Сети сотовой связи WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов) являются наиболее распространенной платформой для построения сетей третьего поколения (3G, Third Generation). Среди основных причин их масштабного распространения можно выделить эволюционный процесс перехода от сетей GSM (Global System for Mobile Communications, глобальная система цифровой мобильной связи) и перспективность применения технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (High Speed Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ). В настоящее время более 80% всех сетей WCDMA поддерживают технологию HSDPA (High Speed Downlink Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ в прямом канале) с максимальной скоростью передачи данных 3,6 Мбит/с. Операторы сетей WCDMA активно вводят в эксплуатацию технологию HSUPA (High Speed Uplink Packet Access, высокоскоростной пакетный доступ в обратном канале), которая может обеспечить скорость передачи данных до 5,76 Мбит/с. Дополнительные возможности предоставляют новые протоколы высокоскоростной передачи данных HSPA+ (Evolved HSPA, улучшенные протоколы высокоскоростной передачи данных), которые позволяют достигать скоростей 21/28 Мбит/с в прямом канале.
С увеличением скоростей передачи данных и применением новых технологий доступа особенно актуальным становится вопрос управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с целью обеспечения необходимого качества обслуживания абонентов. Программные комплексы, позволяющие проводить настройку физических параметров радиосети, таких как мощность канала PCPICH (Primary Common Pilot Channel, основной общий пилотный канал), углы наклона антенн базовых станций (БС), азимуты антенн БС, предлагаются большим числом специализированных компаний, например:
Schema, Amphora, Optimi. Такие программные инструменты способны автоматически управлять соседскими отношениями между секторами 3G-3G, 3G-2G, параметрами внутрисетевых и межсетевых эстафетных передач, мощностями отдельных RAB (Radio Access Bearer, радиоканал передачи пользовательской информации с заданными характеристиками).
Программные инструменты, позволяющие в автоматическом режиме управлять ресурсами радиоподсистемы и настраивать их конфигурацию, на сегодняшний день не представлены ни одной специализированной компанией. Однако зачастую при увеличении скоростей передачи данных и объема трафика именно от корректности настроек использования ресурсов радиоподсистемы зависит качество предоставления услуг абонентам. В связи с этим тема работы представляется актуальной.
Объектом исследования является радиоподсистема сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных HSPA.
Предметом исследования являются вопросы влияния ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA на качество обслуживания абонентов.
Цель диссертационной работы заключается в повышении качества обслуживания абонентов в сети WCDMA при использовании протоколов высокоскоростной передачи данных.
Научной задачей является разработка алгоритмов адаптивного управления ресурсами радиоподсистемы сети WCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.
Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории распространения радиоволн и имитационного моделирования на основе программных продуктов MathCad и PL/SQL Developer.
Достоверность полученных результатов, в том числе основных положений и выводов, подтверждается адекватным применением апробированного математического аппарата, сравнением с 8 экспериментальными данными, обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, публикациями основных достижений в журналах, проведением тестирований на тестовом стенде и применением рекомендаций для коммерческой сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон полученных».
Научная новизна работы. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной.
1. Концепция управления ресурсами радиоподсистемы сети VCDMA с поддержкой технологий высокоскоростной передачи данных.
2. Математические модели загрузки ресурсов радиоподсистемы сети* VCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных, учитывающие текущее число активных абонентов и их распределение по предоставляемым услугам.
3. Имитационная модель влияния абонентской нагрузки на качество предоставления услуг в сети VCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.
4. Рекомендации по настройке параметров радиоподсистемы VCDMA, учитывающие коэффициенты блокировок и обрывов для голосовых и пакетных соединений, а так же среднюю скорость передачи данных для технологии ШОРА.
5. Предложение по построению и реализации программного комплекса автоматической адаптивной регулировки параметров радиоподсистемы VCDMA с поддержкой протоколов высокоскоростной передачи данных.
Практическая ценность работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации могут использоваться как на этапе планирования радиосети VCDMA для определения конфигурации ресурсов радиоподсистемы, так и на этапе эксплуатации для поиска причин ухудшения качества обслуживания абонентов и устранения несогласованности в конфигурации ресурсов радиоподсистемы. 9.
Реализация результатов исследований. Реализованная с учетом полученных результатов имитационного моделирования на базе языка программирования PL/SQL платформа автоматического управления параметрами радиоподсистемы позволила повысить качество обслуживания абонентов и снизить трудозатраты по поиску и устранению некорректных настроек параметров радиоподсистемы в коммерческой сети СЗФ ОАО «МегаФон».
Апробация результатов работы и публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 59, 61 и 62-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб., 2007, 2009, 2010), на 60-й конференции студентов и (СПб., 2006). Две работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 49 наименований, и трех приложений. Работа содержит 235 с. текста, 103 рис. и 41 табл.
