Реферат

Зміст

Вступ

1. Постановка проблеми

2. Моделювання покриття

3. Визначення послуг, що надаються

4. Критерій вибору базової станції

5. Алгоритм роботи моделі

6. Аналіз результатів моделювання

З кожним днем ​​у світі збільшується потреба мати можливість широкосмугового доступу скрізь, де буває сучасна людина, не тільки вдома або в офісі, але і в транспорті, на вулицях. З прогнозованого числа в 1.8 млрд людей, які до 2012 року обзаведуться широкосмуговим доступом, приблизно дві третини будуть користуватися ним в мобільному варіанті, причому більшість таких користувачів отримають послуги завдяки мережами з підтримкою HSPA (High Speed ​​Packet Access) і LTE (Long Term Evolution) .

При впровадженні мереж LTE з'являться нові послуги, раніше не доступні при мобільному бездротовому доступі, наприклад, інтерактивне ТБ, мобільний відео-блогінг, сучасні онлайнові ігри та ін. Підвищення пропускної спроможності дозволить повною мірою забезпечити користувачів даними послугами. Досвід, отриманий при експлуатації мереж з підтримкою HSPA показав, що якщо оператор забезпечує якісне покриття, надає необхідні послуги і термінали, використання мобільного широкосмугового доступу швидко набуває популярності.

Для мінімізації витрат оператора на розгортання мережі LTE можна використовувати концепцію Self Organizing Network – SON. Використання SON дозволяє керувати діаграмою спрямованості антен, дає можливість балансувати навантаження на базові станції. При впровадженні зменшуються операційні витрати за рахунок автоматизації виконання типових робіт при плануванні, розгортанні та оптимізації роботи мережі [8].

1. Постановка проблеми

У всіх мобільних мережах існує така проблема, що користувачі розташовані на території не рівномірно. Це пов'язано зі скупченням всередині громадських центрів, парків, з переміщенням абонентів в перебігу дня. У слідстві, завантаження базових станцій виявляється не рівномірним, деякі базові станції використовуються не ефективно, а інші перевантажені і надають користувачам послуги з низькими показниками якості.

У мережах LTE базові станції мають основну та периферійну зони. Основні зони не перетинаються. Периферійні зони можуть перетинатися. У периферійних зонах можна вибрати до якої з базових станцій підключити користувача. У моделі повинен буде реалізований критерій вибору.

Критерій повинен враховувати швидкість на якій може бути обслужений користувач кожної з базових станцій, загасання, джитер, затримку сигналу. Таким чином користувач буде підключений до найменш завантаженої базової станції з найкращими характеристиками якості обслуговування.

2. Моделювання покриття

Для реалізації моделі потрібно визначити покриття і розташування абонентів. Кількість базових станцій візьмемо 225, абонентів 900.

Для розрахунку радіуса основної та периферійної зони буде використана модель розповсюдження радіохвиль SUI. Даний метод оснований на аналізі результатів експериментальних досліджень функціонування мереж в частотному діапазоні 1,9-3,5 ГГц, хоча і коректний для більш високих частот, однак на частотах понад 5 ГГц точність розрахунків помітно знижується. Типові умови застосування даної моделі розповсюдження радіохвиль наступні [1]:

- радіус сот від 100 м до 8 км;

- антени приймачів змонтовані на стінах або дахах з 2-10-метровим піднесенням;

- висота підвісу антени базової станції від 10 до 80 м.

У методі закладена висока (80 - 90%) ймовірність прийому в соті. Метод заснований на аналізі результатів експериментальних досліджень функціонування мереж розглянутого частотного діапазону.

Класифікується три типи місцевості: тип А – відповідає максимальному загасанню сигналу в радіоканалі і характеризується горбистою місцевістю, вкритою від помірної до густої рослинністі; тип В – відповідає помірному загасанню сигналу в радіоканалі і характеризується або горбистою з невеликою рослинністю місцевістю, або рівним рельєфом з щільністю рослинності від помірної до великої; тип С – відповідає мінімальному загасанню сигналу в радіоканалі і характеризується плоским рельєфом з мізерною рослинністю [1].

Для моделі обрано частотний діапазон LTE 2,1 ГГц, обраний тип місцевості В.

Загасання буде розраховуватися за формулою:

де A – визначає втрати потужності при розповсюдженні хвилі у вільному просторі на відстань, рівну опорному віддаленню d₀; a,b,c –константи, що залежать від типу місцевості; h_y – висота підвісу передавальної антени; d – відстань до передавальної антени; X_f – коригуючий частотний параметр; X_h – коригуючий параметр, обумовлений висотою підвісу приймальні антени h; y_v – середньоквадратичне відхилення величини ослаблення потужності; x – випадкова величина, розподілена за нормальним законом з нульовим математичним очікуванням і одиничним среднеквадратическим відхиленням.

