Определение трафиковых характеристик радиальной системы в радиально сотовой сети подвижной наземной связи

Определение трафиковых характеристик радиальной системы в радиально-сотовой сети подвижной наземной связи

Ключевые слова: территориальная надежность связи, трафик, сотовая система связи, радиальная система связи, радиоканал, базовая станция, абонентская емкость.

Одним из новых направлений повышения надежности подвижной наземной связи является дополнение сотовой системы радиальной системой и создание таким образом единой сотово-радиальной сети. Для реализации такой сети необходимо исследование распределения трафика между этими системами. Причем методика оценки величины трафика радиальных систем требует специального подхода, учитывающего дополняющий характер этих систем и условий приоритетности сотовой связи в работе с абонентскими станциями. Дается оценка трафика такого использования радиальных систем с учетом их использования в "непопулярных зонах" с низкой востребованностью подвижной связи, которые, как правило, считаются не рентабельными для обслуживания традиционными сотовыми системами. Данная оценка проводится с учетом специфики неравномерности плотности заселения для типовых регионов нашей страны. Определяется прогнозируемый трафик дополняющей радиальной системы для голосовой связи и передачи данных в режимах SMS, GPRS и EDGE в зависимости от числа обслуживаемых абонентов. По результатам оценки трафика дается количественная характеристика требуемых радиоканалов, долей или единиц стандартных базовых станций радиальной системы. Определено, что для большинства регионов число требуемых таких базовых станций может составлять от долей до одной базовой станции. Для радиальной системы предлагается оригинальный режим перехода от голосовой связи на передачу только данных, особо ориентируясь на SMS передачу. Отмечается возможность использования полученных результатов не только для GSM, а также и в 3G системах.

Туляков Ю.М.,

к.т.н., доцент, зав. кафедрой "Обще профессиональные дисциплины" Волго-вятского Филиала МТУСИ, yu.m.uilyakov@rambler.ru

Одним из параметров, определяющим качество подвижной наземной связи и зону ее действия, является вероятность наличия участков (площадей) в этой зоне с уровнем сигнала, удовлетворяющим требуемой помехоустойчивости. Эта вероятность характеризуется территориальной (пространственной) надежностью связи при заданной помехоустойчивости [1-3].

Эффективным методом повышения этой надежности является дополнение сотовой системы радиальной системой и создание тем самым сотово-радиальной сети [4, 5]. Одной из задач реализации такой сети является определение величины (доли) трафика приходящегося на радиальную систему, и как следствие — определения требований к техническим средствам этой системы.

Сетевое построение взаимодействующих радиальной и сотовой систем в обобщенном виде может быть представлено в виде схемы на рис. 1, на котором, в отличии от обычных сотовых систем, к базовым станциям сотовой системы (БССС), с их зонами (сотами) действия (на рис. 1 в качестве примера показаны две БССС), добавлена базовая станция радиальной системы (БСРС) с ее зоной действия (сотой), дополняющей зоны БССС. БССС и БСРС, взаимодействующие в их зонах действия с або-

нентскими станциями (АС), образуют подсистему БС (ПБС). Работа БСРС также как и БССС организуется через контроллер БС (КБС). КБС традиционно взаимодействует через транскодер (ТК) с центром коммутации подвижной связи (ЦКПС), который осуществляет не только внутрисистемную коммутацию, но и выступает в роли интерфейса для доступа "внешних сетей", таких как телефонная сеть общего пользования (ТФОП), передачи данных и т.п.

Как следует из этой схемы, взаимодействие БСРС с сотовой связью осуществляется через КБС и ТК к ЦКПС, задачей которых в условиях неудовлетворительного сигнала от базовых станций сотовой связи является переключение АС с работы с БССС на работу с БСРС. Такое

переключение можно рассматривать как хен-довер между сотами. Причем, такой хендовер может осуществляться как между сотами с БССС и БСРС, управляемыми одним КБС, так и между сотами под управлением разными КБС, но относящихся к одному и тому же ЦКПС.

