Технологии особенности расчета пропускной способности сотовых сетей подвижной связи

ТЕХНОЛОГИИ

Особенности расчета пропускной способности сотовых сетей подвижной связи

ОДНИМ ИЗ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ СЕТЕЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ В РОССИИ ЯВЛЯЕТСЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНФРАСТРУКТУРЫ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ НА БАЗЕ ОБЩЕЕВРОПЕЙСКОГО СТАНДАРТА GSM, ПРЕДПОЛАГАЮЩЕЕ АДАПТАЦИЮ СИСТЕМНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ ПЛАНОВ К ВЕЛИЧИНЕ, ПРОСТРАНСТВЕННОМУ РАСПРЕДЕЛЕНИЮ И ПЛОТНОСТИ АБОНЕНТСКОЙ НАГРУЗКИ. В СТАТЬЕ РАССМАТРИВА-

Кондратов А.Г., Степанов Б.Л.,

МТУСИ

Пропускная способность сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования (СПРС-ОП) определяет доходы оператора подвижной связи и должна соответствовать величине и соотношению основных составляющих абонентской нагрузки от постоянных и временных абонентов сети, а также учитывать влияние мультимедийных приложений. Основными в оценке качества коммутируемых услуг остаются характеристики доступности. Главные из них — доля вызовов, которым было отказано в обслуживании (блокировки входящих вызовов), и доля установленных соединений, прерванных не пользователями, а сетью связи.

Задачей частотно-территориального планирования сетей мобильной связи является определение оптимального распределения рабочих частот между базовыми станциями для реализации необходимой пропускной способности сети, полного покрытия территории в пределах заданной области функционирования сети, исключения взаимных помех между сотами и эффективного использования частотного спектра. На этапе обоснования инвестиций задача частотно-территориального планирования сводится к: определению топологической модели сети, обеспечивающей возможность совместного функционирования необходимого количества базовых станций требуемой конфигурации; определению требуемой ширины спектра, при которой обеспечива-

ЮТСЯ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА ПРОПУСКНОЙ С УЧЕТОМ РАЗВИТИЯ ИХ СТРУКТУРЫ.

ется заданная абонентская нагрузка. Решение этой задачи должно учитывать значительную неравномерность распределения пользователей по территории сети и их высокую мобильность.

При значительной площади административных образований территориальное распределение поверхностной плотности абонентской нагрузки не равномерно. Для городов с радиальной структурой территориальное распределение поверхностной плотности абонентской нагрузки принято аппроксимировать выражением:

о = ао10Г/К),

где о — поверхностная плотность абонентской нагрузки, Эрл/км2; Оо — поверхностная плотность абонентской нагрузки в центре зоны обслуживания, Эрл/км2; г — расстояние от центра зоны обслуживания, км; Я — максимальный радиус зоны обслуживания, км.

Соответственно, ожидание высокой поверхностной плотности абонентской нагрузки о в центре административных образований при проектировании сетей мобильной связи учитывается увеличением общего числа ячеек сети I (при одновременном сокращении размеров ячеек) или путем увеличения числа каналов трафика в радиоинтерфейсе V.

Общая интенсивность исходящей нагрузки, создаваемой абонентами сети:

У£исх= У1исх^СПРС-ОП,

где У1исх = У]/2 — удельная исходящая нагрузка от одного абонента, Эрл; У1 —

удельная нагрузка на одного абонента; Ыспрс-оп — общая емкость сети СПРС-ОП, выраженная через подключенное число

СПОСОБНОСТИ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

абонентов.

Создаваемая нагрузка направляется в сторону телефонной сети общего пользования или замыкается в сети подвижной связи.

Общая интенсивность входящей нагрузки к абонентам СПРС-ОП составит

У£вх=У1вх^СПРС-ОП,

где у]вх = У]/2 — удельная входящая нагрузка на одного абонента СПРС-ОП, которая формируется из нагрузки от мобильных и стационарных абонентов, Эрл.

В общем виде, УЕисх и УЕвх не раны друг другу, как следствие и как показатель разной степени развитости сетей подвижной и фиксированной связи. Важным параметром является доля замыкания нагрузки в СПРС-ОП:

КСПРС-ОП = УСПРС-ОП/У£,

где Успрс-оп — интенсивность нагрузки, замыкающейся внутри СПРС-ОП; У^ = У^исх + У^вх — суммарная интенсивность нагрузки в СПРС-ОП.

