«УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор академик РАН, д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Ю. В. Бородакий __ г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ КУРС ДЛЯ СТУДЕНТОВ БАКАЛАВРИАТА МОДЕЛИ ...»

Министерство промышленности и торговли Российской Федерации

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «КОНЦЕРН «СИСТЕМПРОМ»

УДК 621.39

«УТВЕРЖДАЮ»

Генеральный директор

академик РАН,

д-р техн. наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Ю. В. Бородакий «_»_ г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ КУРС ДЛЯ СТУДЕНТОВ БАКАЛАВРИАТА

МОДЕЛИ ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЫЗОВОВ В СЕТИ СОТОВОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Шифр заявки «2012-1.2.2-12-000-2006-017»

Соглашение на предоставление гранта «04» октября 2012 г. № 14.U02.21. (с учетом дополнительного соглашения от «18» марта 2013 г. № 1) Руководитель, канд. техн. наук В. Ю. Бородакий _ подпись, дата Москва

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1.1 Основные этапы развития и эволюции сетей подвижной связи в мире

Тема 1.2. Сравнительная характеристика архитектурных принципов построения сетей GSM/UMTS/LTE/CDMA

Тема 1.3. Вопросы обеспечения качества услуг в сетях GSM/UMTS/LTE/CDMA................ Тема 1.4. Технические показатели качества в радиосетях GSM/UMTS. Классификация услуг в сетях LTE

Тема 2.1. Полнодоступная модель с потерями

Тема 2.2. Неполнодоступная модель с потерями

Тема 2.3. Неполнодоступная модель с бесконечной очередью и нетерпеливыми заявками Тема 3.1. Модель схемы повторного использования частот без выделения граничной зоны соты

Тема 3.2. Модель схемы повторного использования частот с перекрытием частот в сотах. Тема 3.3. Модель схемы динамического распределения ресурсов с агрегацией несущих.... Тема 3.4. Модель схемы повторного использования частот с выделением граничной зоны соты

Тема 3.5. Модель гетерогенной сети с двумя типами узлов: базовая станция и ретрансляционная станция

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Русскоязычные сокращения АУ Абонентское устройство ЛР Лабораторная работа МВОС Модель взаимодействия открытых систем МО Математическое ожидание МП Марковский процесс МСС Мультисервисные сети связи МСЭ Международный союз электросвязи ОМП Обратимый марковский процесс процесс ПНН Период времени наибольшей нагрузки ПП Пуассоновский поток СДОП Сеть передачи данных общего пользования СеМО Сеть массового обслуживания СМО Система массвого обслуживания СПДУК Система прямых дифференциальных равнений Колмогорова ССПП Сотовая сеть подвижной связи СУГБ Система уравнений глобального баланса СУЛБ Система уравнений локального баланса СУР Система уравнений равновесия СУЧБ Система уравнений частичного баланса ТфОП Телефонная сеть общего пользования Англоязычные сокращения 3G PP 3GPP Advanced Communication Technology and Services ACTS AMPS ANSI ARP ATM AT&T AuC BER BGMP BSC BSS BTS Customized Applications for Mobile Network Enhanced Logic CAMEL CBT Connection disconnect delay CDD Code Division Multiple Access CDMA CRD CRS CSD Digital Advanced Mobile Phone Service D-AMPS DCS DSL Equipment Identity Register EIR eNB Enhanced Data rates for GSM Evolution EDGE EPC European Telecommunications Standards Institute ETSI Evolved UMTS Terrestrial Radio Access E-UTRA Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network E-UTRAN FCFS Frequency Division Duplex FDD Frequency Division Multiple Access FDMA Frequency Domain Packet Scheduler FDPS Fractional Frequency Reuse FFR Future Radio Wideband Multiple Access System

FRAMES

GBR GSM EDGE Radio Access Network GERAN GGSN GMSC General Packet Radio Service GPRS GSM High Speed Downlink Packet Access HDSPA High Definition Television HDTV HLR HSPA Internet Group Management Protocol IGMP IP Multimedia Subsystem IMS IPER IPLR IPTD Internet Protocol Television IPTV Integrate Services Digital Network ISDN LTE Machine-to-Machine M2M MBR Media Gateway Controller MGC Multiple Input Multiple Output MIMO Mobility Management Entity MME Multimedia Message Service MMS Multicast Open Shortest Path First MOSPF Multiprotocol Label Switching MPLS Mobile-services Switching Centre MSC Next Generation Network NGN Nordic Mobile Telephone NMT Network Performance NSIS Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access OFDMA OSA P2P Physical Broadcast Channel PBCH PBS Personal Communications Network PCN Physical Cell Identity PCI Policy and Charging Rules Function PCRF Personal Communications Systems PCS Personal Digital Cellular PDC Physical Downlink Control Channel PDSCH PDU Physical Hybrid ARQ Indicator Channel PHICH Personal Handyphone System PHS Protocol Independent Multicast - Dense Mode PIM-DM Protocol Independent Multicast - Sparse Mode PIM-SM PRB QoS RAB Research in Advanced Communications in Europe RACE RAN RLC RNC RNS RNs Reverse Path Broadcasting RPB Reverse Path Multicasting RPM Real-time Transport Protocol RTP System Architecture Evolution SAE Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access SC-FDMA Service Delivery Platform SDP SFR SGSN Subscriber Identity Module SIM Signal to Interference plus Noise Ratio SINR Session Initiation Protocol SIP SMS Simple Network Management Protocol SNMP Self Organizing Network SON Transmission Control Protocol TCP TDD Time Division Multiple Access TDMA Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks

TIPHON

Telecoms & Internet converged Services & Protocols for Advanced Networks

TISPAN

Truncated Reverse Path Broadcasting TRPB Universal Mobile Telecommunications System UMTS UMTS Terrestrial Radio Access UTRA Visitor Location Register VLR VoIP Wideband Code Division Multiple Access W-CDMA Wi-Fi Worldwide Interoperability for Microwave Access WiMAX Wireless Local Area Network WLAN Wideband Time Division Multiple Access W-TDMA Новый курс для студентов бакалавриата (4 курс, 2 семестр, 72 акад. час.) направлен на знакомство студентов с принципами функционирования сетей подвижной связи – от сетей 2-го поколения GSM до сетей 4-го поколения LTE и LTE-Advanced, изучение вопросов качества обслуживания в этих сетях, применение методов построения вероятностных моделей для анализа качества обслуживания в терминах теории массового обслуживания и теории марковских процессов, изучение методов анализа и расчета показателей качества обслуживания сетей сотовой подвижной связи.

ПРОГРАММА ПО КУРСУ

Цели и задачи дисциплины:

Целями освоения дисциплины является знакомство с принципами функционирования сетей подвижной связи, изучение вопросов качества обслуживания в этих сетях.

Задачами дисциплины являются освоение методов построения вероятностных моделей для анализа качества обслуживания в терминах теории массового обслуживания (ТМО) и теории марковских процессов, изучение методов анализа и расчета показателей качества обслуживания сетей сотовой подвижной связи.

Место дисциплины в структуре ООП:

Требования к входным знаниям и умениям: необходимо пройти обучение по дисциплинам:

«Теория вероятностей и математическая статистика;

«Прикладные задачи теории массового обслуживания».

Студенту необходимо:

знать аппарат теории вероятностей, применяемый в ТМО; основные понятия и определения ТМО; принципы построения простейших марковских моделей для анализа систем массового обслуживания (СМО);

уметь с помощью аппарата теории вероятностей, теории массового обслуживания и теории телетрафика строить простые модели систем массового обслуживания, для построенных моделей составлять и решать системы уравнений равновесия получать вероятностные характеристики моделей, связанные с показателями качества обслуживания; применять численные методы при анализе полученных характеристик моделей;

обладать следующими компетенциями:

способностью владения навыками работы с компьютером как средством управления способностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях;

способностью использовать в научной и познавательной деятельности, а также в социальной сфере профессиональные навыки работы с информационными и компьютерными технологиями;

способностью работы с информацией из различных источников, включая сетевые ресурсы сети Интернет, для решения профессиональных и социальных задач;

способностью демонстрации общенаучных базовых знаний естественных наук, математики и информатики, понимание основных фактов, концепций, принципов теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой;

способностью приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные образовательные и информационные технологии;

способностью понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат;

способностью осуществлять целенаправленный поиск информации о новейших научных и технологических достижениях в сети Интернет и из других источников;

способностью собирать, обрабатывать и интерпретировать данные современных научных исследований, необходимые для формирования выводов по соответствующим научным, профессиональным, социальным и этическим проблемам;

способностью решать задачи производственной и технологической деятельности на профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программирования;

способностью применять в профессиональной деятельности современные языки программирования и языки баз данных, операционные системы, электронные библиотеки и пакеты программ, сетевые технологии.

Дисциплины, для которых данная дисциплина является предшествующей:

«Анализ производительности сотовых сетей подвижной связи».

«Математическая теория телетрафика», «Управление качеством и вероятностные модели функционирования сетей связи следующего поколения»;

«Модели для анализа качества обслуживания в сетях связи следущего поколения»

курсовые и выпускные квалификационные работы.

Требования к результатам освоения дисциплины:

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

ОК-11, ОК-12, ОК-14, ОК-15, ПК-1, ПК-2, ПК-3, ПК-6, ПК-7, ПК-9, ПК- (указываются в соответствии с ФГОС ВПО) ОК-11: способностью владения навыками работы с компьютером как средством управления информацией ОК-12: способностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях ОК-14: способностью использовать в научной и познавательной деятельности, а также в социальной сфере профессиональные навыки работы с информационными и компьютерными технологиями ОК-15: способностью работы с информацией из различных источников, включая сетевые ресурсы сети Интернет, для решения профессиональных и социальных задач ПК-1: способностью демонстрации общенаучных базовых знаний естественных наук, математики и информатики, понимание основных фактов, концепций, принципов теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой ПК-2: способностью приобретать новые научные и профессиональные знания, используя современные образовательные и информационные технологии ПК-3: способностью понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат ПК-6: способностью осуществлять целенаправленный поиск информации о новейших научных и технологических достижениях в сети Интернет и из других источников ПК-7: способностью собирать, обрабатывать и интерпретировать данные современных научных исследований, необходимые для формирования выводов по соответствующим научным, профессиональным, социальным и этическим проблемам ПК-9: способностью решать задачи производственной и технологической деятельности на профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного программирования ПК-10: способностью применять в профессиональной деятельности современные языки программирования и языки баз данных, операционные системы, электронные библиотеки и пакеты программ, сетевые технологии В результате изучения дисциплины студент должен знать основные этапы развития и эволюции сетей подвижной связи в мире; основные архитектурные принципы построения сетей подвижной связи, факторы, влияющие на качество предоставляемых услуг связи, а также механизмы управления качеством обслуживания в сотовых сетях подвижной связи;

уметь с помощью аппарата теории вероятностей (ТВ), теории случайных процессов, ТМО и теории телетрафика (ТТ) строить модели сетей подвижной связи, начиная от более простых (сетей GSM) до более сложных (сетей LTE); для построенных моделей составлять и решать системы уравнений равновесия (СУР), получать вероятностные характеристики моделей, связанные с показателями качества обслуживания; применять численные методы при анализе полученных характеристик моделей.