Основные результаты исследований в данной главе:
1. В данной главе рассмотрены основные показатели качества работы сети.
VCDMA, основанные на статистических данных, получаемых системой управления радиоподсистемой с базовых станций и контроллеров радиосети.
Приведены примеры формирования КР1, которые отображают отказы в предоставлении сервисов по причинам ограниченности ресурсов.
215 радиоподсистемы. Рассмотрены дополнительные показатели качества обслуживания абонентов и загрузки ресурсов радиоподсистемы: уровень И. Т?Р в секторе, количество обрывов для голосовых и пакетных соединений, количество эстафетных передач в сеть Ю. Все рассмотренные КР1 являются основой для создания статистических аварий по качеству, которые служат индикатором ухудшения обслуживания абонентов и требуется корректировка параметров радиоподсистемы или расширение ресурсов.
2. Разработана модель системы мониторинга аварий по качеству, которая является внешней по отношению к системе управления и мониторинга радиоподсистемы и позволяет формировать любые аварийные ситуации на основе статистических данных. При этом не происходит увеличение нагрузки на систему управления и мониторинга радиоподсистемой, что дает возможность формировать большое число КР1, аварий по качеству, показателей работы сети. Данная система может агрегировать данные с оборудования различных производителей.
3. На основе концепции управления загрузкой ресурсов радиоподсистемы создан программный комплекс, позволяющий управлять абонентской нагрузкой на ресурсы радиоподсистемы. Разработаны алгоритмы управления нагрузкой ресурсов обратного канала и интерфейса 1иЬ. Алгоритм по управлению интерференционным ресурсом обратного канала внедрен в эксплуатацию в реальной сети VCDMA. Алгоритм основан на обработке статистических данных и учитывает уровни блокировок для голосовых и пакетных соединений, уровень Я’ПУР в секторах сети VCDMA, количество эстафетных передач для абонентов с пакетной передачей данных по технологии НЗБРА.
4. Представлены результаты внедрения алгоритма по управлению интерференционным ресурсом обратного канала. На фоне снижения количества отказов в предоставлении сервиса по причине перегрузок в обратном канале на 92% и повышения успешности установления пакетных.
216 соединений на 8% наблюдается рост пакетного трафика, который составил 4,1%. При этом алгоритм учитывает эффект «дыхания» сот и ограничивает максимальную нагрузку на основе статистических данных. 5. На базе разработанного программного комплекса предложены для реализации алгоритмы, которые непосредственно не связаны с регулировкой загрузки ресурсов радиоподсистемы, но применение которых позволит значительно повысить качество обслуживания абонентов. Алгоритмы включают в себя реакцию на деградацию качества обслуживания абонентов, связанную с повышением уровня обрывов для голосовых и пакетных соединений. Перевод голосового трафика в сеть 2G или полная блокировка сектора дополняются алгоритмом автоматического изменения соседских отношений между секторами WCDMA. Крайне полезным является алгоритм перераспределения абонентской нагрузки между сонаправленными секторами с разными несущими частотами. Так как добавление второй несущей частоты является одной из основных мер по расширению емкости сети и подготовке к внедрению технологии HSPA+ (Dual Carrier, использование двух несущих), данный алгоритм необходим для регулировки нагрузки в автоматическом режиме.
По результатам исследований в данной главе можно сделать вывод о том, что предложенная концепция управления параметрами радиоподсистемы, основанная на обработке статистических данных, была успешно внедрена в эксплуатацию в сети WCDMA и позволила повысить качество обслуживания абонентов, оперативность реакции на проблемы в сети при снижении трудозатрат.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Разработанные технологии высокоскоростного доступа НБРА позволили значительно увеличить скорости передачи данных в сетях VCDMA, что привело к росту популярности данных сетей во всем мире. На сегодняшний день сети YCDMA с поддержкой технологий НБРА, внедренные операторами сотовой связи в России, позволяют достигать скоростей до 14,4 Мбит/с в прямом канале и 5,76 Мбит/с в обратном канале. С вводом в эксплуатацию данных технологий особенно остро встал вопрос предоставления максимального качества обслуживания абонентов в условиях ограниченности ресурсов сети, а в частотности ресурсов радиоподсистемы.
Специфика работы сети VCDMA с поддержкой технологии высокоскоростной передачей данных НБРА заключается в том, что, по сути, в сети используются две принципиально разные технологии доступа: Н5РА и VCDMA. В сети при этом предоставляются услуги голосовой и пакетной передачи данных.