Величина Кспрс_оп может уточняться в соответствии с данными сбора статистики. По данным операторов связи РФ доля нагрузки между абонентами системы сети GSM в общем объеме исходящей нагрузки составляет К;прс-оп = 0,30...0,40 и имеет тенденцию роста по мере увеличения абонентской емкости СПРС-ОП.

Топология подсистемы базовых станций сетей GSM строится на основе сотовых структур. В каждой ячейке (соте) устанавливается базовая станция, обеспечивающая необходимое радиопокрытие соты. Радиусы и конфигурация сот (секторизованные, не-секторизованные) соответствуют плотности абонентской нагрузки и пропускной спо-собностирадиоинтерфейса базовой стан-

ЭКОНОМИКА

ции. Различаются три градации топологических уровней и, соответственно, три градации размеров ячеек:

— макроуровень образуют макросоты радиусом 1-35 км;

— микроуровень образуют микросоты радиусом 0,1-1 км;

— на пикоуровне используются пикосоты радиусом до 100 м.

Это позволяет адаптировать топологию сетей GSM к величине, плотности и территориальному распределению абонентской нагрузки.

Зоны радиопокрытия двухдиапазонных сетей GSM в наиболее общем виде можно представить следующим образом:

— на макроуровне обеспечивается основное (базовое) радиопокрытие всей территории обслуживания;

— в зонах с высокой плотностью абонентской нагрузки (более 100 Эрл/км2) на макроуровень накладывается микроуровень;

— в зонах с очень высокой плотностью абонентской нагрузки (более 1000 Эрл/км2) на макро- и микроуровень накладывается пикоуровень.

Абонентов с высокой мобильностью (передвигающихся в транспортных средствах) целесообразно обслуживать, преимущественно, на макроуровне, абонентов со средней мобильностью (передвигающихся в пределах больших по площади зон) и абонентов с низкой мобильностью (передвигающихся в пределах небольших по площади локальных зон, зданий, офисов) — на микроуровне и, при соответствующей плотности нагрузки, — на пикоуровне.

В однодиапазонной сети многоуровневая топология может быть достигнута соответствующим распределением частотного ресурса.

При создании многоуровневых топологий следует учитывать особенности применяемых частотных диапазонов и достижимые в конкретных условиях минимальные и максимальные размеры сот.

Наличие "бизнес" центров в инфраструктуре городов определяет повышенную абонентскую плотность в часы наибольшей нагрузки (ЧНН) в так называемом "культурном" центре или "бизнес" центре города. Для центра города и для окраин ЧНН будут приходиться на разное время суток. Следует учитывать регулярное повышение числа абонентов в ЧНН для ячеек сети, охватывающих "культурный" центр города. Оно должно учитываться в структуре проектиру-

емой СПРС-ОП и в закреплении диапазона несущих частот.

Обозначим через У| интенсивность нагрузки на радиоинтерфейс j-ой ячейки СПРС-ОП сотовой структуры:

^ = У1 Nj,

где Nj — число мобильных абонентов, которым доступны радиоканалы ячейки:

Nj = OjSj,

где Oj — ожидаемая поверхностная плотность абонентской нагрузки в j-ой ячейке; Sj — площадь j-ой ячейки.

Будем использовать понятие средней поверхностной плотности абонентской нагрузки СПРС-ОП, определяя величину оср как

°ср = Ncnpc-on /S,

где S — площадь сети подвижной связи.

Учесть неравномерное распределение абонентов по территории сети позволяет использование коэффициентов неравномерности Rj

Rj = Oj / V (8

Минимальное значение Rj = 0 соответствует случаю, когда все абоненты покинули данную ячейку или от них не поступает вызовов (ночное время, окончание дачного сезона). Максимальное значение коэффициента Rj соответствует случаю, когда все абоненты сети находятся в одной ячейке, и равно:

Rj max (Ncnpc-on /

^чейк^ /

где L — общее число ячеек в сети подвижной связи.

Таким образом, число ячеек (сот) на сети подвижной связи L будет определять диапазон изменения Rj.

Для начального периода развития СПРС-ОП в городах Российской Федерации было характерно формирование одной ячейки связи. При этом величина ф близка к нулю на начальном этапе внедрения СПРС-ОП и в дальнейшем повышается до уровня 30-40%.

Для сетей профессиональной радиотелефонной связи величина КСПРС-ОП близка к единице, однако для этих сете связи характерно преимущественное использование режима полудуплексной связи.

Предположим, что величина ф характеризует долю вызовов, которые замыкаются в сети подвижной связи (используются два канала трафика для обслуживания вызова). При равномерном распределении пользователей подвижной связи по территории сети можно определять коэффициент ф как:

ф = КСПРС-ОП/ ^

I — число ячеек в сети СПРС-ОП.

