WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |

«На правах рукоииси ШОРИН ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ Методы оптимальпого распределепия частотно-временного ресурса в системах подвижной радиосвязи Диссертация иа соискаиие учеиой ...»

-- [ Страница 1 ] --

71:06-5/394

Федеральное агентство связи

Московский техиический университет связи и информатики

Кафедра радиотехиических систем

На правах рукоииси

ШОРИН ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ

«Методы оптимальпого распределепия частотно-временного ресурса в

системах подвижной радиосвязи»

Диссертация иа соискаиие учеиой стеиени доктора техиических наук по специальности 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций Президиум БАК России 1^ (решение от присудил ученую степень Д О К Т О Р А наук чальник управлени^уВ Москва 2005г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОВРЕМЕННОГО РЕСУРСА В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

1.1.Проблема вычислительной сложности задачи частотнотерриториального планирования в современных и проектируемых системах подвижной радиосвязи 1.2.3адача синтеза оптимальной структуры опорной сети базовых станций 1.3.0бщие проблемы задачи прогноза перегрузок сотовых сетей на основе анализа динамического поведения подвижных абонентов 1.4.Проблема адаптации систем подвижной радиосвязи к территориальноадресному распределению нагрузки Глава 2. ПЛАНИРОВАНИЕ ЧАСТОТНО-ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО

РЕСУРСА В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ НА ОСНОВЕ

ТЕОРИИ МОНОТОННЫХ

СИСТЕМ 2.1.Частотно-территориальное планирование в современных и проектируемых системах подвижной радиосвязи 2.2.Теория монотонных множеств в задачах планирования частотного ресурса 2.3.Синтез алгоритма выделения групп интермодуляционно совместимых частот на основе монотонной меры 2.4.Алгоритм синтеза оптимальной структуры сотовых сетей связи

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 3. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

ДЛЯ ПРОГНОЗА ПЕРЕГРУЗОК СОТОВЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ

АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ АБОНЕНТОВ

3.1. Режим перегрузки и его связь с параметрами мобильности 3.2. Модели нестационарных законов для характеристик мобильности.

Оценки параметров 3.3. Динамика переходных процессов, описывающих изменение числа абонентов в соте.Предсказание перегрузок КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АДАПТИВНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

РЕСУРСА РАДИОКАНАЛА В СОТОВЫХ И ВЕДОМСТВЕННЫХ

СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

4.1.Оптимизация управления случайным множественным доступом в ССПР 4.2.Повышение емкости сотовых систем связи при использовании зон перекрытия в режиме управления доступом 4.3.Анализ пакетной передачи данных в многоканальных системах подвижной радиосвязи 4.4.Синтез сети подвижной радиосвязи с множественным доступом КРАТКИЕ ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОГО РЕСУРСА ССПР ПРИ

РЕШЕНИИ НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗАДАЧ

5.1.Интермодуляционная совместимость частот при частотнотерриториальном планировании сетей оперативной радиосвязи 5.2.Интермодуляционная совместимость частот и управление множественным доступом в низкоорбитальных спутниковых системах связи 5.3.Выделение групп интермодуляционно совместимых частот для сотовых систем связи 5.4.Синтез радиосети олтимальной структуры для опытной зоны системы UMTS в г. Иваново 5.5.Оптимизация использования частотно-временного ресурса в системах передачи тревожной информации с множественным доступом

ВВЕДЕНИЕ

Бурная информатизация общества привела к тому, что в последнее десятилетие произошел резкий скачок объема информации, передаваемой и обрабатываемой различными системами радиосвязи. Существенно увеличилось количество одновременно работающих радиосредств и систем связи различного назначения. В каждой отдельной системе значительно возросло число абонентов.

Заметно поднялась скорость обработки и передачи информации. Все это потребовало повышения пропускной способности, показателей быстродействия и электромагнитной совместимости систем подвижной радиосвязи.

Наступил период, когда практически все системы радиосвязи вышли на предельный уровень нагрузки и ощутили потребность в повышении ресурса радиоканала. Усилия на уровне национальных и международных комитетов и комиссий по распределению ресурса радиоканала между различными системами, радиосредствами и службами оказались способными лишь на некоторое время снять остроту проблемы.

В качестве важнейшей тенденции решения проблемы повышения пропускной способности радиотехнических систем в последнее время выступает поиск новых усовершенствованных способов организации радиосвязи, задействование неиспользованных ресурсов существующих радиолиний. В сотовых сетях и системах связи подвижных абонентов одними из основных путей повышения пропускной способности являются: оптимизация территориального распределения частотного ресурса радиоканала, а также пространственной структуры сотового покрытия, поиск оптимальных методов обеспечения ЭМС, обеспечение более качественной и быстрой работы в режимах организации доступа, введения процедур контроля локальных перегрузок с последующим перераспределением ресурса.

Реализации перечисленных выше методов препятствует высокая сложность существующих алгоритмов, неразвитость информационных технологий в части подходов, позволяющих снижать указанную вычислительную сложность в реальных условиях, отсутствие решения вопросов, связанных с влиянием мобильности абонентов на основные характеристики систем подвижной радиосвязи.

Появление высокопроизводительных цифровых БИС с большой степенью интеграции открыло новые принципиальные возможности по созданию компактных устройств и комплексов автоматизированного решения указанных задач. Относительная простота сопряжения цифровых систем адаптивного управления ресурсом канала с другими цифровыми системами фактически решает проблему их включения в существующие и проектируемые интегрированные цифровые сети региональных, национальных и глобальных систем радиосвязи. Это объясняет то, что на первый план все отчетливее выступает проблема разработки соответствующих теоретических методов управления ресурсом радиоканала и анализа характеристик мобильности подвижных абонентов.

Главной особенностью систем подвижной радиосвязи (СПР) является подвижность абонентов системы и территориальная распределенность подсистемы радиодоступа. Эта особенность делает подчас невозможным использование для их исследования и проектирования научных результатов и инженерных методик, разработанных для телекоммуникационных систем фиксированной связи. Поэтому одной из актуальных задач является задача исследования области применения известных результатов теории массового обслуживания в части пропускной способности системы по трафику с учетом конфигурации подсистемы радиодоступа и характера мобильности абонентов.