Объем дисциплины и виды учебной работы Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы.

Другие виды самостоятельной работы Содержание дисциплины Содержание разделов дисциплины Тема 1. Введение в концепцию сетей подвижной связи.

Основные этапы развития и эволюции сетей подвижной связи в мире.

Сравнительная характеристика архитектурных принципов построения сетей связи Вопросы обеспечения качества услуг в сетях GSM/UMTS/LTE/CDMA.

Тема 2. Анализ моделей ТМО одной соты сети GSM.

Полнодоступная модель с потерями.

Неполнодоступная модель с потерями.

Неполнодоступная модель с бесконечной очередью и нетерпеливыми заявками.

Тема 3. Модели ТМО управления доступом к радиоресурсам сетей LTE и WiMAX.

Модель схемы повторного использования частот без выделения граничной зоны соты.

Модель схемы повторного использования частот с перекрытием частот в сотах.

Модель схемы динамического распределения ресурсов с агрегацией несущих.

Модель схемы повторного использования частот с выделением граничной зоны соты.

Модель гетерогенной сети с двумя типами узлов: базовая станция и ретрансляционная Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами п/п (последующих) дисциплин «Анализ производительности сотовых сетей подвижной связи»

«Математическая теория телетрафика»

«Управление качеством и вероятностные следующего поколения»

Разделы дисциплин и виды занятий Введение в концепцию сетей подвижной Модели ТМО одной соты сети GSM Модели ТМО управления доступом к радиоресурсам сетей LTE и WiMAX Лабораторный практикум п/п дисциплины системы, составить СП, описывающий модель, показать, что СП обладает свойством марковости, выписать пространство состояний СП, изобразить граф интенсивностей переходов.

Колмогорова. Получить СУР и выражения для стационарных вероятностей МП. Найти вероятность блокировки нового и хэндовер-вызова.

исследование модели: изобразить схематически модель системы, составить СП, описывающий модель, выписать пространство состояний СП, изобразить граф интенсивностей переходов. СУГ СУЛ Вывод распределения вероятностей состояний модели при помощи СУЛ Найти вероятность блокировки нового и хэндовер-вызова.

Для неполнодоступной модели с бесконечной очередью и нетерпеливыми заявками провести исследование модели:

изобразить схему модели, составить СП, описывающий модель, выписать пространство состояний СП, изобразить распределения вероятностей состояний модели при помощи СУЛ Вероятность блокировки нового и хэндовер-вызова.

Найти среднюю длину очереди 2-заявок.

Для модели схемы повторного использования частот для сети LTE без выделения граничной зоны провести исследование пространство состояний модели (без ограничений и с учетом сформулировать задачу максимизации числа пользователей в соте в ограничениях на среднюю скорость передачи данных пользователями, изучить метод расчета средней скорости загрузки данных k-пользователем, как характеристики модели соты с фиксированным числом пользователей в виде замкнутой сети массового обслуживания (СеМО) BCMP.

Для модели схемы повторного использования частот для фрагмента сети следующего поколения LTE с перекрытием частот и с услугой телефонии с трафиком реального времени в одноадресном режиме провести исследование модели:

изобразить функциональную модель, выписать пространство переходов, СУЧБ, стационарное РВ, получить среднее число коллизий для случаев случайного и упорядоченного выбора Для модели схемы динамического распределения ресурсов с агрегацией несущих провести исследование: построить модель системы, состоящую из одной компонентной несущей.

системы. Развить случай для n компонентных несущих:

получить пространство состояний, СУГ Рассмотреть методы способности сети и оборудования пользователя.

Для модели схемы повторного использования частот с выделением граничной зоны соты сети LTE провести исследование модели: схематически изобразить модель, получить пространство состояний, показать диаграмму интенсивностей переходов, СУР, выписать формулы для пользователей, среднего числа занятых ресурсных блоков, Для модели гетерогенной сети следующего поколения LTE с двумя типами узлов: базовая станция и ретрансляционная структурную модель, вывести пространство состояний, записать последовательность событий за временной такт, изучить СУР, выписать формулы для различных вариантов распределения приборов и основных вероятностновременных характеристик.

Практические занятия (семинары) Не предусмотрено.

Примерная тематика курсовых проектов (работ) Не предусмотрено.

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:

а) основная литература 1) Гайдамака Ю.В., Зарипова Э.Р., Самуйлов К.Е. «Модели обслуживания вызовов в сети подвижной связи». // М.: Изд-во РУДН, 2008. – 72 с 2) Башарин Г. П., Гайдамака Ю. В., Самуйлов К. Е. Яркина Н. В. Управление качеством и вероятностные модели функционирования сетей связи следующего поколения.

Учебное пособие. – М.: Изд-во РУДН, 2008. – 157 с.: ил.

3) Гайдамака Ю.В., Гудкова И.А., Медведева Е.Г. К анализу схем повторного использования частот в беспроводной сети OFDMA // T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт. – М.: Издательский дом Медиа Паблишер. – 2012. – № 7. – С. 55–59.

4) Wu W. and Sakurai T. Capacity of reuse partitioning schemes for OFDMA wireless data networks // Proc. of the 20th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications PIMRC-2009 (September 13–16, 2009, Tokyo, Japan). – IEEE. – 2009. – P. 2240–2244.

5) Wang Y., Pedersen K.I., Mogensen P.E., Sorensen T.B. “Carrier Load Balancing Methods with Bursty Traffic for LTE-Advanced Systems”, IEEE PIMRC, cc. 22-26, 2009.

6) Wang W., Xu L., Zhang Y. A Novel Cell-level Resource Allcation Scheme for OFDMA System, IEEE ICCMC, 2009.

7) Ефимушкина Т.В., Самуйлов К.Е. Исследование методов распределения нагрузки в сетях LTE с ретрансляторами // Т-Comm, 2012. – №7.

б) дополнительная литература 1) Башарин Г.П. Лекции по математической теории телетрафика. М.: Изд-во РУДН. 3е изд. 2009. – 342 с.

2) Наумов В.А., Самуйлов К.Е., Яркина Н.А. Теория телетрафика мультисервисных сетей. М.: Изд. РУДН, 2008. – 191 с.

3) Степанов С.Н. Основы телетрафика мультисервисных сетей связи. М.: Изд. «ЭкоТрендз», 2010. – 392 с.

4) Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. – СПб.: БХВПетербург, 2005. – 288 c.

5) Гольдштейн С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г. Сети связи - СПб: БХВ-Петербург. с.

6) Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G.

– М.: Техносфера, 2009. – 472 с с.

7) Sesia S. LTE–the UMTS long term evolution : from theory to practice. – 2009. – 648 p.

8) Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Ч.1: Транспортные сети и сети доступа // М.: Инсвязьиздат, 2007. –166 с.

9) Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Ч.2: Протоколы и системы управления сеансами (Softswitch/IMS) // М.: Брис-М, 2011. –198 с.

10) Бочаров П.П., Печинкин А.В. Теория массового обслуживания: Учебник. М.: Изд-во РУДН, 1995. – 529 с., ил.

11) Соколов Н.А. Телекоммуникационные сети. Монография. – М.: Альварес Паблишинг, 2004.

12) Телекоммуникационные системы и сети: Уч. пособие. В 3-х т. Том 3. – Мультисервисные сети / Величко В.В. и др. / под ред. проф. Шувалова В.П.– М.:

Горячая линия-Телеком, 2005. – 592 с.

13) Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: в 2-х ч. Пер. с англ.

В.И. Неймана // Ч.1: М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. – 336 с., Ч.2: М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. –272 с.

14) Шнепс-Шнеппе М.А. Системы распределения информации. Методы расчета:

Справочное пособие. – М.: Связь, 1979. – 344 с.

15) Рекомендации МСЭ-Т Е.800 (09/08) Определение терминов, относящихся к качеству обслуживания.

16) Руководство МСЭ-Т по качеству услуг и функционированию сетей, 2003.

17) 3GPP TS 23.002 Technical Specification Group Services and System Aspects; Network architecture (Release 10), 2011-09.

18) Iversen V.B. Teletraffic engineering and network planning. – ITU-D, January 2011. – 19) Kelly F.P. Reversibility and stochastic network. – Chichester: Wiley, 1979. – 630 p.

20) Ross K.W. Multiservice loss models for broadband telecommunication networks. – London: Springer-Verlag, 1995. – 343 p.

21) http://www.minsvyaz.ru 22) http://www.itu.int 23) http://www.etsi.org 24) http://www.ietf.org 25) http://www.ansi.org 26) http://www.iso.org/iso/home.htm 27) http://www.3gpp.org в) программное обеспечение: лаборатории «Управление инфокоммуникациями» кафедры систем телекоммуникаций РУДН Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:

В процессе чтения курса предусмотрено два промежуточных контроля знаний и итоговый контроль знаний.

Промежуточный контроль знаний № 1.

Контроль уровня знаний осуществляется в виде письменной контрольной работы № 1, включающей 1 вопрос и 1 задачу по темам № 1 и № 2 содержания курса.

Промежуточный контроль знаний № 2.

Контроль уровня знаний осуществляется в виде письменной контрольной работы № 2, включающей 2 вопроса по темам № 3 содержания курса.

