэффициент неортогональности OVSF (Orthogonal Variable
Spreading Factor, коды с переменным коэффициентом расширения) кодов в
прямом канале.
,
(4)
где fDL – коэффициент шума соседних секторов, PTX_ADJ – мощность передатчика
в соседнем секторе. В центре соты fDL≈0, а на границе соты 1<fDL<2.
Если принять нагрузку в сети распределенной равномерно, т. е.
PTX_ADJ=PTX_OWN, то можно записать следующее равенство:
(5)
В (5) (Ic/Io)j – отношение сигнал/шум для j-го абонента до преобразования
широкополосного сигнала в узкополосный, L – суммарные потери в прямом канале, Pj – мощность базовой станции для j-го абонента.
Суммарные потери L рассчитываются по формуле
,
(6)
8
где PLDL – потери на трассе распространения в прямом канале, Lcable – потери в
фидере, GantennsBS – коэффициент усиления антенны базовой станции, Lbody – потери в теле человека, SHMNSF – запас на быстрые замирания сигнала без учета выигрыша от мягкой эстафетной передачи, Lpenetr – потери на проникновение в здания, SHO – выигрыш от мягкой эстафетной передачи, FFM – запас на медленные
замирания.
Обозначим Pj_RX как мощность, принимаемую j-м абонентом:
(7)
Общая интерференция для j-го абонента в данной точке зоны обслуживания сектора равна
,
(8)
где ηDL_total – абонентская нагрузка сектора в прямом канале. В случае идеального управления мощностью передатчика базовой станции можно записать следующее равенство:
(9)
В (9) (Eb/No)j – отношение сигнал/шум для j-го абонента после преобразования широкополосного сигнала в узкополосный, ρj – коэффициент активности
абонента. Запишем равенство для требуемой мощности базовой станции для jго абонента:
(10)
Так как радиус зоны обслуживания сектора равен радиусу зоны обслуживания сервиса PS 64 кбит/с, рассчитаем требуемые мощности для абонентов со
всеми типами RAB, используемыми в диссертационной работе, на границе соты. Результаты расчетов представлены в табл. 5.
Таблица 5
Требуемые мощности БС для абонентов на границе зоны обслуживания
Требуемое
Выигрыш от
Потери на трасТребуемая мощность
отношение
обработки шисе распрострапередатчика NodeB
Тип сервиса
сигнал/шум, рокополосного нения на гранидля одного абонента
ДБ
сигнала, ДБ
це соты, ДБ
на краю соты, ДБм/Вт
CS AMR 12,2
5
25
144,1
25,6/0,45
PS 64
4
17,8
144,1
31,9/1,5
PS 144
3
14,8
144,1
34,5/2,8
PS 384
3
10
144,1
38,7/7,4
9
Суммарная абонентская нагрузка сектора по мощности в прямом канале
определяется как
(11)
где PTX – текущая суммарная загрузка сектора в прямом канале, Pmax – максимальная мощность передатчика базовой станции. Тогда нагрузка от j-го абонента, обслуживаемого в данном секторе, будет равна
(12)
Уровень интерференции в обратном канале сектора сети WCDMA определяется абонентской нагрузкой и в случае идеального управления мощностью
передатчика мобильной станции не зависит от распределения абонентов по удаленности от антенн базовой станции, а зависит от распределения абонентов по
сервисам. Выделим следующие факторы, влияющие на уровень интерференции в
обратном канале:
- коэффициент активности абонентов с услугами пакетной передачи данных;
- характеристики оборудования базовых станций и мобильных терминалов;
- внешние источники помех и помехи от передатчиков UE соседних секторов, правильность описания соседских отношений между соседними секторами;
- морфология местности и характер поведения абонентов.
Для оценки интерференции в обратном канале сектора WCDMA на практике применяется параметр RTWP (Receive Total Wideband Power, суммарная принимаемая мощность широкополосного сигнала), который измеряется на входе
приемника базовой станции. RTWP включает в себя сигналы от мобильных станций, обслуживаемых в данном секторе, интерференционные помехи от мобильных станций соседних секторов, тепловой шум и вероятные внешние помехи.
(13)
где Itotal – суммарная интерференция в обратном канале сектора сети WCDMA,
Iown – интерференция, создаваемая абонентами данного сектора, Iother – интерференция от абонентов соседних секторов, Pn – собственный шум приемника базовой станции, Padd – уровень внесистемных помех и помех, связанных с некорректной конфигурацией соседских отношений между секторами в сети.
Собственные шумы приемника базовой станции Pn рассчитываются по (2).