Такие исследования позволили сформулировать и решить задачу адаптивного управления канальным ресурсом в сотовых и низкоорбитальных спутниковых системах связи с учетом мобильности абонентов, а также задачу аналитического расчета режима хэндовера в них. Сформулированная выше особенность СПР предопределяет большие вычислительные сложности задач, возникающих при их проектировании, и особенно для систем поколений 2.5 G и 3G. Ярким примером могут служить две важнейшие задачи из области частотно-территориального планирования (ЧТП) СПР: определение наилучших, по большому перечню показателей, мест установки базовых станций, и выбор интермодуляционносовместимых групп частот из большого (более 100) числа исходных номиналов частот. Учеными, работающими в указанной области, прилагаются достаточно серьезные усилия в поиске разрешения указанной проблемы с целью получения практически пригодных алгоритмов для использования их на практике. Примером могут служить источники [28,59], в которых отражены наиболее значимые результаты, полученные к настоящему времени Беблоком, по выбору максимальных групп интермодуляционно-совместимых частот из заданного множества равномерной сетки частот. Предельные значения их применимости ограничены объемом в 85 частот (в литературе приводится только одна полученная максимальная группа для заданного объема частот). В [165,179,192] указано довольно представительное число алгоритмов распределения частот для сотовых систем, однако все они построены на эмпирических или полуэмпирических подходах, не позволяющих гарантировать, даже приблизительно, оптимальный результат. Общего конструктивного алгоритма для любых СПР до сих пор так и не найдено. Все существующие в настоящее время расчетно-аналитические комплексы и алгоритмы имеют экспоненциальную вычислительную сложность или требуют активного использования интуиции проектировщика, основанной на богатом опыте и высоком профессионализме.

Это предопределяет большую долю субъективизма в решении задачи и делает невозможным строгую оценку полученного решения в смысле оптимальности по выбранному критерию качества. Поэтому актуальной остается проблема создания алгоритмов для формализованного решения таких задач, имеющих вычислительную сложность не выше полиномиальной, и свободных от субъективного участия проектировщика.

Большое число нерешенных вопросов существует в СПР оперативного или производственно-технологического назначения. Как известно, система, позволяющая наиболее эффективно использовать выделенные радиоканалы (например, по критерию минимума среднего времени ожидания), является системой с равнодоступными каналами. В этой связи для оперативных сетей радиосвязи необходимо решить вопрос со структурой сети при случайном множественном доступе, а для радиосетей с пакетной передачей данных и "транкинговых" систем радиосвязи, в которых время сеанса связи соизмеримо со временем обмена служебной информацией, необходимо определить алгоритм управления свободными каналами. Большая часть работ по этому вопросу принадлежит советским ученым Цыбакову Б.С., Михайлову В.А. и др. [65-67, 122], однако вопрос централизованного управления режимом случайного множественного доступа до сих пор не рассматривался. Особую актуальность этот вопрос приобретает в связи с разработкой аппаратуры с автоматическим поиском свободного канала, на основе которой строятся "транкинговые" системы, а также с разработкой и широким внедрением в последнее время радиотехнических систем передачи специализированной (телеметрической.

тревожной и т. п.) информации.

Другой важный аспект проектирования, эксплуатации и исследования рабочих характеристик сотовых сетей и других СПР, составляет задача обнаружения и распределения по пространству спонтанно возникающих локальных концентраций нагрузки. Указанная проблема относится к новой области теории информации, изучающей пространственно-временные преобразования данных, распределенные алгоритмы управления, обработки, хранения, кодирования и доставки информации. Указанное направление в настоящее время только начинает активно развиваться. Причина этого состоит в том, что активный источник требований к соответствующим результатам возник сравнительно недавно в виде бурно развивающихся сотовых сетей связи и других систем, обладающих территориально распределенной структурой. Хотя общие идеи и пионерские работы, касающиеся указанной проблематики, возникли достаточно давно. На первом этапе они относились исключительно к изучению вопросов оптимизации распределенных поисковых усилий [5,6,37,121,187]. В дальнейшем они получили развитие на отдельные задачи, решаемые в системах обмена информацией. Наибольшее влияние в этом направлении оказали работы зарубежных авторов: Клейнрока Л. [47,48], Сипсера Р. [100], Мартина Дж. [61], Галлагера Р. [168], Мерлина П., Сегалла А. [177], Прабху Н. [183], Питерсона Дж.

[78] и др. Среди отечественных работ к таким относятся труды Б.В. Гнеденко [24], М.А. Шнепса [126], Б.С. Лифшица, А.П. Пшеничникова А.Д. Харкевича [60], Е.И.

Рухмана, Б.Я. Советова, С.А. Яковлева [96,102], В.А Кочегарова и ГА. Фролова [51]. Однако работ, посвященных непосредственно вопросам влияния характеристик мобильности абонентов на рабочие параметры систем связи, а также обнаружению процессов скопления/рассасывания абонентов в локальных областях для предсказания перегрузок на ранних этапах пока нет. Более того, в теории массового обслуживания нет даже раздела, посвященного указанным вопросам, который бы можно было определить как раздел, изучающий нестационарные системы массового обслуживания. Этим объясняется важность решения такой задачи, как с точки зрения теории, так и с точки зрения практики.

Для ее решения представляется перспективным использовать в качестве исходных методы статистической обработки нестационарных дискретных процессов, полученные в работах А.П. Трифонова, Ю.С. Шинакова и В.К. Бутейко [112,113,190].

