Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Вследствие случайного распределения абонентов и экспоненциально растущему спросу на услуги беспроводной передачи данных мобильные сети сталкиваются с проблемами, которые вызваны неравномерным распределением нагрузки .Рис. 1.1 демонстрирует сценарий неравномерного распределения нагрузки.
Структура и объем работы. Магистерская диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, которые изложены на 101 странице текста, иллюстрированного 53 рисунками. Работа содержит 5 таблиц, 1 приложение и список использованной литературы из 21 источника.
Рис. 1.1–Сценарий неравномерного распределения нагрузки.
Как показано на Рис. 1.1, БС 1 (ячейка 1) находится в окружении шести соседних ячеек. Обычно операторы определяют зону действия БС и предварительно распределяют спектральные ресурсы, основываясь на обычной их загрузке, которая оценивается на основе плотности населения. Тем не менее, во время социальных событий (музыкальный концерт, митинг, футбольный матч) тысячи пользователей собираются на небольшой территории, например ячейка 1 Рис. 1.1. Трафик, сгенерированный этими пользователями, часто превышает пропускную способность С 1. Таким образом ячейка 1 становится чрезмерно загруженной, в то время, когда нагрузка, созданная пользователями в соседних ячейках, является незначительной. Это один из примеров, когда сети мобильной связи подвергаются неравномерному распределению нагрузки.
Как показано на Рис. 1.1, БС 1 (ячейка 1) находится в окружении шести соседних ячеек. Обычно операторы определяют зону действия БС и предварительно распределяют спектральные ресурсы, основываясь на обычной их загрузке, которая оценивается на основе плотности населения. Тем не менее, во время социальных событий (музыкальный концерт, митинг, футбольный матч) тысячи пользователей собираются на небольшой территории, например ячейка 1 Рис. 1.1. Трафик, сгенерированный этими пользователями, часто превышает пропускную способность С 1. Таким образом ячейка 1 становится чрезмерно загруженной, в то время, когда нагрузка, созданная пользователями в соседних ячейках, является незначительной. Это один из примеров, когда сети мобильной связи подвергаются неравномерному распределению нагрузки.
Влияние неравномерного распределения нагрузки отражается в различных аспектах. Чрезмерно загруженная ячейка, например, в данном случае ячейка1, может отвергать запросы доступа вызовов новых пользователей, может не обеспечить обслуживание пользователей с необходимым QoS [28]. А спектр соседних ячеек, таких как ячейка 4 ячейка 5, недостаточно используется.
Баланс нагрузки-это одна из функций управления радиоресурсами. Баланс нагрузки может уменьшить негативное влияние неравномерного распределения нагрузки и улучшить производительность сети. Общепринятыми показателями эффективности для оценки схемы баланса нагрузки являются:
Общий процесс баланса нагрузки включает в себя три этапа. Сетевой контроллер, например, мобильный коммутационный центр в сетях 2G, идентифицирует ячейку с перегрузкой (горячая ячейка), в соответствии с условиями ее загруженности. Затем горячая ячейка выбирает менее загруженные соседние ячейки в качестве своих партнеров. После выбора партнера перегруженная ячейка принимает конкретную схему баланса нагрузки, чтобы разделить загрузку с партнерами, например, перераспределение свободных каналов от партнеров или перемещение нагрузки к своим партнерам, создаваемое пользователями на краю ячейки. На Рис. 1.2 приведен пример неравномерного распределения нагрузки.
Рис. 1.2–пример неравномерного распределения нагрузки между ячейками: а) распределение терминалов; б) загруженность ячеек
Рассмотрим этапы общего процесса баланса нагрузки.
1) Оценка загрузки. Оценка нагрузки является важным шагом для схем баланса нагрузки. Загрузка ячейки сформулирована как [3gpp10b]:
Количество задействованных несущих частот в ячейке.
L = _______________________________________________ (1.1)
Общее количество несущих частот в ячейке
Согласно (1.1) нагрузка ячейки находится в диапазоне от 0% до 100% (0% < L < 100%). Нагрузка любой ячейки можно здесь разделена на разные уровни:
* Легкая нагрузка: в ячейке используется небольшое количество несущих частот, а именно, L < LHL.