Для современного оборудования БС значение NF лежит в пределах 2 дБ. Суммарная интерференция от абонентов, обслуживаемых в данном секторе равна
сумме мощностей мобильных терминалов.
(14)
10
Мощность, принимаемая приемником NodeB от j-го мобильного терминала:
,
(15)
где Rj – битовая скорость передачи данных, W – чиповая скорость в сетях
WCDMA, ρj – коэффициент активности абонента.
Интерференция от мобильных терминалов, обслуживаемых в соседних
секторах, определяется эмпирическим путем:
(16)
где f – коэффициент интерференции соседних сот. Данный коэффициент используется в теоретических расчетах при условии, что размеры сот одинаковые и
абоненты в них распределены равномерно. Для нормально спланированной сети
коэффициент f = 0,5 … 0,7.
Запишем выражение общей интерференции в обратном канале сектора сети
WCDMA:
(17)
Обозначим:
,
где Lj –нагрузка, которую создает один абонент на изолированной соте.
Тогда получим
(18)
(19)
Введем нагрузочный коэффициент сектора в обратном канале:
(20)
Очевидно, что если нагрузочный коэффициент сектора 𝜂UL→1, суммарная
интерференция Itotal→∞. В этом случае происходит неконтролируемая деградация качества обслуживания абонентов. Следует отметить, что нагрузочные коэффициенты от абонентов в секторе носят аддитивный характер.
11
Введем понятие допуска на интерференцию в обратном канале ROT (Rise
Over Thermal), который показывает увеличение интерференции относительно
шумового порога приемника базовой станции:
(21)
или
(22)
В том случае, когда абонентская нагрузка в обратном канале не ограничена
настройками алгоритма CAC, в загруженном секторе каждый новый абонент
может стать причиной резкого снижения качества обслуживания абонентов.
Таблица 6
Значения нагрузки в обратном канале в зависимости от типа соединения
Требуемое отношеКоэффициент активНагрузка 𝜂,
Тип сервиса
ние сигнал/шум, дБ
ности абонента
%
CS AMR 12,2 кбит/с
5
0,6
1,6
PS 64 кбит/с
4
0,67
6,2
PS 144 кбит/c
4
0,67
11,8
PS 384 кбит/c
3
0,67
21,8
HSDPA 3,6 Мбит/с (UL 64)
4
0,67
6,2
HSUPA 2 Мбит/с
2
0,67
46,1
В табл. 6 приведены расчетные значения нагрузки в обратном канале, создаваемой всеми типами абонентов, которые рассматриваются в диссертационной работе. Для абонентов HSDPA с максимальной скоростью передачи данных
3,6 Мбит/с в направлении от мобильного терминала к БС для передачи служебной информации рассчитывается канал PS 64 кбит/с. Нагрузка между расчетным сектором и соседними секторами распределена равномерно. Для абонентов
HSUPA следует отметить высокую нагрузку, создаваемую в обратном канале.
В третьей главе на основе результатов имитационного моделирования
проведена оценка влияния абонентской нагрузки на качество предоставления
услуг, определяемое коэффициентами обрывов и блокировок для голосовых и
пакетных сервисов и средней скоростью передачи данных для абонентов HSDPA.
Моделирование проведено на базе рассмотренного математического аппарата расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы с использованием языка программирования PL/SQL. Поскольку процесс моделирования воспроизводит
процесс работы алгоритма CAC, соблюдая логическую и временную последовательность анализа загрузки ресурсов радиоподсистемы, модель является имитационной.
При создании имитационной модели абонентской нагрузки сделаны следующие допущения:
- абоненты географически распределены равномерно в зоне обслуживания
сектора WCDMA;
- распределение абонентов по запрашиваемым услугам выбрано в соответствии со статистическими данными реальной сети;
12
- модель является дискретно-временной и не учитывает среднюю продолжительность активной сессии;
- исключен этап установления соединения на уровне RRC (Radio Resource
Control, уровень управления радиоресурсами), на котором также используются
ресурсы радиоподсистемы;
- исключен расчет нагрузки от процедур LAU (Location Area Update, изменение локальной зоны), от прочих типов RAB, не указанных в работе;
- абонентская нагрузка распределена равномерно между секторами сети
WCDMA;
- при расчетах коэффициентов обрывов для голосовых и пакетных сервисов DCR (Drop Call Rate) исключены переходы и эстафетные передачи в сеть
GSM;
- не учитывается приоритезация абонентов с услугами пакетной передачи
данных.