Таким образом, анализ публикаций в исследуемой области показал отсутствие теоретических результатов по оценке эффективности применения указанных выше, достаточно сложных методов управления ресурсами канала и контроля мобильности, а также отсутствие конкретных выводов по потенциальным возможностям от их использования в тех или иных условиях. Это не позволяет судить о целесообразности их внедрения, оставляет без ответа вопрос о том, как именно нужно осуществлять соответствующее управление, и в каких ситуациях системы наиболее чувствительны к нестационарному поведению мобильных абонентов. Последнее обстоятельство существенно сдерживает широкое распространение на практике систем связи подвижных абонентов с адаптивным управлением пространственным распределением ресурсов. Таким образом, настоятельная потребность в применении новых высокоэффективных систем связи, использующих незадействованные до настоящего времени ресурсы радиоканала, с одной стороны, и отсутствие необходимых для этого теоретических проработок, с другой стороны, настоятельно требуют разработки перспективных методов управления ресурсами радиоканала и слежения за поведением мобильных абонентов, позволяющих в полной мере учитывать нюансы функционирования в системах массового обслуживания и проводить исследования для конкретных технических приложений.

Целью работы является разработка научно обоснованных технических решений по повышению эффективности использования ресурса радиоканала в системах подвижной радиосвязи путем решения задач ЭМС, распределенного управления доступом и контроля мобильности абонентов. Внедрение этих решений вносит значительный вклад в развитие такой важной техникоэкономической проблемы, как создание высокопроизводительных систем массового обслуживания подвижных абонентов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс теоретических, экспериментальных и прикладных задач:

- создать адекватные математические модели, описывающие отдельные элементы, стру1стуры и операционные преобразования СПР, на основе которых провести синтез алгоритмов, позволяющих за реальное время счета находить решения ряда задач, возникающих при создании СПР, которые могут быть формализованы, как сложные комбинаторные задачи;

- разработать алгоритмы решения задачи формирования групп интермодуляционно совместимых частот в СПР различного назначения с произвольной территориальной структурой таких систем;

- разработать вероятностную модель СПР как системы массового обслуживания наиболее адекватную реальным ситуациям, учитывающую мобильное поведение абонентов;

- разработать алгоритмы территориального планирования сотовых систем нового поколения, обеспечивающие безъизбыточное число базовых станций;

- исследовать режимы перегрузки сотовых систем связи с учетом мобильности подвижных абонентов;

- разработать математические модели мобильности подвижных абонентов в сотовых системах связи и на их основе синтезировать алгоритмы динамического управления канальным ресурсом;

- провести анализ характеристик полученных алгоритмов контроля динамически изменяющихся параметров мобильности абонентов для оценки достоверности принимаемых решений, точностей формируемых оценок параметров и времени реакции на возникновение критических ситуаций;

- осуществить частотно-территориальное планирование конкретных СПР в части интермодуляционной совместимости частот;

- разработать новые протоколы обмена информацией при управлении случайным множественным доступом и на их основе сформулировать рекомендации для создания усовершенствованных пакетных радиотехнических систем специального назначения;

- провести анализ дополнительного ресурса радиоканала сотовых сетей связи, связанного с многократным покрытием территории в пограничных зонах сот;

- разработать методы управления доступом и организации хэндовера, позволяющие реализовать дополнительный ресурс радиоканала в зонах перекрытий для повышения показателей рабочих характеристик;

- исследовать условия, при которых в многоканальных СПР возможна передача пакетов данных в канале, совмещенном с речевым;

- разработать алгоритмы множественного доступа в пакетных радиосетях в режиме управления доступом со стороны центральной станции;

- провести сопоставительный анализ для оценки выигрыша, обеспечиваемого в режиме активного управления доступом со стороны центральной станции;

- реализовать все предложенные алгоритмы в виде пакетов прикладных программ;

- сформулировать рекомендации по возможным направлениям дальнейшего развития полученных результатов в целях повышения эффективности использования ресурса радиоканала в СПР или для решения подобных задач в ряде других приложений.

Разрабатываемые в диссертации методы управления случайным множественным доступом и контроля мобильности подвижных абонентов в сотовых сетях и СПР базируются на использовании таких методов теории вероятностей, математической статистики и адаптивной обработки, как:

1. статистическое оценивание параметров с использованием критерия максимального правдоподобия;

2. обнаружение и идентификация ситуаций на основе решающих правил, отвечающих критерию Неймана-Пирсона, примененных к нестационарным системам массового обслуживания;

3. динамическое управление по Беллману;

При решении задач синтеза алгоритмов автоматизированного формирования групп интермодуляционно совместимых частот, формирования оптимизированной структуры расположения опорной сети базовых станций и анализа влияния параметров мобильности абонентов на основные характеристики системы использовались методы теории множеств, теории графов и теории массового обслуживания.

Анализ эффективности алгоритмов контроля мобильности в режимах автоматического обнаружения и идентификации проводился с помощью методов математического моделирования.

Научная новизна и основные научные результаты интермодуляционно-совместимых частот и территориального плана сотовых систем связи на основе применения теории монотонных систем;

2. Исследован вопрос влияния мобильности подвижных абонентов, как макропараметра, на вероятность перегрузки в сотовых системах связи, в результате чего получена формула расчета пропускной способности этих систем с учетом мобильности, что, при соответствующей организации, позволило повысить эффективность их использования;

3. Предложена математическая модель,учитывающая нестационарное поведение мобильных абонентов в пределах сот. Она позволила с единых позиций рассматривать характерные ситуации возникновения/рассасывания автомобильных пробок, флуктуации потоков абонентов на выходах из станций метро, прохождения потоков через экранирующие туннели, синхронизирующих внешних условий массового порядка (сбои расписаний, концентрации людей в местах проведения массовых мероприятий и т.п.), и т.д.

4. Исследован вопрос динамики перегрузок, возникающих в сотовых системах связи из-за мобильности подвижных абонентов и алгоритмы совместного обнаружения-оценивания параметров мобильности, позволившие заблаговременно предсказывать режим перегрузки и перераспределяя канальный ресурс, повысить пропускную способность систем.

5. Предложена оригинальная методика, расширяющая технику теории массового обслуживания на задачи с нестационарным поведением объектов, позволяющая решать большой класс новых задач, относящихся к системам с высокой динамикой поведения и к режимам переходного процесса, возникающим в системах массового обслуживания. Новый класс задач охватывает ситуации с нестационарным поведением интенсивностей входящего потока и потока обслуженных заявок.

