Метод повышения производительности динамически изменяющихся мобильных сетей

Метод повышения производительности динамически изменяющихся мобильных сетей

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Принцип организации сотовой сети
• 4. Обзор используемого оборудования в беспроводной сети
• 5. Модель энергопотребления динамически изменяющейся беспроводной сети
• Заключение
• Список источников

Введение

Одной из самых прогрессирующих областей науки и техники являются сетевые технологии. Динамически изменяющиеся мобильные сети – это одно из наиболее развивающихся направлений этой области. С появлением большого количества беспроводных устройств, у пользователя появилась возможность свободно перемещаться по территории земного шара без потери связи с важными ему людьми. Такое преимущество поспособствовало росту популярности беспроводных сетей.

В сравнении с проводными сетями, беспроводные имеют ряд преимуществ:

• простота создания и расширения сети;

• мобильность;

• возможность одновременного подключения нескольких устройств.

Чем больше доступны беспроводные сети, тем выше число использующих их абонентов, что в свою очередь приводит к увеличению количества различных беспроводных сетей передачи данных, следовательно, растут помехи в каждой конкретной сети. Такая популярность и распространенность создает множество проблем, для решения которых необходимо использование новых методов передачи информации, более высокий уровень обслуживания абонентов. На сегодняшний день практически любая сеть радиосвязи – мобильная. Однако термин «мобильная связь» применяется в тех радиосистемах, в которых главное значение имеет местоположение абонента относительно аппаратуры и организации систем связи. Таким образом, теле– и радиовещание нельзя назвать мобильными системами связи, так как они не осуществляют поиск абонента, установление и поддержание канала связи с этим абонентом при его перемещении в области, которую обслуживает сеть.

На сегодняшний день практически любая сеть радиосвязи – мобильная. Однако термин «мобильная связь» применяется в тех радиосистемах, в которых главное значение имеет местоположение абонента относительно аппаратуры и их организации.

1. Актуальность темы

В настоящее время в мире наблюдается огромный рост мобильного трафика, который вызван эволюцией мобильных устройств и увеличением числа широкополосных услуг. Для обслуживания такого большого объема трафика, необходимо увеличить пропускную способность базовых станций. В связи с растущим спросом на высокое качество обслуживания абонентов, использующих мобильные сети, возникает 2 основных вопроса: распределение нагрузки на сеть, в зависимости от количества абонентов и стоимость необходимой сетевой инфраструктуры. Обе проблемы могут быть решены путем проектирования энергоэффективной мобильной сети: снижение энергопотребления сети приведет к снижению эксплуатационных затрат на инфраструктуру, а также приведет к улучшению качества связи во время разговора.

Магистерская диссертация посвящена актуальной научной задаче разработки метода повышения производительности мобильных сетей, направленного на уменьшение затрат на энергопотребление сети.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка метода повышения производительности условной динамически изменяющейся мобильной сети.

Основные задачи исследования:

1. Анализ основных параметров, характеризующих эффективность мобильных беспроводных сетей, и факторов от которых они зависят.
2. Разработка метода расчета показателей эффективности работы беспроводной сети с учетом реальных условий ее функционирования.
3. Моделирование алгоритма адаптации основных параметров сети.

Объект исследования: процесс управления качеством предоставляемых услуг мобильной связи.

Предмет исследования: метод перехода базовых станций в спящий режим, для уменьшение энергопотребления сети.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

1. Разработка метода расчета показателей эффективности работы беспроводной сети с учетом условий ее функционирования.
2. Моделирование алгоритма адаптации основных параметров сети.

Для экспериментальной оценки полученных теоретических результатов и формирования фундамента последующих исследований, в качестве практических результатов планируется разработка модели условной динамически изменяющейся беспроводной сети.

3. Принцип организации сотовой сети

Организация сотовой сети строится на использовании большого количества передатчиков с малой мощностью и небольшим радиусом действия. Территорию (зону), которую обслуживает система разбивают на ячейки. Каждой ячейке соответствует своя полоса частот. Чтобы избежать влияния перекрестных помех смежным ячейкам выделяются разные частоты. Однако, ячейки, расположенные на большом расстоянии друг от друга, могут использовать одинаковые полосы частот.

Чем выше число мобильных абонентов в сети, тем выше нагрузка как на каждую базовую станцию сети, так и на саму сеть. В связи с этим необходимо увеличивать пропускную способность. Следовательно, увеличивается число точек доступа. Это приводит к тому, что появляются сети с большей пропускной способностью – высокоплотные. Пользователи таких сетей редко оказываются вне зоны действия. При этом возникает проблема присвоения каждой базовой станции уникальной рабочей частоты. Она решается путем повторного использования частот (рис. 1).

Пропускная способность сети зависит от:

• количества частотных каналов базовой станции;

• пропускной способности канала связи;

• коэффициента повторного использования частот.