Для введения радиальной системы в сотовую систему (сеть) необходимо знать требуемые характеристики радиальной системы, которые в свою очередь определяют ее техникоконструктивные параметры. К таким характеристикам радиальной системы относятся необходимая ее трафиковая способность и, как следствие, пропускная способность и соответствующие ей параметры радиоканалов (радиоинтерфейса). При оценке этих характерис-

ПБС

Внешний доступ

ЦКПС ТК КБС БС1 *"

(MSC) (NC) (BSC) <bts> ас :

ч (MS) 1 пптя1 1

Базы

данных

К др. nBC

БСРС J

радиальная зона

Рис. 1. Cxема взаимодействия радиальной и сотовой систем

тик необходимо учитывать, что взаимодействие радиальной и сотовой систем при удовлетворительности величины радиосигналов обеих систем основывается на приоритетности работы АС с сотовой системой.

Величина трафика в зоне действия системы подвижной связи с количеством абонентов, находящихся в этой зоне — N1, и нагрузкой, создаваемой каждым из этих абонентов — А1, определяется в виде

А = N  А,, [Эрланг].

В современных условиях, когда сотовая связь получила значительное распространение и сотовый телефон (АС) имеет практически каждый "сознательный" человек, количество абонентов в зоне действия сотовой связи с допустимой точностью можно характеризовать с помощью плотности населения — ПН. Для "чисто" сотовой связи, которая обычно обслуживает "популярные" зоны (пункты) региона с достаточной или достаточно высокой плотностью населения ПНСС, число абонентов может прогнозироваться как

Ncc~ ПНсс"ПЗ СС

где П3 сс — плошдць зоны, обслуживаемой сотовой связью.

Используя (2), суммарный трафик для сотовой системы будет определяться

Асс = ПНсс"Пз сс Аг

Давая подобную оценку радиальной системе, необходимо учитывать, что зона действия дополнительно вводимой этой радиальной системы, рассчитанной на обслуживание "непопулярных" участков региона, плотность населения для таких участков — ПНрс будет значительно ниже ПНсс для действующей сотовой связи. Охарактеризуем это коэффициентом уменьшения плотности населения

Крс= ПНрс / ПНсс.

Очевидно Крс < 1. Вышесказанное справедливо также и для условий, когда в "непопулярную зону" временно мигрирует часть абонентов из "популярных зон", например, в какие-либо малонаселенные пункты или лесные массивы.

Для определения числа абонентов, находящихся в зоне дополняющей радиальной системы необходимо также знать размеры этой зоны

— П3 рс или ее долю во всей зоне радиальносотовой системы. Поскольку пространственная надежность характеризует величину зон действия систем относительно территории обслуживаемого региона или его частей [3], то для соотношения площадей зон действия радиальной и сотовой систем можно записать П 3 рс/п 3 сс = ^рс/^со

где Spc и Sec пространственные надежности соответственно для радиальной системы и сотовой сети. Тогда, с учетом (2) и (4), для соотношения числа абонентов в радиальной системе NpC

к Nee получим

N^pc/ Ncc - (пнрс/ пнсс) ' (Spc/Scc) -

= Крс’

Согласно (1) трафик в радиальной зоне определится

Арс= ПНрс’П з pc'Aj - Крс’ ПНсс’П рс Аг

Изменение (уменьшение) трафика в зоне действия радиальной системы по сравнению с трафиком в зоне сотовой связи будет определяться соотношением ^с/^с [см. (5)] и на основании (3) может характеризоваться величиной

А/с-Арс/Асс-^с/^сс-

-(Крс'ПНсс  ПЗ рс’ А1 )/(ПНсс пз сс А1)-

- Крс"ПЗ рс/

Ввиду того, что радиальная система дополняет основную сотовую систему в зоне действия связи (см. рис.1), то Spc/Scc < 1, и, учитывая выше сделанное обоснование Крс < 1,мо-жем сделать заключение о том, что Ар/с < 1.

сопоставительный анализ структуры заселения и территориальных изменений плотности населения для различных регионов нашей страны позволяет для типовой оценки принять Spc - 15%, Scc - 75% и значения уменьшения плотности населения в "непопулярных зонах" Крс - 0,001-- 0,01. Для таких условий по (5') можно определить Ар/с - 0,0002-0.002.