6. Исследованы и определены условия организации структуры сети оперативной радиосвязи с множественным доступом, минимизирующие среднее время ожидания в сети.

7. Исследована возможность уплотнения пакетами данных каналов, освобождающихся от речевых сообщений в многоканальных СПР, что увеличивает объем обслуживаемой нагрузки.

8. Разработана математическая модель организации доступа, учитывающая возможность радиоперекрытия зон и определена методика расчета вероятности отказа доступа при использовании для этой цели дополнительного ресурса зон перекрытия в сотовых системах связи, что повышает пропускную способность таких систем.

9. В системах со случайным множественным доступом синтезирован оптимальный по Беллману алгоритм управления процедурой распределения свободных каналов среди активных подвижных абонентов.

10. Разработаны вычислительные алгоритмы синтеза радиосетей с оптимизированной структурой распределения ресурсов, имеющие полиномиальную сложность, позволяющие в комбинаторных задачах создания систем подвижной радиосвязи существенно сократить время счета.

На основе полученных в диссертации методов синтеза и анализа алгоритмов распределения ресурса радиоканала, распределенного управления доступом и контроля мобильности предложены конкретные варианты построения или модификации целого ряда существующих и проектируемых систем. Результаты ориентированы на возможность осуществления практической разработки СПР как оперативного назначения, так и общего пользования с высокоэффективным использованием выделенного частотно-временного ресурса, что приводит к повышению технико-экономической эффективности таких систем (Приложение 6.

«Акты внедрения результатов», Пр.№213 от 07.06.95 МВД РФ о принятии на вооружение системы «РОСА»).

Применение методов оптимизации распределения частотно-временного ресурса в СПР позволило:

- решить задачу частотно-территориального планирования сетей оперативной радиосвязи ГУВД г. Москвы в диапазонах 148/170 МГц, 205/210 МГц и 430V460 МГц;

- определить структуру сети оперативной радиосвязи ГУВД г. Москвы, работающей в режиме множественного доступа;

- решить задачу оптимизированного территориального планирования сотовых сетей связи третьего поколения 3G;

- решить задачу аналитического расчета пропускной способности сотовых сетей связи с учетом специфических условий режима хэндовера;

- решить задачу учета параметров мобильности подвижных абонентов при анализе пропускной способности сотовых сетей связи;

- решить задачу прогноза перегрузок сотовых сетей связи из-за изменения нагрузки сот в результате передвижения абонентов;

- рекомендовать группы частот для стандартов NMT-450, GSM-900 при проектировании сетей «Институтом сотовой связи» и ФГУП ГСПИ РТВ;

- синтезировать алгоритмы распределения грулл частот и множественного доступа к канальному ресурсу в низкоорбитальной спутниковой системе «Гонец»;

- разработать асинхронный протокол обмена информацией в режиме случайного множественного доступа в канале, совмещенном с речевым для систем передачи тревожной информации, таких, например, как «РОСА»

- разработать алгоритмы быстрой коммутации свободных радиоканалов в многоканальных радиостанциях и «транкинговых» системах радиосвязи.

Результаты диссертационных исследований использованы при создании сетей оперативной радиосвязи ГУВД г. Москвы; в низкоорбитальной спутниковой системе связи ГОНЕЦ, в сотовых системах связи общего пользования первого, второго и третьего поколений, что подтверждается соответствующими актами внедрения. Предложенные технические решения защищены авторским свидетельством и патентом РФ. Результаты научных исследований использованы в Программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации «Фундаментальные аспекты новых информационных ресурсосберегающих технологий» Министерства связи и информатизации РФ, проектных работах, проводимых ФГУП ГСПИ РТВ и «Институтом сотовой связи», в научно-исследовательских работах, проводимых ФГУП НИИР и при решении задач, стоящих перед крупными операторами сотовой связи (ОАО «Вымпелком»), Кроме того, результаты исследований нашли применение в учебном процессе на радиотехническом факультете МТУСИ [17,39,76,87,123,127,].

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 236 страницах машинописного текста, содержит рисунка, 26 таблиц, библиография из 192 наименований на 11 страницах, материалы приложений на 109 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Методика построения и результаты применения меры, обладающей свойствами монотонности на множестве частот и множестве возможных мест установки базовых станций сотовых сетей связи, как функции числа интермодуляционных уравнений для множества частот и функции относительной площади перекрытия для множества мест установки базовых станций, которые лозволяют решить задачу выделения групп интермодуляционно-совместимых частот и определения оптимальных мест установки базовых станций для частотно-территориального планирования СПР.

2. Полученные вычислительные алгоритмы проектирования СПР полиномиальной вычислительной сложности, ориентированные на решение комбинаторных задач с использованием техники формирования векторного пространства с монотонной мерой.

3. Результаты анализа, определяющие для сетей оперативной радиосвязи с множественным доступом, достижимый минимум среднего времени ожидания Т = ^—^-гДс,,Я,) в условиях ограничений на общее число каналов '^Cic^ и на среднюю доступность абонентов к каналам Т7^Л^/С/ а, где а- параметр максимально допустимой средней доступности, Л, - поток по множеству каналов C(, х-полный трафик сети, 1 / «, ! « Л'^. Указанный минимум времени ожидания достигается при минимальном числе межгрупповых каналов связи.

4. Разработанные модели процесса функционирования сотовой сети в пределах выделенной зоны, построенные на основе двумерной марковской цепи с матрицей переходных вероятностей /^„ДО- ""Дб ^ " число абонентов в зоие,п„ число заявок на обслуживание (подключение), которые позволяют эффективно проводить исследование трафика и синтез алгоритмов функционирования СПР.

5. Разработанная общая математическая модель для описания нестационарного поведения подвижных абонентов для широкого спектра реальных ситуаций, опирающуюся на явление возникновения «ударных» волн ограниченного перечня форм в мобильных потоках при возмущающих воздействиях превышающих некоторый пороговый уровень. Отмеченные возникновение/рассасывание автомобильных пробок, скопление людей в зонах массовых мероприятий, движение потоков в/из метро, флуктуации потоков, проходящих через экранирующие тоннели, постепенный рост активности с наступлением рабочего времени и т.д.