Обратите внимание, что уравнение (1.1) является примером расчета нагрузки ячейки [16]. Формула для расчета загрузки ячейки базируется на конкретной технологии множественного доступа и схеме баланса нагрузки. Кроме того, различные схемы баланса могут иметь разные методы или значения порога для определения уровня загрузки ячейки.
Баланс нагрузки может быть запущена, когда нагрузка ячейки равна или выше, чем порог lhl чрезмерной загрузки. В этом случае ячейка с нагрузкой выше LHL определяется как горячая ячейка. Например, на Рис. 1.2, ячейка 1-это горячая ячейка, уровень загрузки которой запускает балансировку нагрузки.
2) Выбор партнера. Второй шаг баланса нагрузки ячейки 1 заключается в выборе одной или нескольких соседних ячеек (например, ячейка 2 ячейка 3 ... ячейка 7 на Рис. 1.2) как партнеров. Если ячейка 1 выбирает приемлемое по уровню загрузки соседнюю ячейку как своего партнера, то она может стать чрезмерно загруженной после баланса нагрузки, что повлечет за собой высокую вероятность блокировки вызовов. У многих обычных схемах баланса нагрузки, таких как [39] [34] [29] [26] [38], этот шаг основывается на нагрузке соседней ячейки.
3) перераспределение каналов или перемещение нагрузки. После выбора партнера/ов горячая ячейка выполняет специальную схему баланса, чтобы разделить нагрузку с выбранными партнерами. В общем, обычные схемы баланса нагрузки можно разделить на две категории: схемы перераспределения каналов (Рис. 1.3) и схемы перемещения нагрузки (Рис. 1.4).
Основная идея схемы перераспределения каналов заключается в том, что горячая ячейка заимствует часть свободного спектра от соседних ячеек. Схемы перераспределения каналов подходят для мобильных сетей с коэффициентом повторного использования частоты больше (FRF) 1, где соседние ячейки используют различный спектр частот.
Как показано на Рис. 1.4 (а), ячейка 1, 4 и 5 для обслуживания пользователей используют спектр, который не перекрывается. Когда ячейка 1 загружается чрезмерно, она может занимать свободные частотные ресурсы из ячеек 4 и 5. Вследствие этого ячейка 1 может обслуживать больше новых вызовов от пользователей и обеспечить лучшее качество обслуживания
Рис. 1.3–Баланс нагрузки на базе перераспределения каналов
Рис. 1.4–Баланс нагрузки на основании перемещения нагрузки
Мобильные сети с FRF> 1 могут эффективно уменьшать межзвездные взаимные влияния. Тем не менее, эти сети имеют меньшую общую спектральную эффективность, чем сети, использующие полное повторное использование частот (FRF = 1), то есть различные ячейки используют перекрывающийся спектр [31]. В этом типе сетей, баланс нагрузки базируется на перемещение нагрузки: горячая ячейка перемещает краевых пользователей в соседних ячеек с помощью хендоверу (пользователь определяется краевым, то есть на границе между ячейками, если разность средних значений принятых пилотных сигналов (RSRP) от соседних ячеек меньше, чем пороговое значение, например, 3 дБ [21] [32]). На Рис. 1.4 (б) показана сеть с FRF = 1, ячейка 1, 4 и 5 используют одинаковую полосу пропускания спектра.
Когда ячейка 1 становится чрезмерно загруженной, происходит перемещение некоторых предельных пользователей на обслуживание в ячейки 4 и 5. Это позволяет уменьшить количество пользователей, которые обслуживаются ячейке 1, а освободившийся спектр использовать для оказания услуг связи пользователям за новыми запросами.
В течение последних двух десятилетий баланс нагрузки была исследована как в академической, так и в промышленных сферах. Каждая схема баланса нагрузки связана с конкретной технологией множественного доступа и технологией повторного использования частот в сетях мобильной связи. На Рис. 1.5 показаны широко используемые схемы баланса нагрузки от 2G до мобильных сетей LTE / LTE-Advanced.