Из вышеизложенного следует, что трафик в радиоканале радиальной системы может составлять тысячные — десятитысячные доли трафика в сотовой связи. с учетом этого дадим оценку трафика дополняющей радиальной системы на примере ее взаимодействия с GSM сотовой системой для всех возможных режимов ее работы: при голосовой связи и в режимах передачи данных. Для этой оценки используем результаты статистической оценки этих видов трафика, приводимых в [6]. При этом, полагая, что абонентская емкость современной региональной сотовой сети может составлять Ncc

- 106--107, число абонентов, обслуживаемых радиальной системой согласно (5) и (5'), определится

Nrc - Крс-^ро/\с) ~ 2-102-2-104.

Для оценки голосовой связи примем типовые значения трафика (входящего и исходящего), приходящегося на одного абонента в час наибольшей нагрузки (ЧНН), которые используются при проектировании сотовых систем,-

А] = 0,025 Эрланг при вероятности отказов

0,02. Суммарный трафик для абонентов

согласно (1) будет определяться Арс = ^сА].

Количество требуемых каналов ^ для такого

трафика определяется по табулированной формуле Эрланга для вероятности поступления вызовов в момент, когда все каналы заняты,

ANk

ЛРС

м a

Nk ! £

РС

Z!

При известном количестве ("временных") каналов = ^]тах, организуемых на одной

радиочастоте (одном радиоканале), определяется потребность числа радиоканалов

Чк>^/

Для голосовой связи = Nк1mаx = 8.

Принимая типовое значение для наибольшего количества радиоканалов (радио приемопередающих устройств), используемых в одной БС — ^к бс = 16, можно определить долю использования такой БС или необходимое количество БС при требуемых ^к каналов

пбс= ^к/^рк бс = Чк/16.

Для анализа передачи данных будем использовать результаты статистической оценки [6, 7] следующих параметров: скорость передачи данных, приходящаяся на одного абонента, — Ваб [бит/с], количество бит, используемых при одном сеансе передачи данных, передаваемых одному абоненту, — тД [бит], время одного сеанса — Т] [с]. Эти параметры позволяют не только определить трафик передачи данных, приходящийся на одного абонента, — А], но и учесть структуру формирования каналов в радио интерфейсе для возможных способов передачи данных.

Для оценки передачи данных воспользуемся традиционной методикой определения трафика. Как известно, нагрузка, создаваемая одним абонентом, определяется соотношением

А =

dT1

где d — количество сеансов передачи данных за наблюдаемый промежуток времени ЛТ^ Воспользовавшись данными, используемыми для оценки трафика голосовой связи, когда среднее время разговора в течение соединения, которое в среднем принимается равным 1,5 мин, можно определить величину d = dп- = 1.

Z=0

Посколькувремя наблюдения, при статистической оценке передачи данных в сотовой связи, принимается — ЛТн = 15 мин. и отличается от времени наблюдения для голосового трафика, которое составляет ЛТн гт = 3600 с, скорректируем величину Сд для передачи данных по соотношению с1д = (ГТ(ЛТН/ЛТН ГТ) = 1-(156>0/3600)=0,25. (Это значение можно подтвердить верхним пределом статистической величины соотношения максимального количества бит, передаваемых данных для одного абонента в ЧНН, к усредненной величине данных, передаваемых за один сеанс их передачи, в соответствии с [6]). Поскольку время одного сеанса передачи данных — Тд = Т] определяется величиной — тД и скоростью передачи данных — В [бит/ с], для трафика, создаваемого одним абонентом при передачи данных, можно записать

0,25ТД 0,25тД •

Al = Т5Г60Т = 900 ’Эрланг

Величина суммарного трафика передачи данных в радиальной системе при числе ее абонентов согласно (1) будет определяться Арс - ^с А1.