В предельном случае, когда все абоненты сети могут собраться на территории одной ячейки, получим ф = Кспрс-оп. С ростом числа ячеек сети величина ф будет снижаться, стремясь к нулю в сетях подвижной связи сложной конфигурации. При проектировании сетей подвижной связи общего пользования, имеющих сложную структуру и большое число ячеек сети, возникает противоречие:

— влияние замыкания нагрузки в пределах одной ячейки и связанное с этим использование двух каналов трафика резко снижается и может не учитываться;

— концентрация пользователей на территории конкретной ячейки сети может существенно увеличивать коэффициент ф.

Проблема состоит в том, что увеличение показателя ф происходит параллельно с ростом интенсивности поступления вызовов на обслуживание, то есть напрямую зависит от числа абонентов на территории ячейки сети. При проведении аналитических оценок следует выбирать диапазон изменения

ф =°,..., кспрс-оп.

При неравномерном распределении пользователей по территории СПРС-ОП, которое чаще всего наблюдается в действительности, предлагается определять величину ф по формуле:

ф =

В таблице и на рис. 1 представлены результаты расчета вероятности потерь по вызовам в радиоинтерфейсе базовой станции Ротк в зависимости от интенсивности нагрузки а с учетом предполагаемого изменения величины ф.

Расчет выполнялся для СПРС-ОП стандарта 0БМ900, имеющей конфигурацию "квадрат", и состоящей из 16-ти одинаковых по размерам ячеек связи. В каждой ячейке сети пользователям доступны 46 каналов трафика радиоинтерфейса, общее число абонентов подвижной связи в СПРС-ОП ^спрс-оп = 20000 абонентов и суммарная

у

ЭКОНОМИКА

Результаты расчета вероятность потерь по вызовам в радиоинтерфейсе Ро

в зависимости от ф для V.=46 каналов, N

СПРС-ОП

= 20000 абонентов,

У£ = 300 Эрланг, I = 16 ячеек

а, Эрл <Р Р ОТК Е^а] а, Эрл Ф Р ОТК Еу[а]

18,75 0,03125 2,904 10'* 0 30 0,0500 4,746 10" 1,5 10‘3

20 0,0333 3,191 10'" 0 32 0,0532 5,021 10'" 4,0 10‘3

24 0,0400 3,831 10‘2 2,1 Ю'ь 36 0,0600 5,626 10" 1,7 10"

28 0,0471 4,481 10'* 4,7 10“* 40 0,0666 6,237 10" 4,5 10"

интенсивность нагрузки в СПРС-ОП = 300 Эрланг.

С учетом предполагаемого равномерного распределения пользователей по территории сети были использованы значения а = У. = 300 / 16 =18,75 Эрланг и ф = 0,03125, полученное по формуле (11) для предполагаемого значения КСпрС-оп = 0,5. Решение системы уравнений равновесия для этих значений дало следующий результат Ротк = 2,904 10-2. Расчет вероятности занятости всех каналов трафика ячейки по первой формуле Эрланга без учета замыкания части нагрузки внутри ячейки показал, что ЕУ[а] = 0.

Расчеты, выполненные для области значений 18,75 Эрланг < а <40 Эрланг, показали справедливость неравенства Ротк> Еу[а].

По рекомендациям ОАО "Гипросвязь" участок сети подвижная станция — базовая станция при проектировании следует рассматривать как двух фазную систему, задавая следующие значения допустимой вероятности потерь по вызовам: для радиоинтерфейса Рдоп рИ = 0,044; для участка базовая станция — центр коммутации подвижной связи Рдоп бс цкпс= 0,006. Сумма составляет Р = 0,050.

доп

Одной из особенностей развития архитектуры сетей подвижной связи являет-ся широкое использование кольцевого принципа при организации взаимосвязи базовых станций между собой и с центром коммутации подвижной связи. Для реализации высокоскоростных кольцевых структур используются волоконно-оптические линии связи, образующие транспортный уровень сети подвижной связи. Передача информации может производиться в одном направлении, что позволяет сократить затраты на прокладку магистральных кабелей и предоставляет возможность наращивания абонентской емкости сетей, а также объединять несколько низкоскоростных потоков в один высокоскоростной поток.