Висоту підвісу передавальної антени можна встановити в моделі, для опиту обрана висота 10 м. Чим більше висота підняття антени, тим менші значення загасання ми будемо отримувати.

При розрахунку радіусу покриття необхідно врахувати потужність передавача, загасання в каналі і чутливість приймача.

Координати базових станцій задаються випадковим чином, але так щоб основні зони не перетиналися. Розміщення абонентів також випадково. Результат моделювання покриття представлений на малюнку 1.

Рисунок 1 – Розташування базових станцій і покриття

На малюнку представлена ​​територія 30 на 30 кілометрів. Зірочками позначені базові станції, точками абоненти. Навколо кожної базової станції зображена основна та периферійна зони. У реальності антени базових станцій не матимуть ідеальної кругової діаграми спрямованості, але в моделі допущено данне спрощення.

Як видно на малюнку, перетинаються периферійні зони двох-чотирьох базових станцій. Саме для користувачів, що знаходяться в цих зонах, потрібно вибрати одну з базових станцій

3. Визначення послуг, що надаються

Для забезпечення найкращих показників якості, потрібно розділити послуги на кілька категорій, щоб надалі покращувати показники QoS окремо для кожної категорії по різному.

Основними послугами для мереж LTE будуть: VoIP, IPTV, інтернет. Під послугою інтернет будемо розуміти завантаження веб сторінок, файлів і інші не враховані додатки. По кожній з послуг потрібно задати швидкість на якій буде здійснюватися робота. Для VoIP при використанні голосового кодека G.711 необхідна пропускна спроможність складе 90 кбіт / с. Для IPTV задамося значенням 4 Мбіт/с, інтернет - 5 Мбіт/с. Дані значення можна регулювати в моделі.

Для голосового трафіку буде надаватися пріоритет, швидкість з'єднання буде залишатися постійної і знижуватися не буде. Для двох інших видів послуг при перебільшенні навантаження на базову станцію, швидкість з'єднання буде знижуватися.

Відсоток від усієї кількості користувачів буде: VoIP 10%, IPTV 45%, інтернет 45%. Це співвідношення може мінятися, але дані значення обрані для моделі, так як передбачається, що мережі LTE будуть надавати в основному широкосмуговий доступ.

4. Критерій вибору базової станції

Потрібно визначити до якої з базових станцій підключити абонента. Для цього потрібно оцінити параметри каналів зв'язку, характер трафіку, вибрати найбільш вигідний варіант розподілу навантаження із збереженням прийнятної якості обслуговування.

Кожен тип трафіку характеризується своїми вимогами до параметрів каналів зв'язку. Якщо голосовий трафік вимогливий до затримки і її відхиленню, то передача даних - до спотворень і втрат пакетів. Тому для кожного типу переданих даних доцільно ввести функцію корисності, яка служить оцінкою прийнятності каналу зв'язку для передачі цього трафіку в даний момент [3].

Для голосового трафіку залежність функції корисності u від доступної пропускної здатності b буде мати наступний вигляд:

де B_min – мінімальна пропускна здатність необхідна для роботи використовуваного кодека і протоколу голосового зв'язку; b – пропускна здатність, що надається.

Передача відео в реальному часі подібна за своїми характеристиками до передачі голосу, однак при використанні адаптивних методів кодування і контролю джитеру затримки допускається значне зниження пропускної здатності.

Найменш вимогливою до смуги пропускання є передача даних. Функція корисності для даного типу трафіку виглядає так:

де B_max – максимальна пропускна здатність; b – пропускна здатність, що надається.

Значно впливаэ на якість обслуговування затримка доставки даних. Також як і для пропускної здатность, залежність якості обслуговування від затримки у кожного типу трафіку своя. Найбільш критичними до затримок потокова передача голосу і відео (особливо при використанні алгоритмів з великим коефіцієнтом стиснення). За рекомендацією ITU-T G.114 для забезпечення якості голосового зв'язку вище середнього наскрізна затримка повинна бути менше 400мс. Для передачі відео даних прийнятна затримка становить 1000мс.

Джитер також в основному впливає на передачу голосу і відео. Обмеження для голосу становить 10 мс.

Таким чином сформовані залежності рівня задоволених користувачів від затримки, джитера та пропускної здатності, при користуванні кожної з трьох послуг. Результуючим критерієм буде множення трьох показників на коефіцієнт, що враховує затухання.

де U_b – показник корисності для пропускної здатності; U_t – показник корисності для затримки; U_j – показник корисності для джитера; c – коефіцієнт, що враховує згасання.

5. Алгоритм роботи моделі

Рисунок 2 – Робота моделі [рисунок є анімацією, кількість кадрів – 4, кількість циклів повторення – 4, розмір – 93,1кБ]

Малюнок 2 наочно відображає роботу моделі.