6. Синтезированные совместные алгоритмы обнаружения/идентификации и оценки параметров случайно возникающих режимов с нестационарным поведением мобильности в рамках предложенной общей модели, построенные на обработке выборок входящих регистрации и запросов на отключение от абонентов в выделенных зонах.

7. Результаты анализа, устанавливающие границы возможного повышения уровня предельной нагрузки в сотовых сетях при активации дополнительных ресурсов радиоканала, связанных с взаимными территориальными перекрытиями соседних сот/зон. Ряд конкретных технических предложений и методик активации указанных дополнительных ресурсов радиоканала, содержащихся во взаимных перекрытиях сот в сетях стандартов GSM, CDMA, а также в системах третьего поколения 3G.

8. Результаты анализа, устанавливающие предельные возможности уплотнения трафика существующих многоканальных систем подвижной радиосвязи путем совмещения передачи данных и режима передачи речевой информации, показывающие, что условие стационарности процесса передачи пакетов сохраняется пока Я ^ /(/-1 / м)^~^ / Л/, где Л/- число абонентов, Л „ - производительность т-го источника пакетов, / - число свободных каналов в системе.

9. Предложенные алгоритмы и методы оптимизации процедуры случайного множественного доступа для СПР с пакетной передачей данных, обладающие наилучшими показателями в смысле критерия максимума пропускной способности, синтезированные на основе стратегии управления по Беллману, применяемой в режиме распределения/разбиения свободных каналов центральной станцией.

Публикации и апробация результатов работы Основные материалы по теме диссертации опубликованы в более чем печатных работах в научно-технических журналах и сборниках, отражены в монографиях [23,34,82*^], 29 научно-технических статьях, получены авторское свидетельство на изобретение[77] и патент РФ [7].

*)В монографии автор принимал участие в написании §5.1-5.6, что отражено в предисловии По материалам диссертации были сделаны доклады: на 15 международных конференциях, 9 Всесоюзных и Всероссийских сессиях, симпозиумах и конференциях [45,140-159], на секции радиоэлектроники РАН в 2005г.

Результаты исследований по теме диссертации регулярно докладывались на ежегодной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава МТУСИ.

По материалам диссертационной работы выпущено более 20 научнотехнических отчетов НИЧ МТУСИ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации обосновывается выбор в качестве объекта исследований СПР в той части, которая относится к решению задач повышения эффективности распределенного использования радиоканала, активации его незадействованных ресурсов. Основные внимание уделялось методам решения задач высокой вычислительной сложности, состоящим в формировании групп интермодуляционно-совместимых частот, оптимизации структуры опорной сети базовых станций на территории обслуживания, а также усовершенствованиям процедур организации доступа, пространственного распределения нагрузки и контроля нестационарного поведения мобильности абонентов. Выбор основных направлений объясняется тем, что связанные с ними технологические режимы функционирования СПР наиболее тесно связаны с ресурсами пространственных степеней свободы радиоканала, которые в настоящее время являются наименее изученными и, вследствие этого, наименее задействованными.

Обобщенная схема объекта исследований - службы оптимизации распределенного использования ресурсов радиоканала в СПР, приведена на рис. 1. Ниже каждого элемента объекта исследований приводится список частных задач, которые рассматривались в диссертации для достижения результатов в рамках поставленной цели работы. На рис. 1. представлена в обобщенной форме система массового обслуживания подвижных абонентов (СПР), в интересах которой производится повышение эффективности использования радиоканала.

Поскольку для большинства практических приложений не удается ограничиться рассмотрением методов повышения эффективности использования радиоканала в рамках автономной модели, на рис. 1 представлены и смежные области исследований, непосредственно связанные с применением изучаемых методов.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель и задачи работы, кратко излагается содержание диссертации, обосновывается ее научная и практическая ценность, а также приводится перечень положений, выносимых на защиту.

В первой главе приводится описание объектов исследования, выполняется анализ развития и современного состояния методов и алгоритмов организации распределения частотно-временного ресурса радиоканала, контроля мобильности и организации доступа. На основе аналитического обобщения научных результатов по проблемам интермодуляционной совместимости радиоканалов и управления случайным множественным доступом в СПР формулируются теоретические положения, требующие исследования, для получения новых более высоких технико-экономических показателей при создании и эксплуатации систем подвижной радиосвязи.

Мобильные ( у Выбор моделей для и) Выбор моделей (Ир Выбор критериев (iy Выбор моделей систем поведения мобильных процессов контроля результатов решения задач, характеристики.

описания взаимного ресурса радиоканала. соответствующих ( п ). частотно-временного ресурса влияния параметров Определение Выбор математического и организации управления в мобилыюсти и Офаничений но аппарата для решения задач системах указанных классов.

моделей для определения контроля мобильности. методов. Анализ достигаемых Рис. 1. Обобщенная схема объекта исследований диссертации и перечень задач, решаемых в рамках поставленной цели работы.

Во второй главе в рамках теории монотонных систем синтезированы меры, обладающие свойствами монотонности на множестве частот и множестве возможных мест установки базовых станций сотовых сетей связи, как функции числа интермодуляционных уравнений для множества частот и функции относительной площади перекрытия для множества мест установки базовых станций. Введение монотонных мер позволило формализовать решаемые задачи в виде задачи выделения групп связанных множеств, построить на их основе соответствующие рекуррентные процедуры и доказать их полиномиальную вычислительную сложность. Это определило возможность решения задач выделения групп интермодуляционно-совместимых частот и определения оптимальных мест установки базовых станций для частотно-территориального планирования СПР. Приведены результаты разработки высокопроизводительных вычислительных алгоритмов, реализующих полученные правила на ПЭВМ.