На фоне постоянного роста трафика, связанного с расширением абонентской базы и снижением стоимости услуг, в сети постоянно наблюдается девиация абонентской нагрузки на уровне сот и базовых станции, которая вызвана массовыми мероприятиями, сезонными изменениями и проч. В связи с этим для поддержания уровня качества обслуживания абонентов необходим постоянный контроль за загрузкой ресурсов радиоподсистемы и своевременная реакция на перегрузки и отказы в обслуживании.
В сети VCDMA для контроля и регулировки загрузки ресурсов радиоподсистемы используется алгоритм С АС. Для каждого ресурса алгоритм принимает решение о возможности предоставления услуги каждому новому абоненту секторе, исходя из текущей абонентской нагрузки. Использование алгоритма САС необходимо, так как без контроля нагрузки ресурсов возможна полная деградация сервисов в секторе. Например, такой случай возможен при перегрузке по интерференции в обратном канале или по.
218 мощности в прямом канале, когда возможен выход из строя передатчика базовой станции.
В работе обозначены основные проблемы, возникающие при увеличении абонентской нагрузки в условиях ограниченности ресурсов радиоподсистемы. Обоснована актуальность разработки программной среды автоматической настройки параметров радиоподсистемы на основе концепции. Основными задачами регулировки загрузки радиоподсистемы являются:
— анализ влияния загрузки ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов в сети.
— разработка событий, которые идентифицируют ухудшение качества обслуживания абонентов по причинам высокой загрузки радиоподсистемы и средств их мониторинга, разработка адаптивных автоматических алгоритмов для корректировки параметров.
Указанные задачи успешно решены в диссертационной работе. В рамках решения первой задачи:
— рассмотрены ключевые характеристики сетей VCDMA и технологий высокоскоростной передачи данных Н8РА, особенности использования ресурсов радиоподсистемы технологиями высокоскоростной передачи данных;
— разработан математический аппарат по расчету утилизации ресурсов радиоподсистемы, влияния абонентской нагрузки на качество обслуживания абонентов, методы расчета уровней блокировок для каждого ресурса и уровней обрывов для голосовых и пакетных соединений. Рассмотрен алгоритм доступа к ресурсам радиоподсистемы САС его назначение и основные параметры. Методы математического расчета загрузки определены для следующих ресурсов: мощностной ресурс в прямом канале сектора, интерференция в обратном канале, ресурс пропускной способности канала интерфейса 1иЬ, кодовый ресурс сектора, ресурс производительности цифровых сигнальных процессоров базовой станции.
219 разработаны имитационные модели для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы, основанные на математических методах расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы. По результатам имитационного моделирования получены оценки влияния ограничений ресурсов на качество обслуживания абонентов в сети WCDMA, рассмотрены основные параметры, влияющие на утилизацию ресурсов. Определены основные требования к распределению ресурсов радиоподсистемы между технологиями доступа WCDMA Release'99 и HSPA.
— разработана модель абонентской нагрузки в сети WCDMA, в рамках которой определены следующие важные для расчета параметры: распределение абонентов между услугами, коэффициент активности пакетных абонентов, распределение абонентов по удаленности от центра зоны обслуживания базовой станции.
— проведено тестирование влияние технологии высокоскоростной передачи данных в обратном канале HSUPA на тестовом стенде. Получены экспериментальные и расчетные данные. Сделаны выводы об ограничениях и требуемых расширениях, необходимых при вводе в эксплуатацию данной технологии.
— проведено имитационное моделирование влияния загрузки ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов в сети WCDMA для совокупности ресурсов радиоподсистемы. Приведены примеры настройки параметров, отвечающих за утилизацию ресурсов. Рассмотрены случаи некорректной конфигурации, когда один из ресурсов становится явным «узким местом» в радиоподсистеме и является основной причиной деградации качества обслуживания.
В рамках решения второй задачи:
— разработана концепция управления ресурсами радиоподсистемы на основе статистических данных по качеству обслуживания абонентов и загрузки ресурсов радиоподсистемы. Модель предполагает автоматическое управление.
220 параметрами на основе заранее созданных алгоритмов для каждого ресурса радиоподсистемы.
— разработаны основные показатели качества обслуживания абонентов KPI, которые включают в себя отказы в предоставлении сервисов по причине перегрузки одного или нескольких ресурсов радиоподсистемы. На основе KPI разработаны аварийные события по качеству обслуживания абонентов в сети, которые являются индикаторами деградации качества и требуют применения мер по его улучшению.
— разработана модель и внедрена в эксплуатацию система контроля за аварийными событиями по качеству обслуживания абонентов. Отличительной особенностью данной системы является то, что она является автономной системой, которая получает статистические данные из системы мониторинга и управления UTRAN, формирует и рассчитывает основные KPI и аварийные события по качеству обслуживания абонентов не создавая дополнительной нагрузки на сервер системы управления. Также данная система может обрабатывать данные от различного оборудования любых производителей.