Рис. 1.5–Типовые схемы баланса нагрузок в мобильных сетях разных поколений
На Рис. 1.6 показаны две технологии множественного доступа, используемые в глобальных сетях мобильной связи (GSM). В режиме множественного доступа с частотным разделением (FDMA) сигналы для разных пользователей передаются в разных диапазонах частот одновременно. В режиме множественного доступа Time Division (TDMA) сигналы для разных пользователей передаются в той же полосе частот в разное время [19].
Рис. 1.6–Множественный доступ с частотным (FDMA) и временным (TDMA) распределением каналов [19]
GSM сети одновременно используют FDMA и TDMA. В FDMA оператор распределяет весь спектр на несколько несущих частот, и каждая носящая имеет уникальную частоту. В TDMA каждая несущая разделена на восемь временных интервалов. Поэтому пользователи передают свои сигналы в разные временные интервалы разных несущих.
Если соседние ячейки назначают своим пользователям одинаковый временной интервал на одинаковых несущих, то эти пользователи испытывают существенных спільноканальних интерференционных помех. Для того, чтобы решить эту проблему, операторы сетей GSM используют технологию повторного использования частоты для разделения несущих каналов в соседних ячейках. На Рис. 1.7 показана типичная 7-элементная технология повторного использования частоты (FRF = 7). Сеть мобильной связи состоит из трех кластеров, в каждом кластере – 7 ячеек. Все несущие делятся на 7 групп, группа A, B, C, D, E, F, G, соответственно. В кластере каждой ячейке предварительно выделяют одну соответствующую группу нусучих частот. Для того, чтобы уменьшить общеканальные воздействия, группа частот может быть повторно использована в ячейках соседних кластеров, если расстояние превышает минимальное расстояние повторного использования частоты (minimum frequency reuse distance).
Заимствование каналов является популярным методом баланса нагрузки в сетях GSM [20]. Основная идея заключается в том, что горячей ячейка "одалживает" несущие из внутрикластерных соседних ячеек. Например, на Рис. 1.7 предполагается, что Cell1 - это ячейка с чрезмерной загрузкой и использует все несущие в группе A, тогда как Cell6 и Cell7 загружены слегка. Затем Cell1 заимствует часть свободных частот из соседних внутрикластерных ячеек, включая свободные частоты в группе F из Cell6, и свободные несущие в группе G из Cell7.
Существует три типичные схемы перераспределения каналов для GSM
Простая схема заимствований (SB-Simple borrowing scheme): горячая ячейка использует свободную несущую из соседних внутрикластерных ячеек, и используется механизм блокировки канала [39].
Рис. 1.7–Повторное использование частот в GSM
Механизм блокировки канала направлен на уменьшение общеканальной интерференции, возникающих вследствие "заимствования" частотнтх каналов. Итак, когда горячая ячейка занимает несущую, ячейки соседних кластеров в пределах минимального расстояния повторного использования частот не могут использовать эту несущую [35]. Например, на Рис. 1.7, если Cell1 "одалживает" частоту (в группе F) от Cell6, Cell13 и Cell20 из соседних кластеров не могут использовать эту несущую (в группе F). Это объясняется тем, что расстояние от Cell1-to-Cell13 и Cell1-to-Cell20 меньше минимальное расстояние повторного использования частоты.
Множественный доступ. Стандарты 3G (UMTS, cdma2000) используют технологию широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), как показано на Рис. 1.8. В ячейке пользователи одновременно передают сигналы в той же полосе частот. Поэтому сигнал пользователя действует как помеха в канале связи для других пользователей. Балансировка нагрузки может улучшить производительность CDMA-сетей за счет уменьшения количества пользователей в чрезмерно загруженной ячейке, тем самым уменьшая внутрішньокоміркові помехи.
В сетях 3G CDMA все ячейки используют один и тот же спектр, что оставляет мало места для перераспределения каналов. Соответственно, балансировка нагрузки имеет другой подход: загруженная ячейка передает часть нагрузки в менее загруженные соседние ячейки [30, 35, 37, 49]. Рассмотрим два основных типа балансировки нагрузки в сетях CDMA, включая схему балансировки нагрузки на основе мощности и схему географическое балансировки нагрузки.
Рис. 1.8–Множественный доступ CDMA
Баланс нагрузки на основе контроля мощности. Рис. 1.9 иллюстрирует основную идею схемы баланса нагрузки на основе мощности в сетях WCDMA.