В третьей главе разработана вероятностная модель СПР как системы массового обслуживания. Модель учитывает не только статистику процесса поступления и обслуживания вызовов, но также случайный характер перемещения абонентов по обслуживаемой территории. Это позволило получить уточненные формулы, определяющие трафик СПР, а также получить результаты, устанавливающие границы применимости традиционных методов расчета нагрузочной способности с помощью таблиц Эрланга. Показано, что для высокоскоростных мобильных абонентов, начиная с микросотового покрытия, и для всех абонентов при пикосотовом покрытии традиционные методы расчета нагрузочной способности обладают заметной логрешностью. Также доказывается, что в таких ситуациях возникают расхождения в значениях вероятности перегрузки, наблюдаемых со стороны отдельного абонента и системы в целом.

Установлены характеристики мобильности, к которым нагрузочная способность системы наиболее чувствительна. В частности установлено, что существенное влияние оказывает модуль градиента интенсивности мобильного потока по пространственным координатам. На этом основании делается вывод о необходимости контроля нестационарного поведения мобильных абонентов для своевременного предсказания и коррекции возможных перегрузок в СПР.

Предложена общая параметрическая модель для описания широкого спектра ситуаций с нестационарным поведением мобильных абонентов в пределах выделенной зоны обслуживания. Проведен анализ такой модели, который показал, что она может быть классифицирована как нестационарный объект теории массового обслуживания. Поставлена и решена задача синтеза и анализа совместных алгоритмов обнаружения/идентификации/оценки параметров ситуаций с нестационарным поведением мобильных абонентов в рамках предложенной модели. На основе разработанной методики для конкретных случаев, характерных для сотовых сетей поколений 2G, 3G, получены численные значения времени реагирования системы на возникающие нестационарные режимы в поведении мобильных абонентов, которые подтвердили возможность достоверного лредсказания перегрузок за 3 - 6 минут до их проявления.

В четвертой главе рассмотрен ряд специальных методов адаптивного распределения ресурса радиоканала в сотовых сетях и СПР, которые позволяют реализовать технические преимущества разработанных в главах 2 и 3 подходов в конкретных ситуациях, отвечающих современному состоянию. На основе техники динамического программирования разработана методика адаптивного управления в режиме разбиения на связанные множества абонентов и свободных каналов, которая позволила минимизировать время при организации доступа в радиоканал. Показано, что отвечающий таким условиям протокол доступа является модификацией общеизвестного протокола случайного доступа типа «синхронная ALOHA», и позволяет добиться сокращения среднего времени ожидания до 50%, при сохранении общих характеристик качества предоставляемой услуги. В рамках общего подхода контроля мобильности проведен анализ дополнительного ресурса радиоканала, связанного с наличием областей взаимных перекрытий у зон обслуживания отдельных базовых станций сотовых сетей. Синтезировано правило управления, активизирующее указанный лотенциальный ресурс. Показано, что в режиме организации доступа или хэндовера увеличение предельной нагрузочной способности тем больше, чем выше степень перекрытия зон/сот. В частности, для сотовой сети стандарта GSM расчет показал потенциальную возможность увеличения предельной нагрузочной способности в режимах организации доступа или хэндовера до 25%. Для многоканальных систем подвижной радиосвязи исследована возможность и определены условия пакетной передачи данных в режиме статистического уплотнения освобождающихся каналов. Получены аналитические соотношения, устанавливающие предельные возможности уплотнения трафика существующих многоканальных систем подвижной радиосвязи путем совмещения передачи данных и режима передачи речевой информации. Для систем оперативной радиосвязи с ограниченной доступностью к каналу, предлагается оригинальный подход для проведения обобщенного анализа, на основе которого получены условия, определяющие структуру сети, обеспечивающую минимум среднего времени ожидания.

Пятая глава диссертации посвящена описанию прикладных задач, актуальных для народного хозяйства, которые удалось решить, используя полученные результаты. В частности рассмотрены: режим оптимизированного управления распределением частотных каналов в низкоорбитальной спутниковой системе связи «ГОНЕЦ»; решение задачи ЧТП и оптимизации (в смысле критерия безъизбыточности) опорной сети базовых станций сотовой сети UMTS, развертываемой на основе радио интерфейса WCDMA на территории г. Иваново;

решение задачи оптимизации распределения частот для обеспечения ЭМС в сотовых сетях 2-го и 3-го поколений; а также ряд задач по оптимизации характеристик ведомственных сетей и систем радиосвязи специального назначения.

В заключении кратко приведены итоги работы, перечислены основные наиболее значимые результаты, а также намечены перспективы дальнейшего развития рассмотренного в диссертации научно-технического направления.

В приложении помещены дополнительные материалы по главам и акты внедрения результатов работы

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОВРЕМЕННОГО РЕСУРСА В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ

РАДИОСВЯЗИ

Фундаментальные работы Л. Клейнрока [47,48], появившиеся в 70-х годах прошлого века, открыли возможность широкого применения теории цифровой обработки, впервые осознанной как самостоятельная дисциплина, начиная с работ Клода Шеннона [124], не только для организации передачи сообщений по выделенным каналам связи, но и для оптимизации организации обмена информацией в системах с множеством абонентов, совместно использующих общий ресурс канала. Это ознаменовало качественный скачок в теории и технике радиосвязи, а также в понимании физических явлений, лежащих в основе указанных процессов. Техника, использующая выделенные, тем более закрепленные, физические соединения (каналы) стала стремительно отходить в прошлое.

Одновременно с этим бурное развитие получила сфера элеетронных технологий. Впечатляющие успехи были достигнуты в области миниатюризации, производительности и емкости устройств цифровой обработки/хранения информации. Были получены технологичные образцы аппаратуры низкоскоростного цифрового преобразования сигналов речевых источников. В последствии подобная аппаратура была создана и для источников видеоинформации. Все это привело к тому, что, начиная с 80-х годов XX века, началось массовое введение в строй качественно новых систем связи, получивших общее название сотовых сетей. В настоящее время это определение уже само по себе начинает устаревать, и его следует понимать исключительно как некоторый условный технический термин. Объясняется это тем, что все интенсивнее начинают возникать спутниковые, транкинговые, глобальные компьютерные и другие сети, внутри которых уже нельзя выделить стационарную опорную сеть базовых станций (БС), реализующую однородное покрытие территории зонами обслуживания со структурой близкой к сотовой. Третье поколение сотовых сетей 3G вообще предполагает широкое использование на БС мультипользовательских кодеков-модемов [166,172,175,176], позволяющих сопровождать лучами отдельных абонентов, обеспечивая не только частотновременную, но и пространственную селекцию отдельных радиосигналов. Все это позволяет охарактеризовать возникшую ситуацию как новую реальность, к системному осмыслению которой научный мир только начинает приступать. С открывающихся позиций должны анализироваться и «старые» системы, которые на промежуточном этапе следует модифицировать с целью сопряжения их с новыми системами и поддержки услуг, отвечающих, хотя бы отчасти, современным требованиям.