Итоговый контроль знаний.

Контроль уровня знаний осуществляется в виде письменной контрольной работы № 3, включающей 2 вопроса по темам № 1 - № 3 содержания курса.

Промежуточный контроль знаний Контрольная работа № 1. Введение в концепцию сетей подвижной связи. Анализ моделей ТМО одной соты сети GSM.

Теоретические вопросы:

1) Основные этапы развития и эволюции сетей подвижной связи в мире.

2) Сравнительная характеристика архитектурных принципов построения сетей связи GSM/UMTS/LTE/CDMA.

3) Исследование вопросов обеспечения качества услуг в сетях GSM/UMTS/LTE/CDMA.

GSM/UMTS/LTE/CDMA.

инфокоммуникационных услуг в сетях подвижной связи следующих поколений 4G LTE.

6) Полнодоступная модель с потерями: пространство состояний модели, свойство марковости СП, диаграмма интенсивностей переходов, система дифференциальных уравнений Колмогорова, СУР, условие существования решения СУР, стационарное РВ, основные вероятностные характеристики модели.

7) Неполнодоступная модель с потерями: пространство состояний модели, диаграмма интенсивностей переходов, СУР, условие существования решения СУР, стационарное РВ, основные вероятностные характеристики модели.

8) Неполнодоступная модель с бесконечной очередью и нетерпеливыми заявками:

пространство состояний модели, диаграмма интенсивностей переходов, СУР, условие существования решения СУР, стационарное РВ, основные вероятностные характеристики модели.

Примеры задач:

1) Дано: Полнодоступная модель с потерями.

Интенсивность поступления нового вызова 0 = 2, а хэндовер-вызова H = 1.

Среднее время обслуживания заявки µ 1 = 0.25.

Число радиоканалов в соте равно C = 10.

Задание:

Нарисовать диаграмму интенсивностей переходов.

Найти распределение вероятностей состояний p.

Найти вероятность потерь нового и хэндовер-вызовов.

2) Дано: Неполнодоступная модель с потерями.

Интенсивность поступления нового вызова 0 = 2, а хэндовер-вызова H = 1.

Среднее время обслуживания заявки µ 1 = 0.25.

Число радиоканалов в соте равно C = 10, g = 7.

Задание:

Нарисовать диаграмму интенсивностей переходов.

Найти распределение вероятностей состояний p.

Найти вероятность потерь нового и хэндовер-вызовов.

3) Дано: Неполнодоступная модель с бесконечной очередью и потерями.

Интенсивность поступления нового вызова 0 = 2, а хэндовер-вызова H = 1.

Среднее время обслуживания заявки µ 1 = 0.25.

Интенсивность ухода 2-заявки из очереди СМО µ1 = 1, что соответствует окончанию разговора в зоне хэндовера Интенсивность = 1.

Число радиоканалов в соте равно C = 10, g = 7.

Задание:

Нарисовать диаграмму интенсивностей переходов.

Найти распределение вероятностей состояний p.

Найти вероятность потерь нового и хэндовер-вызовов.

Контрольная работа № 2. Модели ТМО управления доступом к радиоресурсам сетей LTE и WiMAX.

Теоретические вопросы:

1) Модель схемы повторного использования частот для сети LTE без выделения граничной зоны: ввести необходимые обозначения, получить пространство состояний модели (без и с учетом ограничений на среднюю скорость передачи), сформулировать задачу максимизации числа пользователей в соте в ограничениях на среднюю скорость передачи данных пользователями, показать схематически модель соты с фиксированным числом пользователей в виде замкнутой сети массового обслуживания BCMP. Получить выражение для средней скорости загрузки данных k-пользователем.

2) Модель схемы повторного использования частот для фрагмента сети следующего поколения LTE с перекрытием частот и с услугой телефонии с трафиком реального времени в одноадресном режиме провести: изобразить функциональную модель, выписать пространство состояний СП, изобразить диаграмму интенсивностей переходов, СУЧБ, стационарное РВ, получить среднее число коллизий для случаев случайного и упорядоченного выбора ресурсных блоков.

3) Модель схемы динамического распределения ресурсов с агрегацией несущих: построить модель системы, состоящую из одной компонентной несущей. Получить стационарное РВ, вероятность блокировки системы. Развить случай для n компонентных несущих:

выписать пространство состояний, диаграмму интенсивностей переходов, СУГ 4) Модель схемы повторного использования частот с выделением граничной зоны соты сети LTE: описать математическую модель, пространство состояний, диаграмму интенсивностей переходов, СУР, получить вероятность блокировки внутренних и граничных пользователей, среднее число занятых ресурсных блоков.

5) Модель гетерогенной сети следующего поколения LTE с двумя типами узлов: базовая станция и ретрансляционная станция: построить модели, пространство состояний, изобразить последовательность событий за временной такт, получить различные варианты распределения приборов.

Итоговый контроль знаний Контрольная работа № 3. Модели для анализа сетей связи.

Теоретические вопросы:

1) Основные этапы развития и эволюции сетей подвижной связи в мире.

2) Сравнительная характеристика архитектурных принципов построения сетей связи GSM/UMTS/LTE/CDMA.

3) Исследование вопросов обеспечения качества услуг в сетях GSM/UMTS/LTE/CDMA.

GSM/UMTS/LTE/CDMA.

инфокоммуникационных услуг в сетях подвижной связи следующих поколений 4G LTE.

6) Полнодоступная модель с потерями: пространство состояний модели, свойство марковости СП, диаграмма интенсивностей переходов, система дифференциальных уравнений Колмогорова, СУР, условие существования решения СУР, стационарное РВ, основные вероятностные характеристики модели.

7) Неполнодоступная модель с потерями: пространство состояний модели, диаграмма интенсивностей переходов, СУР, условие существования решения СУР, стационарное РВ, основные вероятностные характеристики модели.

8) Неполнодоступная модель с бесконечной очередью и нетерпеливыми заявками:

пространство состояний модели, диаграмма интенсивностей переходов, СУР, условие характеристики модели.

9) Модель схемы повторного использования частот для сети LTE без выделения граничной зоны: состояний модели (без и с учетом ограничений на среднюю скорость передачи), задача максимизации числа пользователей в соте в ограничениях на среднюю скорость передачи данных пользователями, модель соты с фиксированным числом пользователей в виде замкнутой сети массового обслуживания BCMP, средняя скорость загрузки данных k-пользователем.

10) Модель схемы повторного использования частот для фрагмента сети следующего поколения LTE с перекрытием частот и с услугой телефонии с трафиком реального времени в одноадресном режиме провести: функциональную модель, пространство состояний СП, диаграмма интенсивностей переходов, СУЧБ, стационарное РВ, среднее число коллизий для случаев случайного и упорядоченного выбора ресурсных блоков.

11) Модель адаптивной многоскоростной системы с эластичным трафиком: модель системы, состоящая из одной компонентной несущей (стационарное РВ, вероятность блокировки системы), случай для n компонентных несущих (пространство состояний, диаграмма интенсивностей переходов, СУГБ).

12) Модель схемы разделения частотного спектра соты сети LTE: математическая модель, пространство состояний, диаграмма интенсивностей переходов, СУР, вероятность блокировки внутренних и граничных пользователей, среднее число занятых ресурсных блоков.

13) Модель гетерогенной сети следующего поколения LTE с двумя типами узлов: базовая станция и ретрансляционная станция: построение модели, пространство состояний, последовательность событий за временной такт, различные варианты распределения приборов, основные вероятностно-временные характеристики.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО КУРСУ

Тема 1.1 Основные этапы развития и эволюции сетей подвижной связи в мире Возросшая потребность пользователей находиться на связи не только в некоторой окрестности точки доступа (телефонной розетки), но и на много большей территории привела к тому, что была реализована технология сотовой связи. При этом подключение абонента в сеть и потребление услуг происходит не посредством включения абонентского устройства (АУ) в телефонную розетку, а путем взаимодействия данного устройства с радиосетью оператора. Данная сеть организуется посредством базовых станций (БС), объединенных в единую сеть и обеспечивающих зону радиопокрытия оператора связи.

Первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим, начала работу в 1946 г. в г. Сент-Луис (США). Радиотелефоны, применявшиеся в этой системе, использовали фиксированные каналы. Если канал связи был занят, то абонент вручную переключался на свободный канал. Аппаратура была громоздкой и неудобной в использовании.

Центральный узел передавал высокочастотные сигналы огромной мощности на расстояние 100 км.

Телефонная система предоставляла 11 каналов, работавших по принципу частотной модуляции, с шириной полосы частот 40 МГц. Затем последовали две улучшенные системы (IMTS-MJ и -MK), занимающие 11 и 12 каналов с шириной полосы частот 152 МГц и 454 МГц соответственно.

Технология и использование частотной модуляции были усовершенствованы, радиоканалы стали более узкими. Самым ранним мобильным телефонам был необходим спектр частот в 120 кГц, чтобы передать голосовой сигнал 3 кГц.

С развитием техники системы радиотелефонной связи совершенствовались: уменьшались габариты устройств, осваивались новые частотные диапазоны, улучшалось базовое и коммутационное оборудование, в частности, появилась функция автоматического выбора свободного канала (trunking). Но при огромной потребности в услугах радиотелефонной связи возникали и проблемы.

Главная из них – ограниченность частотного ресурса: число фиксированных частот в определенном частотном диапазоне не может бесконечно увеличиваться, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами начинают создавать взаимные помехи.

В середине 40-х годов исследовательский центр Bell Laboratories американской компании AT&T ( небольшие участки – соты (cell – ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без всяких взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке. Однако прошло более 30 лет, прежде чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне. Причем в эти годы разработка принципа сотовой связи велась в различных странах мира не по одним и тем же направлениям.

телекоммуникационном рынке показывают, что традиционные сети связи (передачи данных, фиксированной и мобильной телефонии), уже не в состоянии удовлетворять современным требованиям пользователей услуг связи. В рамках решения этой проблемы телекоммуникационное сообщество выдвинуло новую парадигму – сети следующего поколения NGN (Next Generation Network). Основной идеей сетей следующего поколения является использование пакетных технологий для передачи различного видов информации по единой сетевой структуре.