Рис. 1.9–Баланс нагрузки на основе контроля мощности
Загружена BS1 уменьшает мощность передачи в канале или отклоняет запросы пользователей на увеличение мощности передачи [WZ05]. В результате часть пользователей будет перемещена в менее загруженную BS2. Уменьшено количество пользователей в Cell1 приведет к улучшению отношения сигнал/шум для Cell1.
Географический баланс нагрузки (GLB – Geographic Load Balancing) исследована в [30] [37]. Предварительным условием GLB является то, что каждый БС оснащен смарт-антеннами. Смарт-антенны использует смарт-алгоритмы обработки сигналов для определения направления назначения сигнала, а затем динамически отслеживают целевого пользователя формированием диаграммы направленности антенны [37].
Контроллер сети радиосвязи (RNC – radio network controller) собирает информацию о местоположении пользователей, чтобы узнать о переменном во времени распределении нагрузки в сетях мобильной связи. Тогда, RNC использует сложные вычисления, такие как генетический алгоритм, для оптимизации покрытия каждой ячейки и настраивает шаблон умных антенн. Таким образом, GLB разумно изменяет покрытие мобильной связи по географическому распределению нагрузки.
По сравнению со схемой баланса нагрузки на основе контроля мощности, GLB может более точно настраивать покрытия ячейки. Это объясняется тем, что сложные вычисления позволяют точно регулировать шаблон антенны, тем самым обеспечивая хорошее распределение нагрузки между ячейками. Ограничение GLB заключается в том, что БС должны быть оборудованы умными антеннами, которые являются более дорогими, чем обычные секторные антенны.
По сравнению с сетями 3G, сеть 4G (3GPP LTE/LTE-Advanced сети), обеспечивает более высокие требования к скорости передачи данных для сервисов. Благодаря высокой эффективности использования спектра для мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) сети LTE/LTE-Advanced использует множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) как технологию множественного доступа.
Основной идеей системы OFDM является использование узких взаимно ортогональных поднесущих для передачи данных. Как показано на Рис. 1.10 (рис. 4.4 в [22]), OFDM распределяет поток данных с высокой скоростью на несколько параллельных потоков данных с низкой скоростью. Каждый низкоскоростной поток данных передается на отдельные поднесущие. В момент отбора одиночной под несущей, другие под несущие имеют нулевое значение. Поэтому поднесущие являются ортогональными.
Рис. 1.10–Поднесущие OFDM [22]
OFDMA достигается путем назначения различных поднесущих для разных пользователей. OFDM / OFDMA предоставляет следующие преимущества для сетей мобильной связи:
- Высокая спектральная эффективность: ячейка выделяет различные возвышающие для разных пользователей. Через ортогональность поднесущих, внутризонные препятствия значительно ослабляются. Поэтому OFDMA-система может достичь высокой скорости [36].
- Частотно-селективные затухания: система OFDMA может эффективно бороться с частотно-селективным затуханием. Это связано с тем, что OFDM преобразует широкополосную передачу на узкополосную передачи на нескольких поднесущих, а каждая поднесущая может быть использована как канал с плоским затуханием [22].
- Гибкое распределение ресурсов: в соответствии с условиями канала система OFDMA может выбирать определенные возвышающие для передачи, тем самым обеспечивая гибкое распределение ресурсов; OFDMA-система также может в полной мере использовать многообразие частот и пользователей для достижения высокой производительности системы [22, 36].
Для достижения высокой емкости ячейки, одна из технологий повторного использования частоты в сетях LTE / LTE-Advanced заключается в том, что все ячейки имеют один и тот же спектр (FRF = 1) [17, 31]. Схемы баланса нагрузки на основе заимствований каналов, которые широко используются в сетях 2G GSM, не широко используются в этих сетях.
В мобильных сетях LTE / LTE-Advanced, которые основаны на OFDMA, внутризоновая интерференция является незначительным через ортогональность поднесущих. [86] кроме того, LTE / LTE-Advanced являются сетями распределенными по управлению. Стоит отметить, что при использовании распределенных сетей управления со схемами баланса нагрузки, которые регулируют мощность, могут возникнуть проблемы с покрытием и сигнализацией. Поэтому схемы баланса нагрузки на основе методов управления мощностью, которые используются в сетях 3G CDMA, не получили широкого использования в сетях технологии LTE / LTE-Advanced на базе OFDMA.