С точки зрения академической науки в целом, современная проблематика теории связи находится на таком этапе, когда классическая теория информации, оформившаяся как дисциплина о передаче данных из одной точки пространства в другую посредством некоторого канала связи за ограниченное время и ограниченной энергии сигнала [105,124], начинает трансформироваться в более общую дисциплину, изучающую пространственно-временные трансформации распределенных данных. В конечной перспективе следует ожидать появления единой теории, описывающей пространственно-временные преобразования распределенных данных, оперирующей некоторыми новыми универсальными соотношениями, подобными существующим 4-м теоремам Шеннона [105,124], и некоторыми новыми пространственно-временными хараетеристиками систем связи. Наверное, будут открыты некоторые новые универсальные методы организации распределенного хранения, кодирования, обработки и передачи информации, которые в качестве предельных случаев будут включать результаты современной теории информации.

Однако, создание такой дисциплины, которая по своему определению вполне может пониматься как отдельный раздел фундаментального курса теоретической физики, следует отнести к отдаленной перспективе, может не столько по времени, сколько по объему необходимой работы и продвижения технологии, которые позволят вывести знания в данной области на новый качественный уровень.

В настоящий момент конкретная научная работа и инженерная праетика сосредоточены на задачах, составляющих отдельные аспекты общего физического знания в данной области. Поэтому и задачи текущего времени следует понимать как задачи периода формирования специфического раздела общего курса физики:

1) лоиск и выявление новых свойств и явлений;

2) создание локальных описательных теорий;

3) разработка в рамках локальных теорий общих методов и техники решения частных задач;

4) сопоставление и, по возможности, обобщение результатов.

Анализируя с указанных лозиций современную проблематику теории связи можно выявить ряд универсальных лроблем, с которыми приходится сталкиваться практически всегда, когда идет речь о проецировании, разработке, вводе в строй и эксплуатации систем связи (включая и сотовые сети). Это:

1) ограниченная пропускная способность радиоканала;

2) вьюокая вычислительная сложность (как правило, экспоненциальная с большим основанием) алгоритмов, получаемых в рамках существующих разделов математического аппарата, охватывающих вопросы оптимизации управления и адаптации состояния.

К сожалению, следует отметить, что характер отмеченных проблем в настоящее время понимается как общенаучный. Универсальных методов их разрешения не существует и, скорее всего, даже не может быть на современном уровне развития науки техники. Поэтому на практике комплекс задач, относящихся к проектированию и эксплуатации систем связи, всегда формулируется в некоторой зауженной, конструктивной постановке, позволяющей каждую задачу условно считать независимой и получить некоторые частные решения. Таким образом, оговоренные выше проблемы фактически формулируются как три частные задачи:

1) оптимизация пространственного (в последнее время пространственновременного) распределения общего частотного ресурса радиоканала системы по обслуживаемой территории;

2) обеспечение условий электромагнитной совместимости (ЭМС) внутри системы и между различными системами фиксированного множества;

3) адаптация в режиме реального времени к динамике внешних условий:

перемещениям лодвижных абонентов, изменениям удельной нагрузки.

В таких условиях становится важным не просто решить указанные задачи для ряда конкретных приложений, а обеспечить определенную степень обобщения, сформулировать частные критерии и предложить методики, позволяющие сопоставить эффективность различных алгоритмов. К сожалению, анализ доступной литературы не лозволил выявить источников подобных работ.

Несмотря на кажущуюся необъятность материала, посвященного данным вопросам, оказывается, что предлагаемые подходы либо не работоспособны в условиях, отвечающих реальным, либо опираются на чисто эмпирические критерии, не позволяющие прямо или косвенно сопоставить получаемые с их помощью результаты или оценить степень близости к потенциальному уровню.

Кроме того, как выяснилось, не существует работ, посвященных развитию теории массового обслуживания на режимы с адаптацией к внешним динамическим условиям. А такие задачи становятся особенно аетуальными в условиях повышения мобильности и уменьшения зон обслуживания в сотовых сетях поколения 3G (см. главу 3). Указанные проблемы легли в основу настоящей работы.

Большая часть исследований была посвящена решению задач синтеза ограниченных по вычислительной сложности алгоритмов управления частотным ресурсом и разработке критериев качества для анализа результатов и сопоставления технических характеристик алгоритмов.

На основе оригинальной техники статистической обработки нестационарных Пуассоновских потоков предложен новый подход, позволяющий развить классическую теорию массового обслуживания на ситуации с внешними динамическими условиями и поддержкой режима адаптации в рамках отдельного объекта. Во всех случаях рассматривается ряд прикладных задач, которые были решены с использованием разработанных подходов. Проводится теоретический анализ и результаты машинного моделирования, подтверждающие положительный эффект от применения разработанных методик, подходов и алгоритмов.

1.1. Проблема вычислительной сложности задачи частотнотерриториального планирования в современных и проектируемых системах связи подвижных абонентов.