К основным тенденциям современного рынка телекоммуникаций относят:

массовое внедрение современных систем и средств связи, имеющих высокую производительность и большие запасы пропускной способности;

кардинальное изменение сетевых архитектур, отказ от жесткой иерархии, характерной для классических телефонных сетей;

современные сети связи имеют функционально разделенные уровни транспортной коммутируемой сети и формирования услуг;

обострение конкуренции в наиболее динамичных секторах рынка (мобильная связь, кардинальные изменения в бизнес-модели оператора новых услуг. Разделение на инфраструктурную модель (создание и обслуживание сетей) и сервисную модель (предоставление инфотелекоммуникационных услуг);

наличие промежуточных звеньев при предоставлении инфокоммуникационных услуг, и изменение статуса услуги;

уменьшение роли голосовых услуг.

Переход к сетям NGN вызван переменами в структуре сетевого трафика и изменениями условий развития телекоммуникационной индустрии. Однозначного определения архитектуры и услуг NGN мировое телекоммуникационное сообщество пока не выработало. В начале 2004 года Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T, МСЭ-Т) дал следующие определение сети NGN: «NGN – это сети с коммутацией пакетов, в которых функции коммутации отделены от функции предоставления услуг, они позволяют предоставить широкий перечень услуг и добавлять новые по мере их разработки. Так же сеть NGN обеспечивает широкополосный доступ и поддерживает механизмы качества QoS (Quality of Service). МСЭ выделяет следующие основные характеристики NGN:

сеть на базе коммутации пакетов, которая имеет разделенные функции управления и переноса информации, в которой функции услуг и приложения отделены от функций сеть компонентного построения, где связь между компонентами осуществляется по сеть, поддерживающая широкий спектр услуг, включая услуги в реальном времени и услуги доставки информации, в том числе мультимедийные услуги;

сеть, обеспечивающая взаимодействие с традиционными сетями связи;

сеть, обладающая общей мобильность, т.е. позволяющая отдельному абоненту пользоваться и управлять услугами независимо от технологии доступа и типа используемого терминала и предоставляющая абоненту возможность свободного выбора Таким образом, можно говорить, что с одной стороны NGN – это не простое развитие или комбинация уже имеющихся телекоммуникационных сетей. Она не является по своей сути технологией, предназначенной для модернизации отдельных сетевых узлов или фрагментации сети.

Напротив, это качественное изменение всей сетевой структуры. С другой стороны, появление и развитие сетей NGN – это скорее эволюция, т.е. развитие на базе традиционных сетей связи с наследованием их преимуществ и устранением недостатков.

В настоящее время общепринято выделять четыре поколения реализованных (внедренных на практике) систем мобильной связи, представленных на рисунке 1. В таблице 1 перечислены основные направления развития мобильной связи в мире с одним из возможных вариантов разделения на поколения. Следует отметить, что на данный момент в мире не существует единого мнения относительно данного вопроса.

Таблица 1 – Развитие технологий мобильной связи 3G (IMT-2000) 3.5G, 3.75G, 3.9G 4G (IMT-Advanced) 1G (1 Generation) – первое поколение мобильных телекоммуникаций, устройства, относящихся к этому поколению были аналоговыми и изначально предназначались только для передачи голоса. Аналоговые сети мобильной связи были созданы в середине 1980-х годов, как, например, система NMT (Nordic Mobile Telephone) и Американская система мобильной связи AMPS (American Mobile Phone System). Такие сети предоставляли пользователю основные (базовые) услуги, при этом акцент делался на услуги, ориентированные на передачу речи. Сети этого поколения создавались только в масштабах одной страны, и очень часто их основные технические характеристики устанавливались по соглашению между национальным оператором связи и местной промышленностью без открытой публикации технических данных. Из-за наличия особенностей национальных технических требования, сети первого поколения были несовместимы друг с другом.

Первые сотовые телефоны были величиной с небольшой чемоданчик и устанавливались в автомобили. Затем появились «трубки-кирпичи», которые уже можно было носить с собой, но их размеры и вес доставляли множество неудобств.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации – signaling). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот – применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов и невысокому качеству передачи голоса. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

Цифровые мобильные системы второго поколения 2G появились в конце 90-годов прошлого столетия. Они обеспечивали не только качественную передачу речи, но и низкоскоростную передачу данных (до 14,4 Мбит/с).

2G (2 Generation) передает оцифрованный звук, что увеличивает надежность связи и повышает скорость передачи до 14,4 Кбит/с, позволяя обмениваться небольшими текстовыми сообщениями SMS (Short Message Service). Еще в начале 60-х годов прошлого века инженер Пол Баран предложил американским военным оцифровывать передаваемую информацию для сохранности ее первоначального вида. Министерство обороны идею проигнорировало, но за нее ухватились гражданские компании. В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service), или IS-54 (Interim Standard, то есть «промежуточный стандарт»). Его практическое использование началось в 1993 г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем («лоскутное одеяло»). Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (Global System for Mobile communication) (GSM 900 – диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982, г., к 1987 г. были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г. В Америке и ряде азиатских стран широкое распространение получила другая система второго поколения – cdmaOne (IS-95), базирующаяся на технологии CDMA (Code Division Multiple Access). Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. – PDC (Personal Digital Cellular, персональная цифровая сотовая связь). Но на этом развитие цифровых систем сотовой связи не остановилось.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Дело в том, что цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы. Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически, в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи.

Отличие последней, от исходной системы GSM 900, не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990 гг. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System, цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN (Personal Communications Network), что в буквальном переводе означает «сеть персональной связи») и начала использоваться с 1993 г.

В 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи PCS (Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM 1900 – стандарт IS-661). Применение на мобильных сетях технологии оцифровки сигнала в эфире, а, следовательно, возникновение цифровых мобильных сетей и цифровой мобильной связи позволило значительно увеличить емкость системы, а так же значительно улучшило качество голосовой связи.

Поколение мобильной связи 2,5G – переходный этап. Предпосылкой возникновения данного поколения явилась потребность в большем ресурсе для передачи данных. Для более полного понимания решения, примененного для увеличения пропускной способности передачи данных необходимо дать четкое понятие термину «остаточный ресурс». Рассмотрим это понятие на примере c комнатой и парами людей. Для того чтобы все пары людей (голосовые вызовы) разместились вдоль стены (а несущей), заполнение данной комнаты обязательно должно контролироваться таким образом, чтобы вдоль стены неизменно оставалось место для новых пар (свободные каналы). В случае, когда абонент желает произвести звонок, а на несущей нет свободных каналов, система сообщит ему, что «сеть перегружена» или «Вызов не выполнен». Некоторое количество каналов на несущей, которое в данный момент не занято абонентами, называется остаточным ресурсом.

Каждый оператор связи строит свою сеть таким образом, чтобы остаточный ресурс обязательно присутствовал для обеспечения голосовой связью всех желающих на случай резкого увеличения количества звонящих (например, на Новый Год и проч.).

Основной идеей поколения 2,5G является предоставление пользователю пакетной передачи данных дополнительных каналов из остаточного ресурса. При этом в начале сессии пакетной передачи данных абоненту назначается все тот же, определенный поколением 2G базовый канал 9, кбит/с. По мере того, как система фиксирует полное потребление выделенного ресурса, абоненту назначаются дополнительные каналы до тех пор, пока не будет исчерпан остаточный ресурс, или пока данным абонентом не будет достигнута пропускная способность 153 кбит/с. При этом, как только в данном секторе появится абонент, устанавливающий голосовое соединение, система отберет один из дополнительных каналов у абонента пакетной передачи данных и выделит его голосовому абоненту. Таким образом, голосовые соединения имеют приоритет по получению ресурса сети. Ввиду того, что абонентская база оператора, как правило, растет быстрее, чем наращивается ресурс БС, остаточный ресурс имеет тенденцию к непрерывному уменьшению. В свою очередь пропускная способность в части пакетной передачи данных на одного абонента неуклонно сокращается, что приводит к недовольству абонентов. Из-за такого рода особенностей распределения ресурса в эфире сети, построенные на технологиях поколения 2,5G, не могут обеспечить достаточной пропускной способности для применения мультимедийных приложений (Мобильное телевидение, видео по запросу и т.п.).

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов TDMA (Time Division Multiple Access).

Однако уже в 1992-1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов CDMA – стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 19951996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причем в Южной Корее – наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло свое преломление и в Японии, где в 1991- гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System, система персонального ручного телефона).

Системы третьего поколения мобильной связи 3G (Third Generation) реализуются на базе новой радиотехнологии, обеспечивающей высокую скорость передачи мультимедийной информации и беспроводной доступ в Интернет. В Европе для систем 3G используют термин UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, универсальная мобильная телекоммуникационная система). Внедряется и система третьего поколения мобильной связи cdma2000, представляющая собой дальнейшее развитие стандарта IS-95 cdmaOne. Таким образом, системы мобильной связи 3G развиваются по двум направлениям – UMTS и cdma2000. В рамках UMTS обеспечивается преемственность GSM и GPRS (General Packet Radio Service), разработаны технологии повышения пропускной способности нисходящего (к абоненту) и восходящего (к базовой станции) направлений передачи данных: технологии HDSPA (High Speed Downlink Packet Access) и HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), соответственно. Основной идеей третьего поколения мобильной связи является организация такого распределения голоса и данных в эфире, при котором увеличение голосовой нагрузки никак не повлияет на скорость передачи данных. Это решение заключается в принципиальном разделении по разным несущим голоса и данных. HDSPA (высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) – стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/с.

Не менее значимой и интересной является история развития сетей мобильной связи третьего поколения в Европе. В европейской истории можно выделить следующие периоды:

1992-1995 гг.: в ходе работ по проекту МoNеt в рамках исследовательской программы RACE (Research in Advanced Communications in Europe) проводилось моделирование технологий и распределение функций между сетью радиодоступа и базовой сетью сетей 1995-1998 гг.: исследования продолжались в рамках программы ACTS (Advanced Communication Technology and Services) проекта FRAMES (Future Radio Wideband Multiple Access System);

с 1998 г. по настоящее время исследования сосредоточились в Партнерском проекте по системам третьего поколения (ЗGPP) при Европейском институте стандартизации электросвязи ETSI (European Telecommunications Standards Institute).

