Использование интервала доступа для управления распределением трафика в области локальной перегрузки сети GSM

Использование интервала доступа

для управления распределением трафика

в области локальной перегрузки сети GSM

Ключевые слова:

Локальная перегрузка, GSM, интервал доступа, параметры соты, зона покрытия

Сформулировано предложение по применению интервала доступа для управления абонентской нагрузкой на соту, обслуживающую область возникновения локальной перегрузки. Динамическое управление параметрами соты, обслуживающей область возникновения локальной перегрузки, позволит снизить вероятность отказа обслуживания абонента, находящегося в данной области. Рассмотрены условия определяющие возможность применения метода и оценки его эффективности.

Бонч-Бруевич М.М.,

аспирант МТУСИ, инженер Столичного филиала ОАО "МегаФон"

This article describes a method for managing traffic load on the cell network. The method is intended for the cell, which serves the area of local overloading. Dynamic managing parameters of the cell will increase the chances of the subscriber to receive communication services. The article also has a description of the limitations of the method and evaluation of the effectiveness of the method.

Каждая сота сети подвижной радиотелефонной связи стандарта GSM (далее сети) имеет предел обслуживаемой абонентской нагрузки. Основную часть абонентской нагрузки составляют голосовые вызовы и SMS. Сота перегружена, если превышен предел обслуживаемой абонентской нагрузки. Причина локальной перегрузки (ЛП) — 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 может быть вызвана чрезвычайным происшествием (ЧП) или массовым мероприятием. Вероятность отказа обслуживания абонента в соте при возникновении ЛП существенно возрастает.

В данной статье обозначен один из вариантов решения задачи по снижению вероятности отказа обслуживания абонента, находящегося в зоне ЛП. Локальные перегрузки, возникшие по причинам аварий оборудования, не рассматриваются.

Следует определить параметр, который позволит эффективно бороться с ЛП. Его изменение должно будет производиться быстро, при наличии возможности — в момент обнаружения ЛП. Изменение конфигурации соты, добавление новой базовой станции или замена оборудования, как показывает практика, занимают время большее или соизмеримое с длительностью локальной перегрузки. Чем меньше число изменяемых параметров, тем быстрее можно провести изменения.

Рассматривая ЛП на фрагменте сети, следует учитывать перечисленные ниже факторы.

1. Локальная перегрузка возникает в определенном географическом месте, и правильно определить ее природу (не имея данных о фактических событиях) сложно, так как

нет признаков, по которым можно однозначно классифицировать причину ЛП.

2. Область ЛП, мала по сравнению с зоной обслуживания сот ближайших базовых станций.

3. Продолжительность локальной перегрузки зависит от причины, приведшей к ней, и может составлять от десятков минут, до нескольких часов.

Сеть функционирует по алгоритмам, выбранными разработчиком оборудования и оператором. Правила работы общие для всей системы, их изменения для некоторого фрагмента системы могут создать в системе конфликты и нарушить работу системы. Соответственно, изменение общих правил работы на фрагменте сети очень нежелательно. Для изменения этих правил нужно иметь возможность изменять требования стандарта или алгоритмы работы оборудования. Если такая возможность имеется, подобные действия однозначно займут время, которое будет как минимум соизмеримо с длительностью локальной перегрузки. Максимальное число каналов связи, предоставляемых абонентам, определяется режимами работы и конфигурациями рассматриваемых сот.

Возможным решением является изменение интенсивности поступающих от абонентов требований. Интенсивность определяется числом активных абонентов, находящихся на обслуживаемой фрагментом сети территории, и частотой совершаемых вызовов. Для уменьшения интенсивности требований нужно снизить количество обслуживаемых абонентов, создающих нагрузку на соту, обслуживающую рассматриваемую территорию. Это возможно сделать, управляя областью обслуживания конкретной соты базовой станции — сократив область обслуживания соты и, соответственно, число обслуживаемых этой сотой абонентов.

Таймслот (timeslot) = 576 мкс= 156,25 бит

8 бит 41 бит 36 бит 3 бит 68.2 бит

Tail Synchronization sequence Data RACH Tail ^ Защитный интервал >

Guard period t

• Tail bits - концевые биты

• Synchronization sequence - синхропоследовательность

• Data данные

• RÄCH - канал доступа

Область обслуживания конкретной соты определяется физическими параметрами (высота подвеса антенны, рабочая частота и диаграмма направленности), а также энергетическими параметрами (максимальное разрешенное значение излучаемой мощности и выбранными пороговыми значениями). Все названные параметры задаются при конфигурировании сети. Согласованное, в рамках группы сот, изменение указанных параметров часто занимает время большее или соизмеримое с длительностью локальной перегрузки. Это не позволяет эффективно использовать эти параметры для повышения вероятности предоставления канала связи абоненту в условиях ЛП. За время существования ЛП можно изменить только некоторые параметры обслуживающих область ЛП сот, но не конфигурацию.