Результаты имитационного моделирования рассмотрены на примере абонентской нагрузки в обратном канале. Исходя из результатов математической
модели влияния абонентской нагрузки, для ограничения эффекта «дыхания»
соты и предупреждения неконтролируемой деградации качества обслуживания
абонентов необходимо вводить ограничение на максимальную нагрузку в обратном канале.
Нагрузку в обратном канале сектора WCDMA можно оценить по уровню
RTWP. Однако на значение уровня RTWP влияют дополнительные составляющие: внесистемная и внутрисистемная помехи. Для того чтобы оценить абонентскую нагрузку и не учитывать влияние помех, используется значение эквивалентных пользователей (EUN, Equivalent User Number). Нагрузка, равная одному EUN, это нагрузка, создаваемая одним голосовым соединением в обратном канале. Установка максимального значения EUN для сектора позволяет
ограничивать абонентскую нагрузку в обратном канале. Оборудование контроллера радиоподсистемы Huawei BSC6810 позволяет управлять нагрузкой в
обратном канале раздельно для голосовых и пакетных соединений.
13
Рис. 2. Ограничение максимальной нагрузки в обратном канале и влияние на уровень
блокировок для голосовых соединений ограничения по нагрузке от абонентов с пакетной передачей данных
Выводы по результатам имитационного моделирования:
- отсутствие ограничений по абонентской нагрузке в обратном канале может привести к неконтролируемой деградации сервисов в секторе WCDMA;
- при вводе ограничений на максимальную абонентскую нагрузку в обратном канале увеличиваются отказы в обслуживании абонентов;
- максимальное значение EUN, позволяющее обслуживать абонентов с минимальными значениями отказов и обрывов, является индивидуальным для
каждого сектора и зависит от географического распределения абонентов;
- в случае раздельного анализа нагрузки в обратном канале для голосовых
и пакетных абонентов возможна регулировка уровня отказов в соответствии с
политикой оператора.
Корректировка максимальной абонентской нагрузки в обратном канале
позволяет повысить качество обслуживания абонентов и на основе статистических данных сделать выводы о необходимости физического расширения сети:
установки дополнительной БС, применения второй несущей частоты.
В четвертой главе в соответствии с полученными результатами имитационного моделирования влияния абонентской нагрузки в обратном канале на качество предоставления услуг поставлена задача реализации программного комплекса по автоматической настройке параметров загрузки ресурсов радиоподсистемы.
14
Оптимизатор
Статистика
Система
управления радиосетью производителя
оборудования
(СУР)
Настройки,
параметры
Программный
комплекс
автоматической
настройки
параметров
радиоподсистемы
Конфигурация
Новые значения
База данных конфигурации параметров радиоподсистемы
Обработка
данных
Команды MML
Применение
команд
Внешние базы
данных, формирование отчетности
Рис. 3. Взаимодействие программного комплекса с внешней средой
Управление параметрами происходит на основе статистических данных
сети и конфигурации сетевых элементов. Программный комплекс реализован
как внешняя среда по отношению к системам управления RAN и создан на основе БД Oracle. Алгоритмы реализованы с помощью языка программирования
PL/SQL.
Принцип взаимодействия программного комплекса с внешними базами
данных и системой управления RAN представлен на рис. 3. Программный комплекс автоматической настройки параметров получает статистику от системы
управления, по внутренним алгоритмам создает пороги на активацию действий
системы, формирует MML команды и отсылает их в систему управления. Для
корректного формирования команд программный комплекс получает информацию о текущей конфигурации и параметрах в сети из соответствующей БД.
Основой программного комплекса является модуль расчета параметров,
который отвечает за агрегацию данных по статистике и конфигурации параметров, вычисление KPI и порогов по срабатыванию алгоритмов, вычисление новых параметров сети и формирование MML команд (рис. 4).
Интерфейсы импорта отвечают за прием статистики и конфигурации параметров и ресурсов радиоподсистемы, а также настроек оптимизатора радиосети. Интерфейсы экспорта передают команды на изменение параметров в систему управления радиосетью, обновления конфигурации и данные для формирования отчетов.
