В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Анализ пропускной способности систем подвижной радиосвязи в режиме "речь—данные"

Ильдар Хантимиров
Ведущий рубрики "Радиопокрытие"

Оптимизация существующих сетей 2G, а также начавшееся строительство сетей третьего поколения тесно связаны с проблемой обеспечения радиопокрытия, достаточного для предоставления услуг высокоскоростной передачи данных требуемого качества. Повышение спроса на данные услуги способствует изменению структуры трафика мобильных сетей, который становится интегральным, поскольку включает в себя не только голос, но и текстовую, графическую и видеоинформацию. При этом неречевой трафик имеет постоянную тенденцию к росту. Соответствующее увеличение сетевой нагрузки, работа в ограниченном спектре выделенных частот обусловливают потребность в разработке новых, более эффективных методов управления канальными ресурсами. Возникает проблема оценки качества совместной передачи речевых сообщений и пакетов данных. В результате все более актуальными становятся вопросы обеспечения качества не только транспортных сетей в целом, но и их фрагментов в зоне абонентского доступа. В этом номере мы хотим поднять тему обеспечения качества связи в зоне абонентского доступа с точки зрения оптимизации передачи трафика в транспортных сетях и повышения эффективности использования канальных ресурсов. В рамках рубрики представлен материал, посвященный проблемам исследования пропускной способности систем подвижной радиосвязи и определения качественных показателей функционирования сетей в совмещенном режиме передачи "речь—данные". Читатели смогут познакомиться с методикой расчета качественных показателей сетей сотовой связи, благодаря которой появляется возможность повышения эффективности использования канальных ресурсов. Надеемся, поднятые в рубрике вопросы заинтересуют читателей и вызовут плодотворный обмен мнениями.
Более подробно вопросы мониторинга качества услуг передачи данных мы планируем рассмотреть в следующих номерах.

Алексей Иванов
менеджер проектов ОАО "ВымпелКом"

В настоящее время сети подвижной радиосвязи (СПРС) переживают стремительное развитие. Заметно расширились запросы мобильных абонентов в мультимедийных услугах (таких как: мобильный доступ в Internet, передача видеоизображений, асимметричные и интерактивные услуги широкополосной связи и т.д.). Повышение спроса на новые услуги обуславливает изменение структуры трафика мобильных сетей, который формируется в результате объединения различных видов передаваемой информации: речевой, текстовой, графической, видео и т.д. Ожидается значительное повышение объема интегрального трафика в СПРС третьего поколения и переход к сетям подвижной радиосвязи с интеграцией услуг поколения 4G. Увеличение сетевой нагрузки предполагает использование более широких полос частот по сравнению с теми, которые используются в современных мобильных системах связи. Из-за ограниченности спектра выделенных частот появляется потребность в новых, более эффективных методах управления канальными ресурсами СПРС. В статье рассматривается задача определения качественных показателей функционирования СПРС в совмещенном режиме передачи "речь—данные".

В моделируемой системе предполагается режим равного доступа любого абонента к любому из предоставляемых каналов. Каждый абонент системы имеет возможность передавать пакеты данных или речевые вызовы. Предполагается, что обслуживание голосового трафика будет прерывать обслуживание пакетов GPRS в соответствии с более высоким приоритетом. Голосовые вызовы и пакеты данных распределены по закону Пуассона. В системе также может использоваться буфер для обслуживания только пакетов GPRS. Интенсивность поступления пакетов определяется как суперпозиция вновь поступивших и повторно переданных из буфера пакетов данных. Для обслуживания пакетов GPRS используется один слот FCFS.