Для эффективной баланса нагрузки в сетях LTE / LTEAdvanced 3GPP release-8 определен баланс нагрузки движущихся пользователей (MLB) как функции SON1 (самоорганизованных сетей) [15]. MLB имеет целью перемещения нагрузки трафика из ячейки вида «hot spot» (которая является наиболее загруженной) к менее загруженным соседних ячеек, корректируя смещение канала передачи (HOoff), чтобы обеспечить непрерывную передачу данных.
Как правило, MLB состоит из двух этапов: выбора ячейки-донора сетевых ресурсов и перенаправление трафика [40-42, 44-48, 68, 80, 83, 95]. На этапе выбора ячейки-донора сетевых ресурсов наиболее загружена ячейка выбирает менее загруженные соседние ячейки как партнеров, которые также называются «ячейками-мишенями» или, в некоторых схемах MLB, «выбранными соседними ячейками». Этот этап во многих обычных схемах MLB основан на загрузке избыточным трафиком соседней ячейки.
На этапе баланса нагрузки движущихся пользователей сети мобильной связи, ячейка с наибольшей загрузкой вычисляет объемы трафика, которые требуют перемещения и настраивает HOoff к каждой ячейке партнера. Настроенный HOoff увеличивает зону радиопокрытия, тем самым перемещая пользователей на границе зоны обслуживания ячейки в выбранные ячейки партнера [43]. Этап перенаправления трафика иллюстрируется на Рис. 1.11, где Cell1 - это ячейка, которая намерена забрать на обслуживание трафик от партнерской Cell2. Однако RSRP2 пользователя от BS2 является более слабым, чем RSRP1 от BS1, и, следовательно, пользователь на границе зоны обслуживания ячейки не может получить перенаправление. Для того, чтобы переместить границу зоны обслуживание ячейки, BS1 настраивает его HOoff по BS2.
Рис. 1.11–Иллюстрация стадии перенаправления трафика в MLB
После того, как условие перехода твердого (событие A3 в [18]), что показано выражением (1.2), выполняется, пользователь будет передан BS2.
где HOhys – заданий гистерезис хендовера, HOhys=2dB.
HOhys может обеспечить значение гистерезиса Hoof(1,2)+RSRP2, что есть на 2dB больше, чем RSRP1. Это необходимо для борьбы с "пинг-понг хендовером". Пинг-понг хэндовер означает, что пользователь очень быстро назначается в Cell 2 и затем снова повертаеться до Cell 1 [23] и так далее.
Осуществлен аналитический обзор научных работ по тематике диссертационных исследований для установления условий и требований по предоставлению услуг связи в сетях беспроводного доступа. Установлено, что на процессы предоставления услуг связи и обеспечения их непрерывности определяющее влияние имеют механизмы управления мобильностью и балансировки абонентской нагрузки.
Большинство методов балансировки абонентского нагрузки можно разделить на два основных типа: балансировка нагрузки по критерию вероятности блокировки запросов и балансировка на основе показателя загруженности. Для первого типа характерен меньший объем служебных данных, поскольку процесс балансировки начинается только в момент превышения порогового значения вероятности блокировки запросов. Например, распределение нагрузки между ячейками производится путем уменьшения радиуса перегруженной и увеличения радиуса соседних с ней ячеек с помощью регулировки мощности излучения базовых станций.
Второй тип балансировки нагрузки является предпочтительным с практической точки зрения, поскольку он учитывает пропускную способность и степень балансировки нагрузки как в выборе ячейки, так и в процессе выполнения хендовера.
Например, процесс балансировки нагрузки начинается с самой загруженной ячейки с целью достижения равномерной загрузки в сети.
Однако все рассмотренные механизмы в процессе балансировки нагрузки используют ресурсы только соседних ячеек. Поэтому такие механизмы не подходят для ситуаций, когда в условиях пиковых нагрузок находятся группы из соседних ячеек. Отсюда следует формулировка научной задачи работы.