Из этого можно сделать вывод, что для повышения пропускной способности необходимо увеличить коэффициент повторного использования частот и определить достаточное число частотных каналов связи.

Канальная емкость базовой станции (число частотных каналов) является одним из основных параметров, подлежащих определению в процессе проектирования сети, и зависит от:

• наиболее вероятного числа мобильных абонентов, способных создавать на нее соответствующую нагрузку;

• их распределения в сети или зоне обслуживания базовой станции;

• вероятности отказа в установлении соединения с первой попытки;

• удельной нагрузки от абонентов;

• рельефа местности.

Помимо пропускной способности сеть характеризуется ее емкостью. Емкость сети - это величина, характеризующаяся нагрузкой на площадь сети в выделенной полосе частот. Чем выше емкость сети, тем больший трафик, т.е. большее количество абонентов, можно обслужить, не увеличивая полосы частот системы. Для каждого типа сети имеется предельная величина емкости, выше которой реализовать емкость сети не удастся. Эта предельная емкость связана с максимальной величиной плотности трафика, которую данная сеть в состоянии обслуживать с заданным качеством передачи информации. При заданной пропускной способности базовых станций, чем выше плотность трафика, тем меньше должен быть размер ячейки и, следовательно, тем меньше оказывается расстояния между ячейками с одинаковым набором частотных каналов. В результате, при некоторой плотности трафика эти расстояния и, соответственно, общие потери распространения между антеннами ячеек, использующих одинаковые частоты, оказываются настолько малыми, что приводят к нестабильной работе сети. Существуют различные методы повышения эффективности работы сети и ее пропускной способности, однако они направлены на корректировку какого-то одного параметра. Среда же, в которой существуют мобильные беспроводные сети, постоянно изменяющаяся, динамическая, и проблемы, которые она порождает, невозможно решить корректировкой какого-то одного параметра. Для определения уровня взаимных помех (помех от мобильных абонентов) используется метод эквивалентного генератора, который позволяет связать мощность помехи от мобильных абонентов с такими параметрами как: распределение абонентов в зоне обслуживания базовой станции или сети; расстояние между центрами базовых станций, использующих одинаковые частоты; радиусом зоны обслуживания базовой станции и т.д. Для эффективной работы сети необходим тщательный подход к ее проектированию и оптимизации. Только таким образом можно организовать работу различных компонентов сетей, одновременно функционирующих в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством, не создавая недопустимых помех друг другу.

4. Обзор используемого оборудования в беспроводной сети

В случае сотовых сетей самым энергопотребляемым оборудованием является базовая станция, потребление которой колеблется от 0,5 кВт до 2 кВт мощности [1, 2], включая усилители мощности, цифровые сигнальные процессоры и т.п. Все вместе базовые станции составляют около 80% от общего энергопотребления сотовой сети [3].

Сотовые базовые станции (БС) имеют определенные размеры. К ним относятся фемтосоты, пикосоты, микросоты и макросоты.

Фемто- и пикосоты используются в бытовых и корпоративных целях. К обслуживанию абонентов в условиях города они не предназначены.

Следующие по величине: микро- и макросоты. Микросота – функциональная станция сотовой связи, радиус действия которой составляет до 5 км. Используются такие БС в основном в селах или пригородах, где нет необходимости в большой мощности. Макросота – это большая базовая станция для обслуживания плотно населенной местности. Макросоты очень сложны и дороги в развертывании и эксплуатации, особенно в городских условиях. Следовательно, можно воспользоваться наиболее распространенным вариантом развертывания сети – гетерогенной сетью. Это сеть в которой микро- и пикосоты (также называемые малыми сотами), накладываются на макро-соты. Такая сеть показана на рис.2. Сетевые развертывания рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить емкость, достаточную для обработки поступающего трафика, и было замечено, что из-за этой размерности сетевое оборудование тратит большую часть своего времени (и, следовательно, большую часть своей энергии) на включение с очень низкой или даже нулевой нагрузкой трафика [4]. Следовательно, перспективным решением является динамический перевод некоторых элементов сети в спящий режим в периоды низкой нагрузки.

Таким образом, сеть будет работать с минимальным подмножеством сетевых элементов, достаточным для качественного обслуживания абонентов в данный момент времени, в то время как остальная часть сетевого оборудования находится в состоянии низкого энергопотребления (называемом спящим режимом) или даже выключена.

Для того, чтобы осуществить переход в спящий режим рассмотрим модель энергопотребления.

5. Модель энергопотребления динамически изменяющейся беспроводной сети

Предположим, что в рассматриваемой области все базовые станции имеют одинаковое энергопотребление.

Пусть W_S - энергопотребление в спящем режиме для каждой БС. В том случае, когда на базовую станцию поступает нагрузка f(t), потребляемая мощность станции может быть выражена как:

(1)

где, W₀ - мощность, необходимая для «активации» БС;

W_T - мощность, необходимая для обработки одной единицы трафика;

t ∈ [0;T], T = 24h, t = 0 - час наибольшей нагрузки;

f(t)- функция, описывающая нагрузку в час наибольшей нагрузки, следовательно.