В настоящее время существует ряд методик, описывающих процесс совмещенной передачи речи и данных. В работе [1] предложено использование дополнительных каналов, зарезервированных для передачи трафика GPRS (Cuard Channel). В статье наглядно показывается, насколько меняется вероятность отказа для пакетов данных от величины буфера и числа каналов. Вместе с тем в предложенной модели не рассматривается состояние системы, при котором между речевыми вызовами распределяются канальные ресурсы, ранее выделенные для обслуживания пакетного трафика (приоритетное прерывание обслуживания). Без учета этого состояния нельзя добиться достаточной точности для проектирования реальных СПРС. В работе [2] рассматривается система без буфера и зарезервированных каналов для передачи пакетов. В данном случае интенсивность отказов для речевых вызовов уменьшается из-за использования метода приоритетного прерывания обслуживания для передаваемых пакетов данных. Для примера, когда поступает требование от абонента на передачу голосового вызова, то базовая станция прерывает передачу пакетов данных и выделяет этот канал для передачи речевого вызова. Данная методика рассматривает модель без буфера. Однако в [1] продемонстрировано влияние размера буфера на качественные показатели системы. Обе предложенные методики имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают их применение для реальных систем GSM/GPRS. Таким образом, возникает необходимость в создании новой методики, лишенной указанных недостатков и способной с большой точностью описать реально существующие системы подвижной радиосвязи. Эта методика также должна учитывать тенденции развития сетей и иметь возможность к конвергенции с ними в будущем.

Модель расчета пропускной способности системы подвижной радиосвязи в режиме "речь—данные"

Для оценки характеристик качества совместной передачи речевых сообщений и пакетов данных с использованием буфера предлагается метод декомпозиции [3]. Суть метода состоит в том, чтобы свести расчет характеристик качества функционирования исследуемой модели к оценке соответствующих характеристик отдельных модулей, устроенных значительно проще, чем исходная система, и допускающих решение в аналитическом виде. Схожесть процессов поступления и обслуживания потоков полезной нагрузки в исходной модели и в модуле достигается за счет подбора входных параметров модуля. Для исследуемой модели совместной передачи речевых сообщений и пакетов реализация принципа декомпозиции состоит в раздельном расчете характеристик каждого из обслуживаемых потоков. Речевые сообщения имеют абсолютный приоритет, позволяющий прерывать передачу пакетов данных, поэтому оценка характеристик потока речевой нагрузки может производиться в рамках стандартных моделей систем массового обслуживания с потерями. Заметим, что в данном случае тип функции распределения длительности передачи речевого сообщения может быть произвольным. Значение доли потерянных речевых сообщений определяется произведением интенсивности их поступления на среднюю длительность передачи одного сообщения. Рассмотрим теперь процедуру раздельной оценки характеристик качества передачи пакетов данных. Пусть длительности передачи речевых сообщений и пакетов имеют одинаковые средние и одинаковый вид функции распределения. Имея возможность независимо рассчитать характеристики потока речевых сообщений, можно выбрать величину канального ресурса таким образом, чтобы он обеспечивал заданный уровень потерь речевых сообщений. В дальнейших построениях воспользуемся достигнутой малостью уровня потерь речевых сообщений, а также тем обстоятельством, что передача пакетов и речевых сообщений происходит одинаково. В этих условиях для оценки доли доставленных пакетов среднего времени их пребывания в системе предлагается объединить оба имеющихся потока нагрузки и рассматривать их передачу в рамках модели с ожиданием. Каждый вызов объединенного потока после получения отказа в обслуживании независимо от того, был ли он изначально речевым сообщением или пакетом данных, становится на ожидание, если имеются свободные места, или теряется без возобновления. Реализация расчетного алгоритма при оценке вероятности доставки и среднего времени пребывания пакета в системе определяется характером распределения времени обслуживания речевых сообщений и пакетов и будет нами исследована при рассмотрении конкретных моделей совместной передачи.