Кроме названных можно выделить еще одну группу параметров, а именно логические параметры: управление областью обслуживания конкретной соты не ограничивается изменением конфигурации соты сети. Логические параметры также могут оказывать большое влияние на область обслуживания. К этим параметрам относятся, например, правила реализации процедуры эстафетной передачи обслуживания (далее "handover"). Изменять параметры, определяющие уровни принимаемых сигналов абонентских терминалов или пороги, при которых производится "handover", сложно. В ряде случаев такие изменения могут привести к крайне негативным последствиям [1].

В рамках задачи по снижению вероятности отказа обслуживания абонента, находящегося в зоне локальной перегрузки, обслуживаемой фрагментом сети, следует рассматривать как минимум проблемную соту и ряд смежных с ней сот—тех, которые имеют общие с проблемной сотой области обслуживания.

Установление соединения от аппарата абонента к базовой станции осуществляется по направлению "Uplink". Данное соединение происходит в виде передачи пакета доступа (AB — access burst) по каналу параллельного доступа (RACH — random access channel). Пакет доступа также используется при осуществлении "handover", при этом используется канал управления с быстрым доступом (FACCH — Fast Associated Common Control Channel). В пакете доступа передается информация о временной задержке распространения сигнала от аппарата абонента к базовой станции. Максимальный радиус соты в стандарте GSM составляет 35 км. Это расстояние определяется максимальной вре-

Рис. 1. Структура пакета доступа в системе GSM

менной задержкой на распространение сигнала. Пакет доступа включает в себя защитный интервал (GP — Guard Period), размер которого составляет 68,2 бит. На рис.1. показана структура пакета доступа и указан защитный интервал, в котором передается информация о TA (Timing Advance — интервал доступа) [2].

Использование временной задержки дает возможность определять расстояние между мобильным абонентом и базовой станцией. Часть площади обслуживания соты соответствующая конкретному значению параметра Timing Advance далее будет обозначаться "зона ТА".

Если провести анализ распределения абонентов обслуживаемых сотами "А" и "Б" различных базовых станций по ТА для определения дальности возникновения ЛП от сот "А" и "Б" соответственно, можно определить место возникновения ЛП с ошибкой примерно 550 м. Изменив разрешенный к обслуживанию диапазон ТА можно сократить (на одну или несколько зон ТА) область, обслуживаемую сотой. Таким образом, на меньшее количество абонентов (находящихся в области покрытия соты, разрешенной к обслуживанию) приходится тоже число каналов, что и раньше на всех абонентов в исходной области обслуживания. Это означает снижение вероятности отказа обслуживания (ВОО) для абонента, находящегося в области ЛП. Бывшие абоненты соты "А", которым будет отказано в предоставление канала связи по признаку местоположения, создадут дополнительную нагрузку для "донора" (соты "Б"). Основное отличие ЛП на сотах "А" и "Б" будет в отсутствие на соте "Б" потенциального ЧП. При увеличении числа сот используемых для определения положения ЛП можно повысить точность определения положения ЛП [1].

Распределение абонентов на площади покрытия соты сети в общем случае может иметь произвольный характер, при этом сокращение области обслуживания соты может производиться за счет любой зоны ТА.

Примеры расположения соты "А" и "доноров" показаны на рис. 2.

Также в сети могут быть такие участки, работа (изменение конфигурации, например) на которых планируется и согласовывается заранее (пример — любой аэропорт). В этих случаях нет смысла говорить о возможности проведения быстрых несогласованных изменений параметров — несогласованные работы могут усугубить сложившуюся ситуацию.

Оценка эффективности предложенного метода проведена для самого простого случая, подобного случаю, показанному на рис. 2а:

— если ЛП нет: а) соты "А" и "Б" обслуживают равное количество абонентов; б) распределение абонентов в областях обслуживания сот "А" и "Б" одинаково (число абонентов в каждой зоне ТА, постоянно и не зависит от значения параметра Timing Advance);

— конфигурация сот "А" и "Б" одинаковая (число каналов связи на каждой соте равно n), области обслуживания сот равны;

— причина ЛП — концерт (количество "handover" пренебрежимо мало, число экстренных вызов пренебрежимо мало);

— перекрытие областей обслуживания таково, что часть покрытия соты "А" определенная к отказу обслуживания ресурсами соты "А" абонентов полностью располагается в области обслуживания соты "Б".