В выражении (1) должно выполняться условие, при котором сумма всех трех компонентов мощности равна 1.

Очевидно, что значения W_S , W₀ и W_T   зависят от технологии и модели БС, но обычно доминирует компонент W₀  [2]. Как правило, чем выше потребляемая мощность в состоянии S, тем короче время активации БС.

Таким образом, значения будут зависеть от политики, которую оператор захочет принять, основываясь на времени активации или деактивации станций.

Здесь в расчетах будут использоваться низкие значения W_S, из-за перехода станции в состояние S всего несколько раз в день.

Следовательно, время активации или деактивации, даже если оно велико в абсолютном выражении (например, десятки секунд или даже несколько минут), может считаться незначительным по отношению к длительным интервалам времени сна.

Энергию, потребляемую в сутки БС в сотовой сети, в которой все БС остаются всегда включенными, можно определить из выражения:

(2)

Рассмотрим сеть, в которой в момент времени τ применяется маломощная конфигурация φ. В этом случае БС имеют различное ежедневное потребление, в зависимости от того, всегда ли они включены или переходят в спящий режим при низкой нагрузке. Энергия, потребляемая в течение дня базовой станцией, которая переходит в спящий режим в соответствии с конфигурацией φ, составляет:

(3)

т.к., от 0 до τ и от T − τ до T - БС включена, в то время как в остальной части дня БС находится в состоянии сна.

На практике данную модель можно представить, как показано на рис. 3.

Показанная сеть является условной. В данной сети находится 6 случайно расположенных базовых станций. Все они выключены, то есть находятся в спящем режиме. Как только в зоне покрытия БС3 появляется смартфон - БС3 переходит из спящего режима в активный. Таким же образом включаются все остальные базовые станции при появлении новых пользователей.

Заключение

В процессе выполнения магистерской диссертации на тему «Метод повышения производительности динамически изменяющихся мобильных сетей» были установлены актуальность работы, ее цель и задачи, которые необходимо выполнить для повышения эффективности работы беспроводной сети.

Магистерская диссертация посвящена актуальной научной задаче повышения работоспособности динамически изменяющихся беспроводных сетей. В рамках проведенных исследований выполнено:

1. Проведен анализ основных параметров, характеризующих эффективность мобильных беспроводных сетей, и факторов от которых они зависят.
2. Определено используемое оборудование беспроводной сети.
3. Рассмотрена модель энергопотребления динамически изменяющейся мобильной сети.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

1. Анализ модели спящего режима базовой станции.
2. Определение параметров сети, которые влияют на работу базовых станций.
3. Моделирование условной динамически изменяющейся сети на базе программного обеспечения OMNET++.

При написании данного реферата магистерская диссертация еще не завершена. Окончательное завершение: май 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. O. Arnold, F. Richter, G. Fettweis, and O. Blume, Power consumption modeling of different base station types in heterogeneous cellular networks, in Proc. of 19th Future Network and MobileSummit, 2010.
2. J. Lorincz, T. Garma, G. Petrovic, Measurements and Modelling of Base Station Power Consumption under Real Traffic Loads, Sensors, Vol. 12, pp. 4281 – 4310.
3. J.T. Louhi, Energy efficiency of modern cellular base stations, INTELEC 2007, Rome, Italy, September – October 2007.
4. B.K.K. Son, “Speed balance: Speed-scaling-aware optimal load balancing for green cellular networks,” in Proc. of IEEE Infocom miniconference 2012, Orlando, US, March. 2012.
5. Миронов, Ю.Б. Адаптивные методы повышения производительности мобильных беспроводных сетей [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.12.13) / Миронов Юрий Борисович; – Москва, 2011. – 20 с.
6. Бен Мецлер, Лоун Дж. Уэбб, Джинг Жу. «Применение адаптивного коллективного доступа с контролем несущей для повышения пропускной способности высокоплотных беспроводных локальных сетей», Technology at intel, октябрь 2006.
7. Быховский, М.А. «Метод повышения эффективности использования спектра в сотовых сетях подвижной связи», – Мобильные системы, – март 2006.
8. Быховский, М.А. «Об одной возможности повышения пропускной способности широкополосных систем связи», – Мобильные системы, – май 2006.
9. Парнес, М. «Адаптивные антенны для систем связи WiMax», –  Компоненты и технологии, апрель 2007.
10. Дайлан Ларсон, Рави Мерти, Эмили Ци. «Адаптивный подход к оптимизации производительности беспроводных сетей» Technology at intel, март 2004.
11. Принципы организации сотовой сети мобильной связи [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://afu.com.ua/gsm/obshchie-polozheniya