Коньок Олександра Юріївна

Метод підвищення продуктивності мобільних мереж, що динамічно змінюються

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження
• 3. Принцип організації сотової мережі
• 4. Огляд використовуваного обладнання для бездротової мережі
• 5. Модель енергоспоживання бездротової мережі, що динамічно змінюється
• Висновок
• Список джерел

Вступ

Однією з найбільш прогресуючих галузей науки і техніки є мережеві технології. Динамічно змінюються мобільні мережі – це одне з найбільш розвиваються напрямків цієї області. З появою великої кількості бездротових пристроїв, у користувача з'явилася можливість вільно переміщатися по території Земної кулі без втрати зв'язку з важливими йому людьми. Така перевага посприяла зростанню популярності бездротових мереж.

У порівнянні з дротовими мережами, бездротові мають ряд переваг:

• простота створення і розширення мережі;

• мобільність;

• можливість одночасного підключення декількох пристроїв.

Чим більше доступні бездротові мережі, тим вище число використовують їх абонентів, що в свою чергу призводить до збільшення кількості різних бездротових мереж передачі даних, отже, ростуть перешкоди в кожній конкретній мережі. Така популярність і поширеність створює безліч проблем, для вирішення яких необхідне використання нових методів передачі інформації, більш високий рівень обслуговування абонентів. На сьогоднішній день практично будь-яка мережа радіозв'язку – мобільна. Однак термін мобільний зв'язок застосовується в тих радіосистемах, в яких головне значення має місце розташування абонента щодо апаратури та організації систем зв'язку. Таким чином, теле– і радіомовлення не можна назвати мобільними системами зв'язку, так як вони не здійснюють пошук абонента, встановлення та підтримання каналу зв'язку з цим абонентом при його переміщенні в області, яку обслуговує мережа.

На сьогоднішній день практично будь-яка мережа радіозв'язку – мобільна. Однак термін мобільний зв'язок застосовується в тих радіосистемах, в яких головне значення має місце розташування абонента щодо апаратури та їх організації.

1. Актуальність теми

В даний час в світі спостерігається величезне зростання мобільного трафіку, який викликаний еволюцією мобільних пристроїв і збільшенням числа широкосмугових послуг. Для обслуговування такого великого обсягу трафіку, необхідно збільшити пропускну здатність базових станцій. У зв'язку зі зростаючим попитом на високу якість обслуговування абонентів, що використовують мобільні мережі, виникає 2 основних питання: розподіл навантаження на мережу, в залежності від кількості абонентів і вартість необхідної мережевої інфраструктури. Обидві проблеми можуть бути вирішені шляхом проектування енергоефективної мобільної мережі: зниження енергоспоживання мережі призведе до зниження експлуатаційних витрат на інфраструктуру, а також призведе до поліпшення якості зв'язку під час розмови.

Магістерська дисертація присвячена актуальному науковому завданню розробки методу підвищення продуктивності мобільних мереж, спрямованого на зменшення витрат на енергоспоживання мережі.

2. Мета і завдання дослідження, планируемые результаты

Метою дослідження є розробка методу підвищення продуктивності умовної мобільної мережі, що динамічно змінюється.

Основні завдання дослідження:

1. Аналіз основних параметрів, що характеризують ефективність мобільних бездротових мереж, і факторів від яких вони залежать.
2. Розробка методу розрахунку показників ефективності роботи бездротової мережі з урахуванням реальних умов її функціонування.
3. Моделювання алгоритму адаптації основних параметрів мережі.

Об'єкт дослідження: процес управління якістю надаваних послуг мобільного зв'язку.

Предмет дослідження: метод переходу базових станцій в сплячий режим, для зменшення енергоспоживання мережі.

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

1. Розробка методу розрахунку показників ефективності роботи бездротової мережі з урахуванням умов її функціонування.
2. Моделювання алгоритму адаптації основних параметрів мережі.

Для експериментальної оцінки отриманих теоретичних результатів і формування фундаменту подальших досліджень, в якості практичних результатів планується розробка моделі умовної динамічно змінюється бездротової мережі.

3. Принцип організації сотової мережі

Організація стільникової мережі будується на використанні великої кількості передавачів з малою потужністю і невеликим радіусом дії. Територію (зону), яку обслуговує система розбивають на осередки. Кожній комірці відповідає своя смуга частот. Щоб уникнути впливу перехресних перешкод суміжним осередкам виділяються різні частоти. Однак, осередки, розташовані на великій відстані один від одного, можуть використовувати однакові смуги частот.