При типовом значении вероятности отказов, принимаемом в сотовой связи равным 0,02, результаты расчетов вышеуказанных параметров [соотношения (9), (6), (7), (8)], определяющих требования к каналообразующей техники Бс при голосовой связи и передачи данных в режимах SMS, GPRS и EDGE, пред-

ставлены на рис. 2 в виде графиков зависимости пБс -F^c). Эти зависимости показывают, что для определенного выше интервала значений возможного числа абонентов радиальной системы при передаче данных во всех возможных режимах — SMS, GPRS и EDGE достаточно всего от 1 -го до 2-х радиоканалов или 1/16 — 2/16 доли Бсрс с шестнадцатью приемопередатчиками (радиоканалами).

При голосовой связи одной Бсрс можно

обслужить порядка 7^103 абонентов, что является вполне приемлемым для достаточно крупных региональных сотовых сетей. Для архи крупных, редко встречающихся, сетей может потребоваться две или максимум три Бсрс, размещение которых, например, может быть разнесено по территории обслуживаемого региона.

Анализируя эти полученные результаты, нетрудно прийти к выводу, что с позиции техникоэкономической выгоды, для частного оригинального случая можно ограничиться использованием в радиальной системе передачей только данных (без голосовой связи). Кроме того, учитывая специфичность обслуживаемых радиальной системой "непопулярных зон", из перечисленных способов передачи данных особо следует обратить внимание на использование в радиальной системе технологии SMS при применении для нее предлагаемого автором оригинального алгоритма работы [8]. суть его в том, что радиальная система работает только для обмена SMS сообщениями. О таком режиме работы сотово-радиальная система автоматически извещает абонента, находящегося в

"непопулярной зоне", и абонента, связывающегося с этим абонентом, в момент связи о том, что абонент, находящийся в "непопулярной зоне" переведен только в режим SMS связи. Это извещение обязывает этих абонентов перейти в режим SMS передачи. Благодаря такому алгоритму значительно уменьшается трафик радиальной системы и существенно упрощается ее базовая станция (см. рис. 2). Практическая правдоподобность использования такого алгоритма может быть объяснена такими доводами: находясь в "непопулярной зоне", абонент может себя ограничить SMS связью, сохраняя при этом возможность получить, например, какое-либо экстренное сообщение.

Завершая оценку трафика, следует заметить, что проведенный выше анализ трафика радиальной системы, дополняющей сотовую сеть, сделанный на примере взаимодействия с GSM сетями, справедлив и для других систем, и в том числе — для систем поколения 3G с учетом их способов формирования радиосигналов и передачи данных.

Литература

1. связь с подвижными объектами в диапазоне сВЧ/Под ред. У К. Джейкса: Пер. с англ./Под ред. М.с. Ярлыкова, М.В. Чернякова. — М.: связь, 1979.

— 520 с.

2. Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер. с англ./ Под ред. Пышкина И.М. — М.: радио и связь,1985. — 395 с.

3. Туляков ЮМ Пространственная надежность прохождения радиосигналов со сложной многолучевой структурой распространения в условиях города (на улицах и при проникновении в помещения). // Вестник нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, №5, часть 1, 2010., Н. Новгород. — с. 75-84.

4. Туляков ЮМ система сотовой связи. (2010) Патент на изобретение RU №2405259 с1. Опубликовано: 27.11. 2010г. Бюл. № 33.

5. Туляков ЮМ Эффективность взаимодействия сотовой и "широкозоновой" систем связи // Известия ЮФУ Технические науки. — Таганрог, 2010.

— №5. — C. 207-215.

6. Туляков Ю. М., Шакаров Д.Е., Лашкин ГЛ статистика трафика передачи данных в сотовой связи // Труды Московского технического университета связи и информатики. Том 2. — М., 2008. — C. 316-320.

7. Туляков ЮМ, Абдалов В.В., сорокина Е.В. Обобщенная оценка передачи данных в системах подвижной связи // Электросвязь, 2009. — №1. — с. 37-43.

8. Туляков ЮМ. способ объединения сотовой и пейджинговой систем связи. (2011) Патент на изобретение RU №2426888 с2 Опубликовано: 20.04. 2011. Бюл. № 11.