При разработке системы ЗG в Европе в основном использовались технические решения, полученные для сетей GSM, по следующим двум причинам: во-первых, технология GSM была доминирующей на европейском рынке мобильной связи, во-вторых, в развитие сетей GSM были вложены гигантские инвестиции, требовавшие скорейшей окупаемости. Кроме того, будущая система 3G должна была удовлетворять следующим требованиям:

иметь полное описание и технические требования в виде открытых стандартов, так же превосходить сети GSM по всем аспектам. В начале разработки и эксплуатации система 3G должна быть совместима как минимум с сетями GSM и ISDN (Integrate Services поддерживать мультимедийные и другие услуги во всех подсистемах сети;

обеспечивать высокую пропускную способность сети радиодоступа и получить распространение во всем мире. Требования к пропускной способности сети 3G должны превышать соответствующие требования к узкополосным мобильным сетям GSM и широкополосным стационарным мультимедийным сетям;

услуги, предоставляемые конечным пользователям сетей 3G, не должны зависеть от особенностей технологии радиодоступа, а выбранная архитектура – ограничивать внедрение новых услуг связи. Технологическая платформа и услуги должны быть взаимонезависимы, иметь открытую структуру.

В рамках европейской исследовательской программы ACTS («Перспективные технологии и услуги связи») по проекту FRAMES («Перспективные системы широкополосного множественного радио доступа») была проведена всесторонняя оценка различных технологий множественного доступа с целью выбора технологии радиоинтерфейса для европейского стандарта системы 3G – системы UMTS. Основной задачей проекта FRAMES была разработка концепции радиоинтерфейса и предложений для стандартизации системы UMTS. В процессе работы над радиоинтерфейсом для системы UMTS европейские производители оборудования связи предложили рабочей группе SMG Технического комитета по мобильной связи ETSI пять концепций:

W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) – широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов;

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) – множественный доступ с частотным разделением каналов;

W-TDMA (Wideband Time Division Multiple Access) – широкополосный множественный доступ с временным разделением каналов;

TDMA/CDMA – широкополосный множественный доступ с кодово-временным ODMA (Opportunity-Driven Multiple Access) – множественный доступ с гибкими Технология фиксированного WiMAX (IEEE 802.16-2004) не оправдала возлагавшихся на нее надежд по быстродействию, объему зоны покрытия и ценовым характеристикам. Но операторы справедливо ожидают качественного прорыва от мобильного WiMAX (IEEE 802.16e), который уже начал активно внедряться во всех странах мира, включая Россию. Разработчики технологии LTE (Long-Term Evolution), изложенной в Релизе 8 перешли от технологии радиоинтерфейса W-CDMA к более прогрессивной технологии OFDMA. При этом среди целей разработки новой системы, выделяют: значительное повышение спектральной эффективности (доведение ее до 5 бит/с/Гц), увеличение пропускной способности в линии «вниз» до 100 Мбит/с при ширине полосы одного частотного канала 20 МГц. Дальнейшее развитие сети LTE представлено в релизах 9 и 10, последний из которых направлен на создание усовершенствованной технологии LTE Advanced. К основным требованиям к стандарту мобильных сетей четвертого поколения (4G) относят полосу пропускания в линии «вниз» — 100 МГц, в линии «вверх» — 60 МГц.

Обзор рекомендаций международного консорциума 3GPP в части стандартизации сетей подвижной связи следующих поколений 4G LTE Рекомендации консорциума 3GPP включают в себя описания радиоинтерфейса, базовой сети, а также структуры сервисов. Работа над стандартами 3GPP ведется поэтапно – релизами:

Release 98 (утвержден в 1998 году) и более ранние релизы описывают сети GSM, GPRS и EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).

Release 99 (1 квартал 2000 года) описывает первые сети UMTS, использующие беспроводной интерфейс с широкополосным множественным доступом W-CDMA. Наземная сеть радиодоступа UMTS может работать в двух дуплексных режимах: FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex) – в парных и непарных диапазонах, соответственно, что позволяет эффективно использовать спектр с учетом специфики выделения частот в различных регионах. Сигнал подвергается процедуре расширения спектра методом прямой последовательности с чиповой скоростью 3.84 Мчип/с и передается по каналу шириной 5МГц. Кадр продолжительностью 10 мс делится на 15 таймслотов. Данный стандарт обеспечивает скорость передачи данных до 384 кбит/с (пиковая скорость – до 1920 кбит/с.).

Release 4 (2 квартал 2001 года). Внесены изменения в стандарт, в частности, представлена полностью IP (Internet Protocol) базовая сеть.

Release 5 (1 квартал 2002 года). Добавлена технология HDSPA (условно относится к поколению 3,5G) – пакетный сервис в прямом (восходящем) канале сети W-CDMA. Скорость передачи данных в прямом канале – до 14,4 Мбит/с, в обратном – 2 Мбит/с.

Release 6 (4 квартал 2004 года). Добавлена технология HSUPA – сервис в обратном канале сети W-CDMA, увеличивающий пиковую скорость передачи данных до 5,76 Мбит/с.

Release 7 (2007 год). В рамках этого релиза проведена работа над уменьшением задержек, развитием технологий HSPA (HSPA+ или HSPA Evolution) (High Speed Packet Access) и EDGE (EDGE Evolution). Теоретически пиковая скорость возросла до 42 Мбит/с в прямом и до 11 Мбит/с в обратном каналах.

Согласно плану стандартизации технологии LTE работа основных рабочих групп 3GPP сосредоточена на разработке и совершенствовании трех релизов (таблица 2) Таблица 2 – Краткая характеристика стандартов сетей LTE Releases 8-10 3GPP Release Декабрь 2009 г. (SAE Enhancements). Реализация сетевого взаимодействия Release Release Первые, предварительные спецификации LTE создавались в рамках документа, называемого 3GPP Release 7. В декабре 2008 года утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE. На текущий момент времени последний утвержденный релиз 3GPP Release 10 (март 2011 года) является технической спецификацией следующего этапа развития LTE – LTE Advanced. В указанных требованиях предусмотрено, что в нисходящем радиоканале будет обеспечена максимальная пропускная скорость передачи данных до 1000 Мбит/с, а в восходящем – до 500 Мбит/с. По сути, это требования к стандарту сетей четвертого поколения. В рамках деятельности проекта 3GPP в сентябре 2007 года определена программа долгосрочного развития систем третьего поколения, одобренная в качестве стратегического направления деятельности ETSI на Генеральной Ассамблее в ноябре того же года.

Были разработаны технические отчеты по начальной стадии эволюции E-UTRAN (TR 25.813, TR 25.814 и TR 25.913), определяющие эволюцию архитектуры высокого уровня SAE (TR 23.882) (System Architecture Evolution) системы LTE.

Тема 1.2. Сравнительная характеристика архитектурных принципов построения сетей GSM/UMTS/LTE/CDMA Стандарты подвижной радиотелефонной связи GSM, UMTS, LTE последовательно развиваются консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и наследуют используемые подходы и решения. Это обеспечивает единообразие используемых подходов к построению сетей, а также, до определенной степени, повторное использование элементов архитектуры сетей.

Стандарты CDMA (CDMAOne, CDMA-2000, EV-DO) разрабатываются консорциумом 3GPP2 и являются самостоятельным направлением, опирающимся на собственные решения. Необходимо отметить, что в настоящее время стандарт LTE рассматривается в качестве стандарта следующего поколения, развивающего как сети, построенные на базе более ранних стандартов 3GPP, так и сети, построенные на базе стандартов 3GPP2. Далее дан общий вид архитектур сетей стандартов GSM/UMTS/CDMA/LTE и приведены составляющие их элементы.

Архитектура сетей стандартов GSM/UMTS Архитектуры сетей стандартов GSM/UMTS в настоящее время представляют собой единое решение. Различие, как показано далее, состоит в элементах, составляющих сеть радиодоступа RAN (Radio Access Network). Составляющие опорной сети или ядра сети CN (Core Network) одинаковы для обоих рассматриваемых стандартов, отличия ограничены рядом выполняемых элементами архитектуры функций, необходимых для поддержки стандарта UMTS. Общая архитектура сетей GSM/UMTS приведена на рисунке 2. В нее входят следующие элементы:

Mobile Station (MS) – подвижная станция, включает в себя следующие элементы:

Mobile Equipment (ME) – оборудование подвижной станции;

Subscriber Identity Module (SIM) – модуль идентификации абонента. Начиная с релиза также носит название USIM (UMTS SIM);

BSS (Base Station Subsystem) – подсистема базовых станций. Представляет собой сеть радиодоступа GSM – GRAN (GSM Radio Access Network). При внедрении на сети радиодоступа технологии беспроводной пакетной передачи данных поколения 2.5G – EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), сеть радиодоступа принято называть GERAN (GSM EDGE RAN). Подсистема BSS включает в себя следующие элементы:

BTS (Base Transceiver Station) – базовая станция;

BSC (Base Station Controller) – контроллер базовых станций;

RNS (Radio Network System) – сеть радиодоступа. Представляет собой подсистему наземного радиодоступа UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network, UTRAN).

Включает в себя следующие элементы:

Radio Network Controller (RNC) – контроллер подсистемы радиодоступа;

Node B – узел, соответствующий базовой станции, которая обслуживает одну или более сот UTRAN;

CN (Core Network) – ядро сети подвижной радиотелефонной связи, также опорная сеть.