Чим вище число мобільних абонентів в мережі, тим вище навантаження як на кожну базову станцію мережі, так і на саму мережу. У зв'язку з цим необхідно збільшувати пропускну здатність. Отже, збільшується число точок доступу. Це призводить до того, що з'являються мережі з більшою пропускною здатністю – високощільні. Користувачі таких мереж рідко виявляються поза зоною дії. При цьому виникає проблема присвоєння кожної базової станції унікальної робочої частоти. Вона вирішується шляхом повторного використання частот (мал. 1).

Пропускна здатність мережі залежить від:

• кількості частотних каналів базової станції;

• пропускної здатності каналу зв'язку;

• коефіцієнта повторного використання частот.

З цього можна зробити висновок, що для підвищення пропускної здатності необхідно збільшити коефіцієнт повторного використання частот і визначити достатню кількість частотних каналів зв'язку.

Канальна ємність базової станції (число частотних каналів) є одним з основних параметрів, що підлягають визначенню в процесі проектування мережі, і залежить від:

• найбільш ймовірного числа мобільних абонентів, здатних створювати на неї відповідне навантаження;

• їх розподілу в мережі або зоні обслуговування базової станції;

• ймовірності відмови у встановленні з'єднання з першої спроби;

• питомого навантаження від абонентів;

• рельєфу місцевості.

Крім пропускної здатності мережа характеризується її ємністю. Ємність мережі – це величина, що характеризується навантаженням на площа мережі у виділеній смузі частот. Чим вище ємність мережі, тим більший трафік, тобто більшу кількість абонентів, можна обслужити, не збільшуючи смуги частот системи. Для кожного типу мережі є гранична величина ємності, вище якої реалізувати ємність мережі не вдасться. Ця гранична ємність пов'язана з максимальною величиною щільності трафіку, яку дана мережа в змозі обслуговувати із заданою якістю передачі інформації. При заданій пропускній здатності базових станцій, чим вище щільність трафіку, тим менше повинен бути Розмір осередку і, отже, тим менше виявляється відстані між осередками з однаковим набором частотних каналів. В результаті, при деякій щільності трафіку ці відстані і, відповідно, загальні втрати поширення між антенами осередків, використовують однакові частоти, виявляються настільки малими, що призводять до нестабільної роботи мережі. Існують різні методи підвищення ефективності роботи мережі та її пропускної здатності, однак вони спрямовані на коригування якогось одного параметра. Середа ж, в якій існують мобільні бездротові мережі, постійно змінюється, динамічна, і проблеми, які вона породжує, неможливо вирішити коригуванням якогось одного параметра. Для визначення рівня взаємних перешкод (перешкод від мобільних абонентів) використовується метод еквівалентного генератора, який дозволяє зв'язати потужність перешкоди від мобільних абонентів з такими параметрами як: розподіл абонентів у зоні обслуговування базової станції або мережі; відстань між центрами базових станцій, що використовують однакові частоти; радіусом зони обслуговування базової станції і т. д. Для ефективної роботи мережі необхідний ретельний підхід до її проектування та оптимізації. Тільки таким чином можна організувати роботу різних компонентів мереж, одночасно функціонують в реальних умовах експлуатації з необхідною якістю, не створюючи неприпустимих перешкод один одному.

4. Огляд використовуваного обладнання в бездротової мережі

У разі стільникових мереж самим енергоспоживаючим обладнанням є базова станція, споживання якої коливається від 0,5 кВт до 2 кВт потужності [1, 2], включаючи підсилювачі потужності, цифрові сигнальні процесори і т. п. Всі разом базові станції складають близько 80% від загального енергоспоживання стільникової мережі [3].

Стільникові базові станції (БС) мають певні розміри. До них відносяться фемтосоти, пікосоти, мікросоти і макросоти.

Фемто- і пікосоти використовуються в побутових і корпоративних цілях. До обслуговування абонентів в умовах міста вони не призначені.