— разработан программный комплекс, который включает в себя алгоритмы адаптивного автоматического управления параметрами радиоподсистемы, определяющие загрузку ресурсов. Данный программный комплекс реализован на базе языка PL/SQL и введен в эксплуатацию в сети WCDMA с поддержкой высокоскоростных технологий передачи данных HSPA. Основные результаты использования программного комплекса с алгоритмом регулировки загрузки интерференционного ресурса обратного канала: снижение количества отказов в предоставлении сервисов на 92%, увеличение успешности установления соединений на 8%, рост пакетного трафика на 7%.
— предложены алгоритмы для реализации в рамках программного комплекса по автоматическому управлению параметрами и ресурсами радиоподсистемы, которые позволяют повысить качество обслуживания абонентов за счет оперативного реагирования на проблемы с качеством обслуживания.
221 абонентов в сети, автоматической корректировке соседских отношений между секторами WCDMA и равномерном распределении абонентской нагрузки между несущими частотами.
Т.о. полученные автором результаты позволяют повысить качество обслуживания абонентов в сети WCDMA с использованием протоколов высокоскоростной передачи данных при снижении трудозатрат на поиск и корректировка параметров. Формируемая программным комплексом отчетность по загрузке ресурсов радиоподсистемы позволяет своевременно информировать заинтересованных лиц в необходимости расширений тех или иных ресурсов радиоподсистемы, просматривать историю изменения всех параметров, которые произошли в автоматическом режиме для принятия решений о корректировки порогов, формул, процедур и алгоритмов.
В ходе исследований применялись методы математической статистики, математического и имитационного моделирования, математический аппарат теории распространения радиоволн. Имитационные модели создавались с помощью пакета статистического и имитационного моделирования MATHLAB 6.5, математических инструментов MathCAD 2000 и языка PL/SQL. Реализация программного комплекса произведена на базе языка PL/SQL.
В работе получены следующие научные и практические результаты:
1. Разработана концепция управления параметрами и ресурсами радиоподсистемы на основе адаптивных автоматических алгоритмов. Структурировано описание ресурсов радиоподсистемы, рассмотрены физические свойства каждого ресурса, описана проблематика управления загрузкой ресурсов. Обоснована актуальность исследований по данной тематике. Рассмотрен алгоритм доступ абонентов к ресурсам САС в сети WCDMA.
2. Для декомпозиции ресурсов радиоподсистемы сети WCDMA разработан математический аппарат расчета загрузки ресурсов радиоподсистемы, отказов.
222 для голосового и пакетного трафика. Определены основные ограничения по утилизации ресурсов радиоподсистемы. Перечислены параметры радиоподсистемы, влияющие на загрузку ресурсов.
3. Разработана модель абонентской нагрузки с учетом распределения абонентов между услугами и технологиями доступа к сети, коэффициента активности для абонентов с пакетной передачей данных и распределения абонентов в зоне обслуживания базовой станции. На базе модели абонентской нагрузки проведено имитационное моделирования влияния загрузки ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов для каждого ресурса. Рассмотрено влияние основных параметров радиоподсистемы на утилизацию ресурсов, даны рекомендации по их настройке.
4. Проведено имитационное моделирование влияния совокупности ресурсов радиоподсистемы на качество обслуживания абонентов, рассмотрены случаи некорректной конфигурации радиоподсистемы, когда один из ресурсов становится явным ограничением для качественного облуживания абонентов. Выполнены дополнительные настройки параметров радиоподсистемы для достижения равномерности загрузки ресурсов.
5. Разработаны основные показатели качества работы сети, на базе которых предложено формирование аварийных событий по качеству, которые в дальнейшем будут служить индикаторами для срабатывания алгоритмов регулировки загрузки ресурсов. Предложена модель системы мониторинга качества предоставления услуг и загрузки ресурсов радиоподсистемы.
6. Предложен и реализован программный комплекс по автоматической регулировке загрузки ресурсов радиоподсистемы, который включает в себя алгоритмы расчета значений параметров для каждого ресурса. Данный программный комплекс реализован на языке PL/SQL и внедрен в эксплуатацию в сети WCDMA СЗФ ОАО «МегаФон». В результате использования предложенного решения удалось добиться повышения качества облуживания абонентов и объема передаваемых пакетных данных.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что диссертационная работа посвящена актуальной проблеме контроля и управления качеством обслуживания абонентов в условиях ограниченности ресурсов радиоподсистемы. Работа содержит научно — обоснованные технические решения в части математических методов, реализации имитационной модели и разработке программного комплекса и полностью решает поставленные задачи.