Ядро GSM называется подсистемой сети и коммутации NSS (Network and Switching Subsystem). Элементы ядра сети принято разделять на два следующих домена:

CS (Circuit Switched) – домен коммутации каналов (КК), включает элементы, поддерживающие работу на базе коммутации каналов, в частности поддержку услуг GPRS. К элементам домена КК сети CN относятся следующие:

MSC (Mobile-services Switching Centre) – центр коммутации подвижной связи, может разделяться на сервер MSC (MSC Server), отвечающий за обработку сигнализации, и медиашлюз коммутации каналов CS-MGW (Circuit Switched – Media Gateway Function), который обеспечивает работу с пользовательскими данными;

VLR (Visitor Location Register) – визитный регистр местонахождения;

PS (Packet Switched) – домен коммутации пакетов, включает элементы, поддерживающие работу на базе коммутации пакетов (КП). К ним относятся следующие элементы:

GGSN (Gateway GPRS Support Node) – шлюзовый узел поддержки пакетной передачи данных через радиоинтерфейс;

SGSN (Serving GPRS Support Node) – узел текущей поддержки пакетной передачи данных через радиоинтерфейс;

Также в ядро сети CN входят следующие элементы, не относящиеся строго к одному из двух доменов:

HLR (Home Location Register) – опорный регистр местонахождения;

AuC (Authentication Centre) – центр аутентификации;

EIR (Equipment Identity Register) – регистр идентификации оборудования;

PCRF (Policy and Charging Rules Function) – функции реализации правил политики и тарификации, включает в себя H-PCRF (Home-PCRF) и V-PCRF (Visiting-PCRF);

платформа IMS (IP Multimedia Subsystem) может рассматриваться как отдельный комплекс элементов опорной сети. В задачи платформы IMS входит универсализация процессов внедрения услуг на сети оператора связи и их предоставления пользователям на базе протокола IP вне зависимости от используемого терминала и технологии доступа, включая и доступ посредством сети подвижной радиотелефонной связи. При полном или полнофункциональным аналогом из состава платформы IMS – сервером абонентских данных HSS (Home Subscriber Server). Платформа IMS представляет собой самостоятельный комплекс решений, интегрируемый с системами OSS/BSS оператора связи, обеспечивающий универсальный доступ к услугам и интегрируемый с платформами предоставления услуг SDP (Service Delivery Platform).

Необходимо отметить, что при переходе от сети GSM к сети GSM/UMTS необходимые изменения включают не только внедрение новых базовых станций и контроллеров, но и дополнение функционала узлов MSC и SGSN для организации взаимодействия с ними (например, поддержка интерфейса Iu). При этом узлы могут именоваться 3G-MSC и 3G-SGSN, соответственно.

Архитектура сети стандарта LTE Рассматривая архитектуру сетей LTE, необходимо отметить, что стандарты LTE определяют, прежде всего, принципы организации радиоинтерфейса и сети радиодоступа, которые на настоящий момент позволяют обеспечивать передачу данных со скоростями, соответствующими требованиям к стандартам 4G (в рамках стандарта LTE-Advanced). Архитектуру опорной сети LTE принято называть эволюцией системной архитектуры SAE или развитой пакетной опорной сетью EPC (Evolved Packet Core). Сеть SAE представляет собой эволюционное развитие домена КП сетей GSM/UMTS и использует некоторые из его элементов. Сеть радиодоступа LTE принято называть развитой сетью UTRAN (evolved UTRAN, eUTRAN). Сочетание сетей eUTRAN и EPC, т.е.

полноценная сеть подвижной радиотелефонной связи, включающая как сеть радиодоступа, так и ядро, носит обозначение развитой пакетной системы EPS (Evolved Packet System). Архитектура SAE представлена на рисунке 3. Архитектура сети eUTRAN представлена на рисунке 4.

Представленная на рисунках 3 и 4 архитектура EPS использует некоторые элементы, характерные для архитектуры сетей GSM/UMTS, но также включает в себя следующие новые элементы:

UE (User Equipment) – абонентская (радио) станция;

сеть радиодоступа eUTRAN состоит из взаимодействующих базовых станций стандарта LTE – eNodeB (E-UTRAN NodeB, eNB) и является одноранговой сетью;

опорная сеть EPS – EPC представляет собой сеть, полностью функционирующую на базе коммутации пакетов. При этом, как видно из рисунка П.1.3 в ней предусмотрена возможность взаимодействия с сетями GSM/UMTS, для чего используются элементы SGW и SGSN. Ядро сети EPC включает следующие новые элементы:

MME (Mobility Managemen Entity) – модуль управления мобильностью;

S-GW (Serving GW) – обслуживающий шлюз;

PDN GW (Packet Data Networks Gateway) – шлюз взаимодействия с сетями, использующими технологию с коммутацией пакетов;

HSS– сервер абонентских данных. Включает в себя функциональность HLR/AUC.

В архитектуре сети EPS развита роль платформы IMS, которая рассматривается как существенный элемент сети. Согласно стандартам, предоставление услуг в сетях LTE, включая услуги телефонной связи (на базе VoIP) и коротких сообщений SMS осуществляется средствами платформы IMS. Однако при дальнейшей разработке стандартов были приняты во внимание следующие объективные условия:

операторы связи, в большинстве своем, уже обладают инфраструктурой сетей стандартов GSM/UMTS/CDMA, которая позволяет предоставлять услуги телефонной связи и передачи SMS с достаточным уровнем качества и без привлечения платформы построение сетей стандартов GSM/UMTS/CDMA потребовало от операторов связи больших объемов капитальных затрат. В условиях долгосрочной окупаемости инфраструктуры сетей подвижной радиотелефонной связи, операторы заинтересованы в эксплуатации существующей инфраструктуры и максимальной амортизации затрат на построение действующих сетей;

основной целью операторов при построении сетей LTE, в настоящий момент, является предоставление абонентам услуг беспроводного доступа в сеть Интернет с пропускной способностью, соответствующей требованиям к 4-му поколению систем подвижной конкурентоспособность на рынке услуг доступа в сеть Интернет в целом, развивать комплекс предлагаемых услуг, повысить лояльность абонентов, стимулировать потребление ими услуг доступа и оптимизировать нагрузку на операторскую С учетом реалий отраслевого рынка, консорциумом 3GPP были разработаны переходные модели внедрения сетей EPS с использованием существующей инфраструктуры. Согласно этим моделям, услуги радиотелефонной связи и передачи SMS, продолжают оказываться на базе существующей инфраструктуры, при этом услуги передачи данных, включая услуги доступа в сеть Интернет, оказываются с использованием возможностей сетей EPS.

Архитектура сети стандарта CDMA- Актуальным и применяемым на сегодняшний день стандартом консорциума 3GPP2 является стандарт CDMA-2000 (также известен как IMT Multi-Carrier), который представляет собой прямое развитие сетей стандарта cdmaOne поколения 2G (так же известного как IS-95) и сохраняет обратную совместимость с ним. Несмотря на то, что сети стандарта CDMA-2000 являются самостоятельным решением и с технической точки зрения имеют существенное количество отличий от сетей стандартов 3GPP, архитектура сетей CDMA идеологически близка сетям GSM/UMTS. При этом комплексом стандартов CDMA-2000 определены различные радиоинтерфейсы доступа (в т.ч.

СDMA2000 1X, CDMA-2000 EV-DO Rev. 0, CDMA2000 EV-DO Rev. A, CDMA2000 EV-DO Rev. B).

Архитектура сетей стандарта CDMA-2000 приведена на рисунке П.1.5. Аналогично архитектуре сетей GSM/UMTS, архитектура CDMA-2000 включает домены коммутации каналов и коммутации пакетов. В архитектуру CDMA-2000 входят следующие основные элементы, включая аналогичные по наименованию элементам архитектур сетей GSM/UMTS:

Mobile Station (MS) – подвижная станция, включает в себя следующие элементы:

User Identity Module (UIM) – модуль идентификации абонента;

Mobile Equipment (ME) – оборудование подвижной станции, в отсутствии UIM способное обеспечивать только соединение с экстренными службами;

BS (Base Station) – базовая станция. Включает в себя следующие элементы:

BTS (Base Transceiver Station) – базовая станция;

BSC (Base Station Controller) – контроллер базовых станций;

EIR (Equipment Identity Register) – регистр идентификации оборудования;

MSC (Mobile-services Switching Centre) – центр коммутации подвижной связи;

VLR (Visitor Location Register) – визитный регистр местонахождения;

HLR (Home Location Register) – опорный регистр местонахождения.

Сравнительная характеристика сетей стандартов GSM/UMTS/LTE/CDMA Обобщенная информация о сетях трех описанных стандартов представлена в таблице 3.

Таблица 3 – Сравнение архитектур стандартов GSM/UMTS, CDMA, LTE Разрабатывающая организация Поколение стандартов связи Как можно видеть, архитектуры GMS/UMTS и CDMA-2000 построены с использованием единых принципов. В обоих случаях имело место развитие сетей с коммутацией каналов за счет добавления элементов, обеспечивающих взаимодействие с сетями с коммутацией пакетов. При этом необходимо учитывать, что используемые принципы организации взаимодействия элементов архитектуры и принципов маршрутизации передаваемых данных существенно различаются, что является причиной малой совместимости сетей стандартов GSM/UMTS и CDMA. Для сетей всех стандартов стандарт LTE выступает в качестве следующего этапа развития. Архитектура опорной сети EPC предусматривает средства взаимодействия с пользовательскими устройствами вне зависимости от используемой сети.

Тема 1.3. Вопросы обеспечения качества услуг в сетях GSM/UMTS/LTE/CDMA Термин качество услуги QoS сегодня широко используется не только применительно к традиционным телефонным сетям, где он впервые появился, но и все больше рассматривается применительно к беспроводным, широкополосным и мультимедийным услугам, в том числе, на основе протокола IP. Общее определение понятия качества дает словарь ИСО 8402 1994 г.:

«совокупность характеристик объекта, определяющих его способность удовлетворять заявленным требованиям». На основе общего понятия качества стандарта ИСО 8402 были определены основные термины в области качества услуг связи, впервые приведенные в Рекомендации МСЭ-Т Е.800. В Рекомендации МСЭ-Т Е.800 дано следующее определение QoS: «совокупный показатель эксплуатационных характеристик услуги, определяющий степень удовлетворенности пользователя услугой». В целом качество услуги характеризуется совокупностью следующих основных потребительских свойств: обеспеченностью, удобством использования, действенностью, безопасностью и другими свойства, специфичными для каждой услуги.

Обеспеченность – способность оператора сети связи предоставлять обслуживание (набор услуг) и помогать потребителю использовать его.

Удобство использования – свойство услуги, характеризующее, насколько успешно и легко потребитель может ее использовать.

Действенность – свойство услуги быть предоставленной тогда, когда это необходимо потребителю, и продолжаться без чрезмерного ухудшения в течение требуемого времени (в пределах определенных заданных условий).