Высокий потенциал по наращиванию пропускной способности транспортного

уровня СПРС-ОП, которая характеризуется суммарной скоростью информационного потока, позволяет модифицировать расчет. А именно, необходимое число каналов трафика на участке базовая станция — центр коммутации подвижной связи можно задавать равным числу каналов трафика в радиоинтерфейсе данной ячейки сети. Полученные результаты могут быть представлены в матричной форме для выбора скорости передачи на транспортном уровне. Таким образом, допустимая величина потерь в радиоинтерфейсе будет увеличиваться до значения Р ш = Р = 0,05.

доп РИ доп '

В практическом плане больший интерес представляет изучение влияния не-равно-мерности распределения мобильных пользователей по территории сети связи на вероятность потерь вызовов для диапазона значений 1 < ^ <4, нижняя граница которого указывает на соответствие проектным значениям, а верхняя граница характеризует наличие взаимного тяготения между абонентами четырех соседних ячеек сети, образующих так называемый "клястер". Сети по-

движной связи стандарта 0БМ900 развиваются основе на клястеров. Каждый клястер представляет собой совокупность из четырех ячеек, в которых используются все несущие частоты, выделенные оператору подвижной связи на правах аренды.

Повышение пропускной способности радиоинтерфейсов базовых станций может быть реализовано с использованием дополнительного ресурса зонтичных сот, каждая из которых охватывает несколько сот сети.

На рис. 2 представлен вариант использования зонтичной соты, объединяющей радиоинтерфейсы кластера из четырех сот сети мобильной связи. Фактически ресурс радиоканалов трафика Уг может рассматриваться в качестве дополнительного ресурса, доступного для всех абонентов клястера при занятости всех каналов трафика в конкретной соте.

В настоящее время зонтичные соты организуются как эффективный инструмент уменьшения числа эстафетных передач для тех абонентов, которые перемещаются с высокой скоростью. Мобильные абоненты переключаются на ресурс каналов трафика зонтичной соты, как только система слежения фиксирует высокую скорость движения абонента. Переключение абонента на ресурс зонтичной соты обеспечивает существенное снижение числа эстафетных передач. Предлагается использовать ресурс зонтичных сот в качестве средства защиты от перегрузок при неравномерном распределении пользователей по территории сети. С учетом компактного проживания абонентов зонтичные соты могут организовываться в пределах административных образований, обеспечивая их полное покрытие, или в пре-

Рис.1. Зависимость вероятности потерь по вызовам из-за занятости каналов трафика в радиоинтерфейсе базовой станции Ротк от интенсивности нагрузки

ЭКОНОМИКА

Рис. 2. Использование зонтичной соты в качестве средства защиты от перегрузок на сети мобильной связи

делах одного кластера. Предлагается расширить сферу применения зонтичных сот, используя их как дополнительный ресурс для формирования пучка каналов, обслуживающих мультимедийный трафик. При таком подходе не произойдет уменьшения допустимого числа вызовов телефонии и приравненных к ним, требующих для своего обслуживания предоставления одного канала.

Выводы

1. Проблема возникновения перегрузок на отдельных участках телекоммуникационных сетей известна давно. В цифровых сетях подвижной радиотелефонной связи эта проблема усугубляется мобильностью пользователей и значительной неравномерностью распределения их по территории сети. Возможны перегрузки как на уровне радиоинтерфейса, представляющего собой общесетевой ресурс, так и на уровне управляющих комплексов, обеспечивающих выбор каналов трафика радиоинтерфейса для реализации соединений.

2. Сети со значительным числом ячеек в большей степени подвержены влиянию перегрузок из-за мобильности пользователей, так как первоначальный проект не позволяет учесть в полной мере влияние этого фактора. Кроме того, можно предположить, что проект, в полной мере учитывающий мобильность пользователей, будет отличаться значительной избыточностью ресурса ра-

диоканалов.

3. Предлагается расширить сферу применения зонтичных сот, используя их в пределах административных образований, как дополнительный ресурс для формирования пучка каналов, обслуживающих мультимедийный трафик.

Литература

1. Панкратова О. Мобильные технологии и конвергентные услуги //Технология и средства связи. - 2007. - № 1. - С. 21-24.

2. Иванов А. А., Соколов В. А., Терентьев Д. С., Ярлыков С. М. Конвергенция сетей связи в российских условиях // Технологии и средства связи. - 2006. - №5. - С.36-44.

3. Генеральная схема создания и развития федеральной сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования России стандарта GSM (2-ая редак-ция). - Отчет ОАО "Гипрос-вязь", 2001.

4. Ведомственные нормы технологического проектирования. Комплексы сетей сотовой и спутниковой подвижной связи общего пользования. РД 45.162. - М.: Институт сотовой связи, 2001.