На малюнку 2 зображено алгоритм основної програми. Розглянемо послідовність дій, яку він виконує. На початку задаються основні параметри системи: координати базових станцій, координати абонентів, робоча частота, частотний діапазон і ін. Далі для кожної базової станції визначається основна і переферійного зони, з використанням моделі SUI. Абоненти, що знаходяться в основних зонах, підключаються до відповідних базових станціях. Для користувачів, що знаходяться в периферійних зонах, виконується алгоритм вибору базової станції.

Алгоритм вибору базової станції включає в себе: розрахунок критерію вибору, визначення максимального критерію. Далі виконується перевірка, чи не переобтяжена базова станція.

У моделі максимальна пропускна здатність БС становить 40 Мбіт / с. Ця цифра відповідає пропускній здатності LTE-FDD (Frequency Division Duplex), при ширині каналу 20 Мгц. При навантаженні на базову станцію більше 40 Мбіт / с, швидкість з'єднання користувачів IPTV, інтернет знижується і при наступному проході алгоритму буде обрана інша менш завантажена станція.

Даний алгоритм буде виконуватися до тих пір поки всі базові станції будуть завантажені менш максимальної пропускної здатності.

Рисунок 2 – Алгоритм роботи моделі

6. Аналіз результатів моделювання

В результаті роботи алгоритму всі користувачі підключені до базових станцій з найкращими показниками якості та всі базові станції навантажені більш рівномірно.

У моделі порівняні два підходи, один стандартний, коли абоненти підключаються до БС залежно від співвідношення сигнал / шум, другий – запропонований. У моделі розраховано СКО навантаження базових станцій. При використанні запропонованого методу СКО знижується на 6%. Нижче на малюнку 3 представлені гістограми навантаження базових станцій по двох з методів.

На графіку по осі Х навантаження на базові станції в кбіт/с, по осі у кількість базових станцій із завантаженням, що потрапляє в один з 10 інтервалів. На гистограммах видно що завантаження базових станцій більш рівномірне при використанні функцій корисності. Дані гістограми демонструють отриманий ефект для операторe зв'язку. Так само не слід забувати, що функції корисності відображають рівень "задоволення" абонента, тобто при їх використанні гарантовано поліпшується якість послуг що надаються користувачам.

Надалі планується покращення показників роботи алгоритму і дослідження, моделювання інших алгоритмів для порівняння. Так само планується задавати траєкторію руху всіх абонентів, для оцінки роботи системи в даному режимі і підрахунку кількості хендоверів.

Рисунок 3 – Гістограма завантаженості базових станцій а) алгоритм з використанням функцій корисності б) без використання функцій корисності

Перелік посилань

1. Шабунин С.Н. Распространение радиоволн в мобильной связи: учебное пособие / Шабунин С.Н., Лесная Л.Л.. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2009. 103 с.

2. Rumney Moray. LTE and the Evolution to 4G Wireless: Design and Measurement Challenges. / Moray Runney. – Agilent Technologies. – 2008. – 557 p.

3. Дегтяренко И.В., Шахов Д.С., Кнерцер Д.А., Орехов А.А. Модель розвитку мережі мобільного оператора при використанні технології LTE/SON // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск: 20 (182). 130-136 с.

4. Кнерцер Д.А., Дегтяренко И.В. Розробка та дослідження моделі cегмента мережі, що самоорганізується, на базі технології LTE // Тези всеукраїнського конкурсу студентських наукових робіт з природничих, технічних та гуманітарних наук у 2010/2011 р.р. ("Телекомунікаційні системи та мережі", "Інформаційні мережі зв'язку"). – Одеса: ВМВ, 2011. – 24 с.

5. Бенавидес Э.Э., Дегтяренко И.В. Разработка модели балансирования нагрузки на базовые станции в сетях LTE // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Збірник наукових праць ХІII науково-технічної конференції аспірантів та студентів в м. Донецьку 14-17 травня 2013 р. – Донецьк, ДонНТУ, 2013. – 23-27 с.

6. SOCRATES [Електронний ресурс] Self-optimisation and self-configuration in wireless networks, European Research Project – режим доступу http://www.fp7-socrates.eu

7. Гришаева А., Алтухов Д., Дегтяренко И.В. Применение механизма фаззи-логики для распределения потоков трафика в гетерогенной мультиоператорской среде // Сборник тезисов ХIІ Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых» – Донецк, 2012. – 20-22 с.

8. Self Organizing Networks LTE [Електронний ресурс] – режим доступу http://www.sonlte.com/technology/

9. LteWorld [Електронний ресурс] – режим доступу http://lteworld.org/

10. 4G [Електронний ресурс] – режим доступу http://4g.co.ua/

Примітка

На момент написання автореферату (квітень 2013) робота не закінчена. Термін остаточного завершення – грудень 2013-го. Всі матеріали можуть бути отримані у автора або його начного керівника після вказаної дати.