Безопасность – свойство услуги быть защищенной от несанкционированного доступа, злонамеренного и неправильного использования, преднамеренной порчи, ошибок в использовании и стихийных бедствий.

Из четырех перечисленных выше свойств важнейшим является действенность, которая, в свою очередь, имеет три составляющие:

доступность – свойство услуги быть предоставленной тогда, когда это необходимо непрерывность – свойство услуги, будучи предоставленной, продолжаться в течение целостность – свойство услуги, будучи предоставленной, обеспечиваться без чрезмерного ухудшения.

Часто для определения и описания QoS используют понятие качества функционирования сети NP (Network Performance). Качество функционирования сети определяется как совокупность параметров, характеризующих способность сети или ее части выполнять функции, обеспечивающие связь между пользователями. Однако очень важно понимать, что термин QoS отличается от понятия NP. QoS – это результат восприятия пользователя, в то время как NP определяется эксплуатационными характеристиками отдельных сетевых элементов или эксплуатационными характеристиками всей сети в целом. Однако NP влияет на QoS, оно является его частью.

Совокупные эксплуатационные характеристики услуги определяются совокупным показателем эксплуатационных характеристик всех сетевых элементов.

Таким образом, QoS не только задается или определяется показателями, которые могут быть выражены техническими показателями (параметрами качества функционирования сети), но также определяется субъективным показателем, который определяет ожидаемое и воспринимаемое пользователем качество.

Также QoS можно оценивать с разных позиций, а именно, с позиции абонента (пользователя) и позиции оператора связи. В первом случае речь идет об удовлетворенности абонента получаемой услугой. Во втором – об оценке использования технических ресурсов, которыми располагает оператор связи, описывающих возможности предоставления услуг связи. Таким образом, существует взаимосвязь между требованиями пользователя и его восприятием предоставляемого ему качества услуги с одной стороны и планируемым и достигнутым оператором связи качества услуги с другой стороны. Качество услуги, воспринимаемое абонентом, характеризуется потребительскими свойствами, каждое из которых, в свою очередь, определяется различными параметрами качества функционирования сети. Качество функционирования сети характеризуется способностью сети к обработке трафика, качеством передачи и надежностью. Наиболее важной составляющей качества функционирования сети является способность к обработке трафика – способность сетевого объекта при заданных внутренних условиях отвечать заданным требованиям по обработке трафика, которые определяются его величиной и другими характеристиками. Под внутренними условиями понимается, например, соотношение числа работоспособных и неработоспособных частей объекта. Способность объекта обрабатывать трафик зависит от его надежности, качества передачи, а также от ресурсов и возможностей.

Показатели качества характеризуют количественную меру одного или большего числа признаков качества каждой из услуг связи, предоставляемых на сети оператора вне зависимости от технологии на которой построена сеть. Поскольку при оценке качества предоставления каждой из услуг связи необходимо учитывать не только техническую сторону предоставления услуги, в основном определяемую качеством функционирования сети, но и сторону обслуживания, то весь набор показателей качества услуг связи можно классифицировать в две группы: группа технических показателей качества и группа показателей качества обслуживания. Показатели качества обслуживания являются общими для всех услуг и обычно определяются отдельным общим перечнем. Технические показатели качества услуги могут быть специфичными как для конкретной услуги, так и для сетевой технологии, поэтому они обычно определяются в соответствии с услугами, предоставляемыми оператором.

GSM/UMTS/LTE/CDMA Факторы, влияющие на качество предоставляемых услуг в сетях подвижной связи, также как и показатели качества услуг можно условно разделить на две группы: факторы, связанные с качеством обслуживания и факторы, связанные с качеством функционирования сети. Факторы, влияющие на качество обслуживания, относятся к организационно-хозяйственной деятельности оператора связи и связаны с такими эксплуатационными процедурами, как:

регистрация аварийных ситуаций, повреждений;

восстановление услуги в случае повреждений и аварийных ситуаций;

проведение плановых профилактических работ;

Таким образом, к основным факторам, влияющим на качество предоставляемых услуг, относятся:

время, необходимое для устранения аварий;

время, необходимое для регистрации аварии;

правильность регистрации заявок на устранение аварий;

доступность службы регистрации аварий;

время восстановления услуги;

время выполнения заявки на подключение услуги;

правильность выставленных счетов;

время, необходимое для осуществления взаиморасчетов;

наличие достоверной статистической информации и др.

Перейдем к факторам, которые относятся к техническим показателям качества услуг в сетях GSM/UMTS/LTE/CDMA, то есть фактически касаются качества функционирования сети. Для технологий GSM/UMTS/CDMA/LTE можно выделить следующие общие факторы, которые влияют на качество услуг, предоставляемых в сетях на их основе:

текущие условия приема сигнала пользовательским терминалом;

количество доступных кодеков;

расстояние от пользовательского терминала до базовой станции;

качество планирования и реализации механизмов управления радио-ресурсами.

дополнительные факторы, оказывающие негативное влияние на качество услуг:

большое число сетевых элементов, необходимых для установки связи в сети доступа, в отсутствие возможности непрерывной поддержки установленного соединения. Каждое пользовательское соединение/сессия при отсутствии данных для приема/передачи, по соединения/сессии, требующая времени, что негативно влияет на воспринимаемое пользователем качество услуги.

В сетях LTE устранены некоторые факторы, снижающие качество работы сетей третьего поколения, однако оставшиеся факторы, требуют более строгого учета. Предоставляемое качество услуг в сети LTE существенно зависит от того, насколько корректно настроены традиционные сетевые механизмы управления качеством (такие, как маркировка пакетов, управление очередями) и того, насколько надежна сеть и как эффективно осуществляется управление неисправностями и устранение аварий на сети. Для сети радиодоступа и транспортной сети критическими с точки зрения качества являются следующие факторы:

работа механизмов защиты от ошибок, сбоев и оперативное устранение неисправностей;

эксплуатация, администрирование и обслуживание сети;

распределение трафика по типам/классам.

В базовых станциях, использующих технологию MSR, необходимо принимать во внимание следующие факторы, которые могут являться причиной низкого качества услуг:

учет динамичности сигнала и интерференции;

избирательность/чувствительность приемника.

Для определения дополнительных факторов, относящихся к оборудованию, и влияющих на показатели качества услуг в сети GSM/UMTS/CDMA/LTE необходимо разделить сеть на следующие составные элементы:

узлы опорной сети (S-GW, SGSN, GGSN, HLR, VLR и др.);

Перечень характеристик, относящихся к базовым станциям, от значения которых зависят показатели качества услуг, включает в себя:

скорость передачи (transaction rate);

емкость (transaction capacity);

размер очереди (buffer size);

число зарезервированных каналов (reserved channel number);

среднее время выполнения мягкого хэндовера (soft handoff rate);

интенсивность поступления запросов на установление соединения (New call arrival rate);

среднее время занятия канала до совершения хэндовера (handoff call holding time);

продолжительность соединения (new call holding time);

количество ретрансляторов в одной соте (base repeater number);

количество каналов в ретрансляторе;

среднее время выхода из строя базовой станции;

среднее время выхода из строя ретранслятора;

среднее время между восстановлениями базовой станции;

среднее время между восстановлениями ретранслятора.

В перечень характеристик сетевых узлов, значения которых влияют на показатели качества услуг, входят:

скорость передачи (transaction rate);

емкость (transaction capacity);

размер очереди (buffer size).

В сети радиодоступа на качестве предоставляемых услуг дополнительно сказывается доступная ширина полосы пропускания и общий объем передаваемой информации. Основными факторами в опорной сети, которые влияют на показатели качества услуг, являются:

ширина полосы пропускания;

общий объем передаваемой информации;

общее значение нагрузки;

среднее значение нагрузки на канал;

скорость передачи по каждому каналу;

средний размер пакета информации.

Для каждого показателя качества предоставляемой в сети услуги существует взаимосвязь между его значением и значением указанных выше параметров. Правильное планирование и настройка параметров составляющих элементов сети является важным аспектом, имеющим положительных эффект на общее качество предоставляемых в сети GSM/UMTS/CDMA/LTE услуг.

Рассмотрим, например, взаимосвязь описанных выше факторов и показателя готовности услуги.

Показатель готовности услуги характеризует свойство услуги быть предоставленной тогда, когда это необходимо потребителю, и продолжаться без чрезмерного ухудшения в течение требуемого времени. В таблицах 4 -5 показано как изменение тех или иных факторов влияет на значение данного показателя. В таблицах 6-8 показано изменение аналогичных факторов на значение показателя времени установления соединения.

Таблица 4 – Влияние характеристик, относящихся к базовым станциям, на показатель готовности услуги Среднее время занятия канала до совершения хэндовера + Среднее время между восстановлениями базовой станции – Примечание – «+» означает, что увеличение значения характеристики приводит к увеличению значения показателя, «–» означает, что увеличение характеристики параметра приводит к уменьшению значения показателя.

Таблица 5 – Влияние характеристик, относящихся к сетевым узлам, на показатель готовности услуги Примечание – «+» означает, что увеличение значения характеристики приводит к увеличению значения показателя, «–» означает, что увеличение значения характеристики приводит к уменьшению значения показателя.

Таблица 6 – Влияние характеристик, относящихся к сети радиодоступа, на показатель времени установления соединения Примечание – «+» означает, что увеличение значения характеристики приводит к увеличению значения показателя, «–» означает, что увеличение значения характеристики приводит к уменьшению значения показателя.

Таблица 7 – Влияние характеристик, относящихся к опорной сети, на показатель времени установления соединения Примечание – «+» означает, что увеличение значения характеристики приводит к увеличению значения показателя, «–» означает, что увеличение значения характеристики приводит к уменьшению значения показателя.

Таблица 8 – Влияние характеристик, относящихся к сетевым узлам, на показатель времени установления соединения Примечание – «+» означает, что увеличение значения характеристики приводит к увеличению значения показателя, «–» означает, что увеличение значения характеристики приводит к уменьшению значения показателя.

Тема 1.4. Технические показатели качества в радиосетях GSM/UMTS. Классификация услуг в Развитие архитектуры управления качеством услуг QoS для сетей сотовой связи начинается с Release 98, где была разработана технология сети GPRS. Главной особенностью Release является введение концепции служб передачи данных, которые образуют основную структуру управления качеством QoS. Профиль QoS характеризуется набором параметров, характеризующих классы трафика:

приоритетность (Precedence class);

задержка (Delay class);

надежность (Reliability class);

максимальная (пиковая) пропускная способность (Peak throughput class);

средняя пропускная способность (Mean throughput class).