XI Международный конгресс "Инновационная экономика и качество управления"

9-10 АПРЕЛЯ 2009 Г. В МОСКВЕ СОСТОЯЛСЯ XI МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОНГРЕСС "ИННОВАЦИОННАЯ ЭКОНОМИКА И КАЧЕСТВО УПРАВЛЕНИЯ". КОНГРЕСС ПРОВОДИТСЯ ЕЖЕГОДНО В РАМКАХ ГЛОБАЛЬНОГО ПРОЕКТА "РОССИИ - НОВОЕ КАЧЕСТВО РОСТА". ДЛЯ УДОБСТВА УЧАСТНИКОВ КОНГРЕССА ЕГО РАБОТА БЫЛА ОРГАНИЗОВАНА НА ДВУХ ПЛОЩАДКАХ: 9 АПРЕЛЯ - В "ПРЕЗИДЕНТ-ОТЕЛЕ", 10 АПРЕЛЯ - В ОФИСНОМ ЦЕНТРЕ ГРУППЫ КОМПАНИЙ "ИНТЕРЭКОМС".

Впервые дата проведения Конгресса приурочена к новому профессиональному празднику — Международному дню ТОП-менеджера, учрежденному по инициативе Международной академии менеджмента и качества бизнеса, Ассоциации "Международный конгресс качества телекоммуникаций", Международного института качества бизнеса и НИИ "Инте-рэкомс". Учитывая важность проведения данного мероприятия и актуальность его тематики в условиях мирового финансово-экономического кризиса, поддержку Конгрессу оказали Совет Федерации Федерального Собрания РФ и Госдума России.

Основные цели Конгресса:

• обобщение мирового и отечественного опыта в области технологий антикризисного и инновационного менеджмента, внедрения эффективных моделей устойчивого развития организаций;

• доведение до руководителей российских предприятий информации о состоянии и перспективах нормативно-правового регулирования в России, национальной стандартизации, антимонопольной и контрольно-надзорной деятельности;

• демонстрация практических достижений в области управления и повышения устойчивости развития предприятий, конкурентоспособности товаров и услуг, внедрения инновационных технологий.

Работу Конгресса вели Н.Ф Пожитков, Е.Р Петро-

сян, О.В. Чутов и Ю.И. Мхитарян. В программе было предусмотрено рассмотрение актуальных вопросов управления компаниями в условиях кризиса и трансформации компаний в период выхода из него, необходимости применения международных стандартов управления ИСО как эффективного антикризисного инструмента, вопросов поддержки инновационных проектов российских предприятий, модели их устойчивого развития. Ряд выступлений участников Конгресса был посвящен механизмам совершенствования систем управления на предприятиях и в организациях.

Ведущими конгресса на второй день были зам. генерального директора ОАО "Связьинвест" Владимир Николаевич Бондарик и генеральный секретарь АМККТ Ю.И. Мхитарян. Участники продолжили обсуждение практических аспектов управления в условиях кризиса. На семинаре "Реинжиниринг. Совершенствование управления бизнес-процессами как фактор повышения конкурентоспособности" выступили ведущие эксперты, ученые и специалисты в области менеджмента.

Всего на Конгрессе было сделано 17 докладов.

В первый день работы Международного конгресса "Инновационная экономика и качество управления" традиционно были подведены итоги конкурса в области качества "За лучшие достижения в бизнесе" в номинации "Лучший топ-менеджер", проводимого в

рамках Глобального проекта "России — новое качество роста". Конкурс проводится Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии совместно с Международным институтом качества бизнеса, Международной академией менеджмента и качества бизнеса под патронажем Совета Федерации Федерального Собрания РФ. На Конгрессе состоялась торжественная церемония награждения победителей конкурса. Решением Экспертного совета по присуждению премии Дипломами победителей и специальным призом были награждены:

Гайсин С.М., генеральный директор ОАО "Башинформсвязь" , Громаков Ю.А., генеральный директор ОАО "Интеллект Телеком", Кириллов А.И., вице-президент по технологиям ОАО "КОМСТАР-Объеди-ненные ТелеСистемы", Хасьянова ПШ., генеральный директор ЗАО "Скай Линк", Кукушкин И.П, исполнительный директор Российского Союза химиков, Наголкин А.В., генеральный директор ООО НПФ "Поток Интер".

Следующий Международный конгресс пройдет в рамках Европейский недели качества в России во Всемирныйдвнь качества 12 ноября2009г. в Москве, в Президент-Отеле, www.ibqi.iu/global