Наступні за величиною: мікро- і макросоти. Мікросота – функціональна станція стільникового зв'язку, радіус дії якої становить до 5 км. Використовуються такі БС в основному в селах або передмістях, де немає необхідності у великій потужності. Макросота – це велика базова станція для обслуговування щільно населеної місцевості. Макросоти дуже складні і дорогі в розгортанні і експлуатації, особливо в міських умовах. Отже, можна скористатися найбільш поширеним варіантом розгортання мережі-гетерогенною мережею. Це мережа в якій мікро- і пікосоти (також звані малими сотами), накладаються на макро-соти. Така мережа показана на мал.2. Мережеві розгортання розраховані таким чином, щоб забезпечити ємність, достатню для обробки трафіку, і було помічено, що через цю розмірності мережеве обладнання витрачає більшу частину свого часу (і, отже, більшу частину своєї енергії) на включення з дуже низьким або навіть нульовим навантаженням трафіку [4]. Отож, перспективним рішенням є динамічний переклад деяких елементів мережі в сплячий режим в періоди низького навантаження.

Таким чином, мережа буде працювати з мінімальним підмножиною мережевих елементів, достатнім для якісного обслуговування абонентів в даний момент часу, в той час як інша частина мережевого обладнання знаходиться в стані низького енергоспоживання (званому сплячим режимом) або навіть вимкнена.

Для того, щоб здійснити перехід в сплячий режим розглянемо модель енергоспоживання.

5. Модель енергоспоживання бездротової мережі, що динамічно змінюється

Припустимо, що в даній області всі базові станції мають однакове енергоспоживання.

Нехай W_S – енергоспоживання в сплячому режимі для кожної БС. В тому випадку, коли на базову станцію надходить навантаження f(t), споживана потужність станції може бути виражена як:

(1)

де, W₀ – потужність, необхідна для активації БС;

W_T – потужність, необхідна для обробки однієї одиниці трафіку;

t ∈ [0;T], T = 24h, t = 0 – година найбільшого навантаження;

f(t) – функція, що описує навантаження в годину найбільшого навантаження, отже

У виразі (1) має виконуватися умова, при якому сума всіх трьох компонентів потужності дорівнює 1.

Очевидно, що значенняW_S , W₀ и W_T   залежать від технології і моделі БС, але зазвичай домінує компонент W₀  [2]. Як правило, чим вище споживана потужність в стані S, тим коротше час активації БС.

Таким чином, значення будуть залежати від політики, яку оператор захоче прийняти, грунтуючись на часі активації або деактивації станцій.

Тут в розрахунках будуть використовуватися низькі значення W_S, через перехід станції в стан S всього кілька разів на день.

Отже, час активації або деактивації, навіть якщо воно велике в абсолютному вираженні (наприклад, десятки секунд або навіть кілька хвилин), може вважатися незначним по відношенню до тривалих інтервалів часу сну.

Енергію, споживану в добу БС в стільниковій мережі, в якій все БС залишаються завжди включеними, можна визначити з виразу:

(2)

Розглянемо мережу, в якій в момент часуτ застосовується малопотужна конфігураціяφ . У цьому випадку БС мають різне щоденне споживання, в залежності від того, чи завжди вони включені або переходять в сплячий режим при низькому навантаженні. Енергія, споживана протягом дня базовою станцією, яка переходить у сплячий режим відповідно до конфігурації φ, становить:

(3)

т.к., від 0 до τ і від T − τ до T – БС включена, в той час як в іншій частині дня БС знаходиться в стані сну.

На практиці дану модель можна уявити, як показано на мал. 3.

Показана мережа є умовною. У даній мережі знаходиться 6 випадково розташованих базових станцій. Всі вони вимкнені, тобто знаходяться в сплячому режимі. Як тільки в зоні покриття БС3 з'являється смартфон – БС3 переходить із сплячого режиму в активний. Таким же чином вмикаються всі інші базові станції при появі нових користувачів.

Висновок

У процесі виконання магістерської дисертації на тему Метод підвищення продуктивності динамічно мінливих мобільних мереж були встановлені актуальність роботи, її мета і завдання, які необхідно виконати для підвищення ефективності роботи бездротової мережі.

Магістерська дисертація присвячена актуальному науковому завданню підвищення працездатності бездротових мереж, що динамічно змінюються. В рамках проведених досліджень виконано:

1. Проведено аналіз основних параметрів, що характеризують ефективність мобільних бездротових мереж, і факторів від яких вони залежать.
2. Визначено використовуване обладнання бездротової мережі.
3. Розглянуто модель енергоспоживання мобільної мережі, що динамічно змінюється.

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

1. Аналіз моделі сплячого режиму базової станції.
2. Визначення параметрів мережі, які впливають на роботу базових станцій.
3. Моделювання умовної динамічної мережі що змінюється на базі програмного забезпечення OMNET++.

При написанні даного реферату Магістерська дисертація ще не завершена. Остаточне завершення: Травень 2021 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

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