Различные профили QoS задаются комбинацией этих параметров, которая наилучшим образом приближается к требованиям конкретных приложений и заданным классам трафика.

Различные услуги предъявляют различные требования к показателям качества функционирования сети. Параметры качества и их описание представлены в таблице 9.

Таблица 9. Параметры качества услуг QoS в версии Release Классы приоритета Есть три различных уровня приоритета обслуживания: высокий, гарантирует преимущество обслуживания перед пользователями всех других уровней приоритета. Нормальный уровень приоритета (класс 2) гарантирует преимущество обслуживания перед пользователями с низким приоритетом. Низкий уровень приоритета (класс 3) гарантирует обслуживание после того, как будут обслужены пользователи с высоким Классы задержки Класс задержки характеризуется максимальным временем от начала до задержку доступа к радиоканалу, время передачи по радиоканалу и GPRS класс трафика (максимально возможный при данных условиях – «besteffort») предъявляет минимальные требования к сети. Суть этого класса заключается в обеспечении минимально возможной задержки при заданных условиях. Как правило, класс «best-effort» применим к Классы надежности В сети GPRS обеспечивается пять классов надежности; каждый класс определения последовательности пакетов (информационных единиц) Классы пропускной Классы пропускной способности определяют требуемую полосу способности пропускания согласно активированному PDP (Packet Data Protocol) контексту. Пропускная способность определяется двумя классами:

(производительности) максимальная (пиковая) пропускная способность; средняя пропускная способность. Пиковую пропускную способность оценивают на выходе MS. Она представляет собой максимальное число октетов, переданных в единицу времени для данного PDP-контекста. Вероятность поддержки сетью и АТ пиковой пропускной способности в течение определенного Существует пять типов трафика, которые соответствуют типам используемых приложений, для которых оптимизированы службы радиодоступа: речевой, потоковый, интерактивный и фоновый. Основной отличительной особенностью рассмотренных классов трафика является восприимчивость к задержке. Так, например, речевой класс относится к трафику, который значительно зависит от задержки, а фоновый относится к классу, наименее чувствительному к задержке. Потоковый класс для потоковых приложений передачи аудио или видео менее чувствителен к задержке по сравнению с речевым классом вследствие используемого механизма буферизации. Интерактивный и фоновый классы трафика предназначены, в основном, для использования в приложениях типа WEB/WAP, мультимедийных сообщений MMS или электронной почты e-mail. С учетом менее жестких, по сравнению с речевым классом, требований к задержке коэффициент ошибочно принятых SDU значительно уменьшается за счет использования метода повторной передачи. Интерактивный класс трафика является двунаправленным, предъявляющий переменные требования к скорости передачи данных (пропускной способности), имеющий умеренную задержку и долю потери трафика, частично корректируемый. Фоновый класс трафика допускает большие задержки и потери трафика, а также предъявляет переменные требования к скорости передачи.

Механизмы управления QoS в радиосетях UMTS В радиосетях UMTS механизмы обеспечения QoS требований разделены на плоскость управления C-plane и плоскость пользователя U-plane (рисунок 6). Функции плоскости управления осуществляют управление новыми соединениями, выбор соответствующих способов передачи и алгоритмов защиты от ошибок, распределение существующих радиоресурсов. Кроме того, плоскость управления осуществляет поддержку согласованного профиля QoS в течение всего времени обслуживания. При этом сети радиодоступа RAN (должны быть способны реагировать на перегрузки и ухудшение качества QoS. Основной задачей управления является прогнозирование (экстраполяция) параметров QoS, позволяющее осуществить предсказуемое обслуживание некоторых типов трафика независимо от того, передается другой трафик через сеть в данное время или нет. При этом RAN распределяют ресурсы между пакетами трафика с различными требованиями к времени ожидания, джиттеру, скорости передачи данных и/или различными требованиями к потере пакетов.

Функции QoS плоскости управления Управление доступом и установление соединений. Цель функции управления доступом состоит в том, чтобы разрешить или запретить доступ новых пользователей в зависимости от наличия свободного ресурса сети сотовой связи, достаточного для запрошенной услуги пользователя. В этом случае, задача управления доступом предназначена для исключения возникновения перегрузок в сети. Она выполняется на этапе доступа (назначения транспортной службы сети радиодоступа RAB (Radio Access Bearer)), хэндовере, реконфигурации службы RAB (Release 5). В этих случаях решения принимаются в зависимости от приоритета пользователя и нагрузки на сеть. В сетях с коммутацией каналов решение о доступе базируется на наличии свободных временных интервалов под каналы трафика TCH (тайм-слотов) в соте. В сетях с коммутацией пакетов при управлении доступом учитывается тип услуги. В случае оказания услуг, инвариантных к времени (например, интерактивный и фоновый классы трафика), фактическая пропускная способность снижается с увеличением числа пользователей, вплоть до блоковой ситуации.

Преобразование параметров RAB/PFC в параметры службы обмена радиоинтерфейса RB.

Различные услуги требуют использования различных служб передачи данных по радиоканалу с соответствующими параметрами QoS. Для этого функция преобразования RAB/PFC в RB осуществляет выбор необходимых условий передачи по выбранному логическому каналу: режима передачи (с подтверждением или без подтверждения); схемы модуляции и кодирования; типа защиты от ошибок (EEP, UEP) и т.д. Например, при использовании повторной передачи возникают дополнительные задержки, но одновременно повышается надежность, которая необходима во многих приложениях передачи данных. Основным фактором для выбора этих условий является класс трафика, хотя следует учитывать и другие параметры QoS (требуемая скорость передачи данных, надежность, задержка).

Диспетчер ресурсов. Оптимизация управления радиоресурсом является важным вопросом.

Главная задача диспетчера ресурсов – определение необходимых ресурсов нового соединения для выполнения требований QoS, а так же проверка наличия свободных ресурсов в ячейке. Алгоритм управления ресурсом отличается для различных типов услуг. Услуги, инвариантные к времени, не требуют гарантируемой скорости передачи данных, поэтому для них может использоваться любой доступный канал. Главным критерием, используемым при распределении каналов для этих услуг, является критерий выбора таких каналов, которые дают максимальную емкость для временного потока блоков TBF (temporary block ow) в пределах возможностей пользователя. Распределение выделенных каналов для услуг, оказываемых в реальном времени, состоит в определении готовности свободных ресурсов сети и резервирования их на основе гарантируемых требований к пропускной способности и возможностей пользователя.

Управление загрузкой и хэндовером. Хэндоверы могут быть вызваны различными причинами. Они выполняются в целях передачи обслуживания, когда АТ перемещается из одной ячейки (соты) в другую. Так же они могут выполняться в случаях, когда: текущий вызов имеет низкое качество; ячейка (сота) перегружена, а соседние ячейки – нет. Регулирование нагрузки осуществляется в случаях возникновения перегрузки, а также до возникновения перегрузки, т.е.

выполнение профилактического регулирования. Как только в сети обнаружена перегрузка в одной из сот, алгоритм управления может задействовать хэндовер в соседние соты и определить переводимые туда соединения. При таком управлении учитываются тип услуги и профиль абонента.

Наиболее вероятными кандидатами на хэндовер являются услуги и пользователи с более низким приоритетом.

Функции QoS плоскости пользователя Данные функции предназначены для обеспечения QoS, когда установлены службы передачи данных. Одной из задач плоскости пользователя в области радиоинтерфейса является задача обеспечения дифференциации услуг путем регулирования и планирования трафика. Кроме того, к задачам плоскости пользователя относится динамическая адаптация каналов связи для компенсации изменений условий ведения радиосвязи (например, регулирования выходной мощности передатчика).

Адаптация каналов связи. Качество беспроводных каналов связи определяется условиями ведения радиосвязи. Отсюда следует, что параметры оценки качества функционирования каналов радиосвязи (пропускная способность, задержка, коэффициент ошибочных блоков BER) постоянно изменяются. Такие изменения в целях обеспечения требуемого QoS компенсируются выбором соответствующих схем модуляции и кодирования MCS (Modulation and Coding Scheme). Этот механизм называется адаптацией каналов связи. В частности, функция адаптации каналов связи способна динамически выбирать кодирование в канале, режим передачи канала: полноскоростной FR (full-rate), полускоростной HR (half-rate), комбинацию глубины и вида модуляции в зависимости от требований услуг, загрузки системы, состояния канала и уровня интерференционных помех.

Алгоритм адаптации каналов взаимодействует с алгоритмом распределения ресурсов. Скорость передачи зависит от качества канала связи, определяемое отношением сигнал/шум. При использовании более помехоустойчивой модуляции и схемы кодирования обеспечивается меньшая скорость передачи данных.

Управление трафиком. Управление трафиком осуществляется в целях согласования качества услуги QoS путем:

сравнения прибывающих пакетов данных с согласованными профилями QoS, и, в следствие с этим, ускорение пакетов данных, пропуск и т.д.;

маркировка пакетов, прибывающих с превышением гарантируемой скорости передачи, а именно постановка пакетов в очередь; игнорирование пакетов в соответствии с Планировщик пакетов. Планировщик пакетов основная функция обеспечения QoS на радиоинтерфейсе. Так как радиоинтерфейс является наиболее узким местом во всей сети сотовой связи, то эффективная обработка радиоблоков на основании приоритетов является ключевым вопросом. Планировщик пакетов осуществляет распределение радиоресурсов на основе информации об интерференционных помехах и запрашиваемой пользователем емкости сети.

Оператор может также управлять планированием пакетов не только на основе рассмотренного алгоритма планирования, но и посредством параметра QoS – приоритета распределения/сохранения (например, «VIP» или «бюджетный» пользователи). Таким образом, производится дифференциация как пользователей, так и услуг.

Управление мощностью. Управление мощностью изменяет отношение сигнал/шум в канале связи для поддержки QoS установленного соединения. Дополнительно, управление мощностью в восходящем канале используется как мера уменьшения потребляемой мощности пользователя.