Передача речи

В силу независимости процесса передачи речевых сообщений от процесса поступления и обслуживания пакетов данных оценку характеристик системы можно вести в рамках стандартной модели теории телетрафика с потерями заблокированных вызовов. В данном случае существует только один тип потерь речевых вызовов, а именно возникающий в результате недоступности канального ресурса для вновь поступившего требования. Доля сообщений речевой нагрузки, потерянных из-за отсутствия свободных для передачи каналов, определяется формулой Эрланга:

(1)

где N_c – общее количество каналов в системе. Голосовые вызовы и пакеты данных распределены по закону Пуассона и поступают в систему с интенсивностью λ_v и λ_d соответственно. Среднее время обслуживания требований 1/m_v и 1/m_d. Речевая нагрузка ρ_d=λ_v/ m_v, выраженная в Эрлангах. Среднее число каналов системы, занятых передачей речевых сообщений,
(2)

Передача данных

Теперь обратимся к передаче пакетов данных. Метод основан на учете того обстоятельства, что при отдельном рассмотрении процесса передачи речевых сообщений количество каналов уже выбрано так, чтобы доля потерянных речевых сообщений была мала. Построим вспомогательную модель, объединив в исходной модели поступающие потоки речевых сообщений и пакетов данных в один поток пакетов. Понятно, что доля потерянных пакетов и среднее время пребывания пакета в системе, посчитанные для вспомогательной модели, будут верхними оценками для соответствующих характеристик исходной модели. Это так, поскольку во вспомогательной модели пакет, являющийся аналогом заблокированного и, следовательно потерянного в исходной модели речевого сообщения, теперь становится в очередь на ожидание и может быть передан с некоторой задержкой. Таким образом, во вспомогательной модели передается больший по сравнению с исходной моделью объем нагрузки, обеспечивая верхний характер соответствующих оценок. Найденная оценка доли потерянных пакетов будет близка к ее истинному значению в силу достигнутой на первом этапе расчетов малой величины потерь речевых сообщений (во вспомогательной модели пакет, являющийся аналогом потерянного речевого сообщения, практически не становится в очередь, слабо меняя тем самым вероятности событий, определяющих пребывание пакета в очереди).

Математическая модель

Схема функционирования модели, используемой для оценки характеристик пакетов данных, выглядит следующим образом. У нас имеется система связи с N_с полнодоступными каналами, на которую поступает пуассоновский поток пакетов данных интенсивности λ_v+ λ_d. Время передачи пакета имеет одинаковую длину, равную 1/m_v. Тогда обозначим суммарную нагрузку: ρ_d=(λ_v + λ_d)/ m_v. В системе используется буфер размера В.Если вся имеющаяся передаточная емкость линии занята, то пакет занимает одно из мест ожидания.
Для оценки характеристик качества совместной передачи информационных потоков, введенных для исходной модели, будем использовать значения соответствующих показателей вспомогательной модели, которые определим через значения вероятностей P(j).
Пусть P(j) – вероятность того, что в стационарном состоянии в модели имеются j пакетов данных, находящихся на передаче или ожидании:

(3)

(4)

Доля пакетов данных, потерянных из-за занятости всего канального ресурса и мест ожидания, оценивается величиной P_{отк , d}, которая вследствие пуассоновского характера поступления пакетов определяется как доля времени пребывания упрощенной модели в состоянии, когда в системе находятся N_c+B пакетов на обслуживании и ожидании

(5)

Доля пакетов данных, потерянных из-за прерывания их передачи по линии поступившим приоритетным речевым сообщением и занятости всех В имеющихся мест ожидания, P_{отк. прер}оценивается как отношение интенсивностей соответствующих событий в упрощенной модели

(6)

Значение общей доли потерянных пакетов данных P_{отк сум} оценивается как сумма долей пакетов, потерянных по указанным выше причинам

(7)

Доля успешно доставленных пакетов данных P_усп оценивается как величина, дополнительная к P_{отк сум}

(8)

Среднее число каналов M_d, занятых на передачу пакетов данных, а также среднее число мест ожидания M_d_w, занятых пакетами данных, определяются как соответствующие средние значения:

(9)

Среднее время пребывания пакета на ожидании и передаче T_d находится по формуле Литтла [5]:

(10)

Для того чтобы выяснить, возможно ли предложенную методику использовать при проектировании реальных СПРС, была разработана программа имитационного моделирования. В данном случае имитационное моделирование применяется также для оценки погрешности, возникающей при использовании расчетных моделей вместо точных. Для имитационной модели значения характеристик можно найти путем подсчета счетчиков соответствующих событий. При проведении вычислений выбираются значения входных параметров ρ_ν, ρ_d_, N_c и число абонентов М. Далее анализируется зависимость характеристик имитационной и расчетной модели от изменения одного из основных параметров в некотором диапазоне и фиксированных остальных.

Построим зависимость вероятности отказа P_{отк. су}_м. от числа каналов N_с в совмещенном режиме передачи "речь–данные" при фиксированных входных параметрах ρ_ν=0,1 Эрл/абон., ρ_d=4 кбит/с/абон., М=2 аб. На рис. 1 изображено распределение вероятности, рассчитанное по выведенным формулам математической модели (теория 1), и зависимость, полученная в ходе реализаций программы имитационного моделирования (эксперимент 1).

Рис. 1 Зависимость вероятности отказа от числа каналов

Далее предлагается изображение зависимостей P_{отк .су}_м от суммарной нагрузки поступающих пакетов ρ_d в совмещенном режиме передачи при различных значениях мест для ожидания: B=0 (теория и эксперимент 1), В=20 (теория и эксперимент 2).В системе предполагается N_с =30, М=2 аб.

Рис. 2 Зависимость вероятности отказа от пакетной нагрузки
^{Нажмите на картинку для увеличения}

Классическая методика расчета пропускной способности

Для наглядности приведем алгоритм расчета пропускной способности системы, используемый, например, компанией Ericsson [8]. Основной целью используемой методики является определение количества каналов, с помощью которых можно обслужить некоторое количество абонентов GPRS заданным качеством обслуживания.
Каналы пакетной передачи данных PDCH системы GPRS могут быть сконфигурированы в действующих приемопередатчиках двояким образом:
а) в режиме совместного использования с обычным трафиком GSM (по требованию);
б) в выделенном режиме использования только для трафика GPRS.

В первом случае каналы выделяются лишь в тот момент, когда необходимо обслужить поступивший трафик GPRS. Если используется приоритетное прерывание обслуживания, то голосовой трафик, передаваемый с использованием технологии с коммутацией каналов, имеет безусловный приоритет перед данными, которые в свою очередь обслуживаются с помощью технологии с коммутацией пакетов.
Во втором случае для передачи трафика GPRS одновременно в соте может быть использовано до 8 каналов. Первый из них может быть использован в качестве канала для передачи широковещательной и общесистемной информации PBCCH либо для передачи служебной информации. Для многоканального класса GPRS возможно использование до 4 последовательных каналов PDCH для каждого временного потока блоков TBF.
Система GSM/GPRS представляет собой сотовую структуру, поэтому сота с различным числом приемопередатчиков может рассматриваться отдельно.
На первом этапе анализа рекомендуется рассматривать систему GPRS в случае, когда действующие приемопередатчики сконфигурированы в режиме выделения каналов PDCH по требованию. В этом случае расчет продемонстрирует, есть ли необходимость в увеличении числа приемопередатчиков для системы GPRS.
Расчет проводится применительно к использованию Web-приложений.

1. Найдем число каналов в соте, выделенных для обслуживания трафика GPRS.

а) Итак, канал PDCH, выделяемый по требованию – основной элемент канальной емкости GPRS в рассматриваемой соте. Рассчитаем число каналов, необходимых для обслуживания поступающего пакетного трафика.

В теории: (11)

На практике: (12)

б) Определим количество выделенных каналов PDCH.

2. Определяем число абонентов системы GPRS.