Для расчета используется формула Эрлан-га В [3]. При количестве абонентов 1000 человек и удельной нагрузке 0,01 Эрл, р = 10 Эрл. В условиях перегрузок в сети максимальное число каналов связи, которое может быть предоставлено для связи абонентам, для одной частоты определяется выбором скорости передачи Full Rate или Half Rate [4]. При ожидаемой нагрузке 10 Эрл на одну соту достаточно 16 каналов связи (одна частота, скорости передачи — Half Rate или две частоты, скорости передачи — Full Rate) для обеспечения ВОО порядка 0,02-0,05. Допустим — соты имеют по 4 зоны ТА, при перегрузке нагрузка на соте "А" возрастет на 30% и сота "Б" обеспечивает полное покрытие для одной

a)

(границы Timing Advance;

область запрета обслуживания абонентов в соте "А"

с ота ~А"

область обслуживания

сота "Б"

область обслуживания

б)

^ обозначение атемны соты Рис. 2. Примеры взаимного расположения зоны покрытия соты "А" и зоны покрытия сот-"доноров"

сотэ "А"

область обслуживания

область запрета обслуживания абонентов в соте "А'

зоны ТА соты "А", то есть случай подобен представленному на рис. 3а. Сделано допущение, что скорость передачи постоянна и число каналов связи не меняется.

Из рассмотренного примера видно, что применение описанного метода позволит снизить нагрузку и вероятность отказа обслуживания абонента для соты, обслуживающей область локальной перегрузки. Вероятность отказа обслуживания абонента, в зависимости от обстоятельств, может быть снижена на единицы или даже десятки процентов. Для соты "А" применение описанного метода позволяет снизить вероятность отказа обслуживания абонента на 15% (со значения 0,086 до 0,073).

Чем больше число смежных сот используется для снижения нагрузки на соту "А", тем ниже будет ВОО на соте "А" и тем меньше будет дополнительная нагрузка на соты-"доно-ры". Возможно снижение нагрузки на соты-"доноры" за счет других "доноров".

Выводы

Параметр ТА в настоящее время практически не используется для управления параметрами соты сети GSM. Возможно введение динамического изменения разрешенного к обслуживанию диапазона значений ТА, которое позволит сократить область, обслуживаемую сотой и снизить вероятность отказа обслуживания абонента, находящегося в области локальной перегрузки.

Из рассмотренного примера видно, что применение описанного метода позволит снизить нагрузку и вероятность отказа обслуживания абонента для соты, обслуживающей область локальной перегрузки. Комплексное моделирование и ряд проведенных в реальной сети тестов показали снижение вероятности отказа обслуживания (по причине занятости всех каналов связи) абонента на 13-17%.

Нагрузки на соты "А" и "Б" для трех случаев и соответствующие вероятность отказа обслуживания абонента

Сота 1 ¡aipyjfca на соту, Эрл Вероятность отказа обслуживания абонента

нет перегрузки

«А» 10 0,022

«Б» 10 0,022

есть перег рузка на соте «А», метод перераспределения нагрузки не применяется

«А» 13 0,086

«Б» 10 0,022

есть перегрузка на core «А», метод перераспределения нагрузки применяется

«А» 10,5 0,03

«Б» 12,5 0,073

При анализе поставленного вопроса не рассматривается экономическая составляющая. В случае если канальные ресурсы соты предоставляются абонентам для связи со службами спасения, нет смысла говорить о материальной выгоде оператора, в других случаях доход оператора может быть выше, чем обычно.

Литература

1. Шорин ОА, Бонч-Бруевич М.М. Локальная перегрузка в радиосети сотовой связи стандарта GSM // Тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2009 / Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы". — М.: Инсвязьиздат, 2009. — С. 226-227.

2. Громаков ЮА Стандарты и системы подвижной радиосвязи. — М.: Международный центр научной и технической информации, 1996. — 240 с.

3. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. — М.: Издательство ЛКИ, 2007. — 400 с.

4. Шорин ОА, Бонч-Бруевич М.М. Методика учета и оценки влияния канала управления и подвижности абонентов на пропускную способность участка радиосети сотовой связи по трафику // Тезисы доклада на международном форуме информатизации МФИ-2008 / Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы". — М.: Инсвязьиздат, 2008. — С. 192-193.