15
Модуль
обслуживания
Модуль настроек
Модуль статистики
Модуль расчета
параметров
Модуль конфигурации
Планировщик
задач
Модуль истории изменения параметров
Интерфейсы импорта
Интерфейсы экспорта
статистика конфигурация настройки
СУР
БД
параметров
радиосети
Модуль
разграничения
прав
Новые параметры
MML команды
Отчеты, данные
СУР
Оптимизатор
БД
параметров
радиосети
Внешние
БД
Рис. 4. Блок-схема программного комплекса по автоматической настройке параметров
и ресурсов радиоподсистемы
К вспомогательным модулям программного комплекса относятся:
- модуль настроек: агрегация данных по настройке алгоритмов;
- модуль статистики: предварительная обработка статистических данных;
- модуль конфигурации: обработка данных конфигурации радиоподсистемы;
- модуль истории изменения параметров: журнал автоматических изменений, проведенных в соответствии с алгоритмами;
- модуль обслуживания: контроль работоспособности программного комплекса;
- модуль разграничения прав: авторизация доступа к настройкам и разграничение прав пользователей;
- планировщик задач: согласование работы модулей платформы.
На рис. 5 представлены результаты применения программного комплекса
для устранения блокировок по ресурсу обратного канала в сети WCDMA. Относительное количество отказов по причине ограничения нагрузки в обратном
канале снизилось на 90% относительно максимального, успешность установления пакетных соединений увеличилась на 20–25%.
16
Вкл. комплекса
Вкл. комплекса
Рис. 5. Результат применения программного комплекса в коммерческой сети
В заключении перечисляются основные результаты диссертационной работы.
Прил. 1 содержит перечень основных статистических данных, используемых для создания статистических аварийных событий и примеры формирования аварийных событий, используемых в разработанном программном комплексе.
Прил. 2 содержит акт реализации программного комплекса по автоматической настройке параметров радиосети в сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон».
Прил. 3 содержит акт использования результатов диссертационной работы
при разработке пакетов учебных программ и постановке лабораторнопрактических курсов в учебно-методическом центре при СПбГУТ.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработана концептуальная модель управления ресурсами радиоподсистемы, систематизированы и подробно рассмотрены ресурсы подсистемы
радиодоступа WCDMA, определены параметры, влияющие на загрузку ресурсов радиоподсистемы.
2. Разработаны математические модели расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы в зависимости от абонентской нагрузки.
3. Разработана имитационная модель влияния абонентской нагрузки на
качество обслуживания абонентов для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы, подобраны значения параметров, повышающих качество обслуживания
абонентов.
4. Выполнена оценка влияния совокупности ресурсов радиоподсистемы
на качество обслуживания абонентов, рассмотрены случаи несогласованной
конфигурации ресурсов.
17
5. Разработана модель программного комплекса для автоматической
настройки параметров загрузки ресурсов радиоподсистемы.
6. Реализованный на базе Oracle программный комплекс внедрен в коммерческую эксплуатацию в сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон».
Опубликованные работы по теме диссертации
1. Иванов, М.В. Анализ причин возникновения внутрисистемных помех в
обратном канале в сетях WCDMA и методы их устранения / М. В. Иванов //
Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2010. – №5(108). – С. 30–35. (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК)
2. Иванов, М.В. Расчет пропускной способности радиоканала HSUPA с
учетом особенностей высокоскоростной передачи данных / М. В. Иванов //
Вестник связи. – Ириас. – М., 2009. – №8. – С. 25–30. (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК)
3. Иванов, М.В. Автоматическое управление параметрами в радиоподсистеме UTRAN / М. В. Иванов // Труды учебных заведений связи / ГОУВПО
СПбГУТ. – СПб., 2010. – № 182–183. – С. 72–79.
4. Иванов, М.В. Источники интерференции в сетях мобильной связи с кодовым разделением каналов WCDMA и методы их устранения / М. В. Иванов //
62 НТК / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2010. – С. 140, 141.
5. Иванов, М.В. Расчет пропускной способности радиоканала HSUPA с
учетом поправок для высокоскоростной передачи данных в сетях с кодовым
разделением каналов / М. В. Иванов // 61 НТК / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб.,
2009. – С. 104.
6. Иванов, М.В. Исследование преимуществ технологии высокоскоростной передачи данных HSDPA в сетях мобильной связи с кодовым разделением
каналов WCDMA / М. В. Иванов // 59-я НТК / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2007.
– С. 64.
7. Иванов, М.В. Технология высокоскоростной передачи данных HSDPA
в сетях с кодовым разделением каналов / М. В. Иванов, В. Ю. Бабков // Мобильные телекоммуникации. – Профи-пресс. – М., 2007. – № 6. – С. 22–28.
8. Иванов, М.В. Технология высокоскоростной передачи данных HSDPA
в сетях с кодовым разделением каналов WCDMA / М. В. Иванов // 60-я НТК /
ГОУВПО СПбГУТ. – СПб., 2006. – С. 31–36.
Подписано к печати 10.03.2011
Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз.
Отпечатано в СПбГУТ. 191186. СПб., наб. р. Мойки, 61