(13)

где:

GSM_users – предполагаемое количество абонентов в час наибольшей нагрузки;

SUB_GPRS – степень проникновения услуги GPRS на рынок;

PDP_active – активность PDP-контекста;

GPR_Sattach – количество подключенных или отключенных абонентов.

3. Мобильные возможности:

– предполагается, что чаще всего используется многоканальный класс GPRS;

– 1/1, 2/1 или 4/1 – комбинации используемых тайм-слотов.

4. Скорость передачи в битах на пользователя для приложений www находим из табл. 1.

5. Рассчитаем общую нагрузку приложений www на канал PDCH в соте WWW_load.

В пункте 4 была найдена средняя скорость передачи в битах в час наибольшей нагрузки на пользователя V_bit, следовательно

(14)

6. Используя из предыдущего пункта WWW_load, определим предполагаемую пропускную способность из результатов моделирования.

Сравнение моделей

Для наглядности подставим в представленную модель [8] конкретные данные:

– 2000 кб/аб. в час наибольшей нагрузки;

– используется четырехслотовый режим;

– 50 кб трафика GPRS на пользователя;

– 1500 сот, 3 передатчика(в среднем);

– вероятность отказа для речевых вызовов занимает 2%.

Проведя расчет по описанной методике, мы получим предполагаемую пропускную способность в 30 кб/с.

Теперь повторим расчет, используя выражения, предложенные в новой методике:

1. Повторяем расчет, используя выведенную формулу (9). Без использования буфера получаем N_d ≈ 10

Пункты 2–4 повторяют предыдущий расчет.

5. WWW_load = 33 х 0,555 / 10 кб/c на PCDH.

6. Подставляем эти данные в методику [8], получаем пропускную способность около 31,3 кб/c.

Таким образом, даже без использования буфера выигрыш составляет 4,3%. А при использовании буфера B=1 N_d ≈ 10,6, пропуская способность будет соответственно 31,7, то есть выигрыш уже составит 5,7 %.

Выводы

Полученные результаты демонстрируют возможность применения предложенной методики для расчета качественных показателей СПРС. Благодаря использованию данного алгоритма расчета, появилась возможность с достаточной точностью определить количество каналов, необходимых для обслуживания пакетного трафика. Ранее операторам подвижной радиосвязи приходилось, исходя из опыта эксплуатации оборудования и предполагаемой нагрузки, выделять канальные ресурсы со значительным запасом, чтобы не допускать перегрузок на сети. А достигнутый, благодаря использованию методики, выигрыш в пропускной способности позволяет утверждать, что данная методика расчета позволит повысить эффективность использования канальных ресурсов в сотовых сетях, тем самым сокращая расходы на закупку и эксплуатацию оборудования.
Список литературы

1. H.-H. Liu and J.-L. C. Wu, Delay Analysis of Integrated Voice and Data Service for GPRS // IEEE Communication Letters, Vol. 6, No. 8, Aug. 2002.
2. J.-W. So and D.-H. Cho, Access Scheme for Integrated Voice/Data Transmissions Over Common Packet Channel in 3GPP // IEEE Communication Letters, Vol. 5, No. 2, Feb. 2001.
3. Лагутин B.C. Сети связи: проблемы эффективности использования ресурсов цифровых линий. – М.: Радио и связь, 1999–229 с.

4. Корнышев Ю.Н, Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. М.: Радио и связь, 1996–272 с.
5. Бертсекас Д. Галлагер Р. Сети передачи данных. М.: Мир, 1989–544с.
6. Пугачев В.С. Теория вероятностей и математическая статистика. М: Наука. ГФМЛ, 1979–496 с.
7. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1965–511 с.
8. GPRS Dimensioning and Performance Workshop 2001 г.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #5, 2008
Посещений: 20156

Автор

Алексей Иванов

менеджер проектов ОАО "ВымпелКом"

Всего статей: 1