Одной из важнейших проблем, которую приходится решать разработчикам систем сухопутной подвижной радиосвязи (ССПР), является проблема частотнотерриториального планирования (ЧТП), которая включает в себя большой перечень рассматриваемых вопросов. Главным итогом решения этой проблемы является создание территориально-распределенной структуры ССПР, обеспечивающей, с учетом внутрисистемной и межсистемной ЭМС, требуемое радиопокрытие и возможность обслуживания формируемого абонентами трафика. В самом общем виде формализация этой задачи приводит к большому множеству возможных решений и в настоящее время не представляется возможным ее общее аналитическое или алгоритмически автоматизированное решение. Поэтому применяются традиционные методы декомпозиции на более мелкие, связанные друг с другом задачи, решения которых либо известны, либо могут быть разработаны. Одной из таких задач является задача борьбы с интермодуляционными помехами. Интермодуляционные помехи возникают вследствие неизбежного присутствия нелинейных искажений в реальной аппаратуре. Методы борьбы с этими помехами можно условно разделить на три группы:

- создание премо-передающей аппаратуры, в которой минимизируется влияние нелинейностей, т.е. минимизируется уровень нелинейных, в том числе и интермодуляционных помех;

- разработка ЧТП, которые в случае возникновения интермодуляционной помехи, позволяют с учетом реального трафика системы считать возможные потери допустимыми (т.е. считать вероятность возникновения неблагоприятной ситуации малой);

- выбор групп используемых частот, которые являются интермодуляционносовместимыми, т.е. ни при каких комбинациях не образуют рабочую частоту группы.

Мероприятия, проводимые в рамках первой группы, выливаются в разработку стандартов на конкретную систему, в которых учитываются достижения современных технологий создания приемо-передающей аппаратуры. Анализ конкретной аппаратуры на возникновение нелинейных, в том числе и интермодуляционных помех обычно осуществляется по известным моделям с использованием пакетов прикладных программ таких например, как SimuLink, MicroCap, SistemView, MicroWaveLab, Serenada или др. С учетом требований стандартов и характеристик реально производимой аппаратуры, разрабатываются нормы частотно-территориального разноса (ЧТР), выполнение которых при создании конкретной ССПР позволяет обеспечить требуемую ЭМС радиосредств. На основе этих норм используются методы второй группы по разработке конкретных ЧТП. Регламентация требований к ЧТП помогает решать поставленную задачу, но никак не снижает ее трудоемкость с одной стороны и не исключает полностью интермодуляционной помехи с другой. Поэтому задача обеспечения интермодуляционной совместимости частот при создании ССПР остается одной из наиболее трудоемких и важных из нерешенных до конца в настоящее время задач.

Широкое применение третьего метода ограничено отсутствием регулярных алгоритмов, позволяющих с приемлемой вычислительной сложностью решать задачу набора групп интермодуляционно-совместимых частот из произвольного множества (например, более чем ста частот). Число реальных результатов, позволяющих работать с большим количеством частот, весьма ограничено [34,43,59,132,161,167,179].

В инженерной практике сложилось вполне определенное понимание влияния интермодуляционных помех, которое закрепилось на уровне соответствующих стандартов и норм (например, ГОСТ 12252-86 определят нормы на интермодуляционную избирательность приемника, а рекомендации МСЭ-Р SM. 1134(10/95) «Intermodulation interference calculations in the land-mobile service»методы расчета интермодуляционных помех в сухопутной подвижной службе).

Оно состоит в том, что в качестве интермодуляционных помех понимаются исключительно те паразитные спектральные компоненты, у которых центральная частота попадает в рабочую полосу полезного сигнала. На самом деле рассматриваемое явление сложнее.

Из-за расширения спектра появляется возможность попадания части мощности интермодуляционной помехи в полосу полезного сигнала даже в тех случаях, когда ее центральная частота не попадает в указанную полезную спектральную область. Однако таким явлением на практике, как правило, пренебрегают. Некоторые оценки, подтверждающие правильность этого предположения приводятся в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

Результаты показали, что дополнительное уменьшение за счет «расширения»

спектра интермодуляционных компонент в наименее благоприятном случае максимальной частотной упаковки каналов всегда не ниже -11.72 дБ (наблюдается на интермодуляционной компоненте 7-го порядка). Для ситуаций схожих с реальными указанное дополнительное уменьшение всегда оказывалось не хуже -21.99 дБ (компонента 5-го порядка).

Поскольку полученные значения будут складываться со значениями уменьшения уровня комбинационной составляющей по отношению к основному сигналу, которые даже при неудачном исполнении аппаратуры составляют порядка -30 дБ, то можно заключить, что в реальных системах подвижной связи можно не принимать во внимание воздействие интермодуляционных помех, проходящих через боковые сегменты расширенного спектра. Поэтому при решении поставленной задачи будем ориентироваться на традиционное понимание ситуаций с интермодуляционными ломехами [27, 34, 59, 99]. Группы интермодуляционно-совместимых частот представляют собой неравномерную «сетку радиоканалов», в то время как отказ от обеспечения интермодуляционной совместимости определяет равномерную «сетку радиоканалов». В работе предполагается, что полученные неравномерные «сетки радиоканалов» также удовлетворяют всем нормам ЧТР, как и равномерные, на основе которых разрабатываются ЧТП, поэтому повышение эффективности использования частотного ресурса в случае ислользования неравномерных «сеток» в работе понимается как дополнительное по сравнению с равномерными «сетками» число каналов, на которых возможна одновременная работа абонентов ССПР.

Таким образом, интермодуляционные помехи р-го порядка между частотами ^,,^2'-'^т существуют, если выполняется соотношение где «, - целые положительные числа, для которых р = Если частоты ^, выбираются равномерно из одного диапазона частот l/min./шах]. то при определенных соотношениях величин f^,,S = f^^-f^^ и разносом между соседними частотами появляются существенные ограничения на возможность появления интермодуляционной зависимости различных порядков (например, для невозможно появление интермодуляционной зависимости второго порядка). Эти ограничения обуславливают появление алгоритмов, сокращающих время прямого перебора при выявлении грулп интермодуляционно независимых частот [161,192].

При отсутствии лодобных ограничений используются либо метод Монте-Карло [165], либо алгоритмы теории графов [41,85,160]. Для получения максимальной группы интермодуляционно независимых частот указанными выше алгоритмами требуется время, пропорциональное Л/ = ^ С ^ / ' '. В дальнейшем ислользуется оценка снизу Q = 2'"''^C^p\ М, что характеризует вычислительную сложность существующих алгоритмов по параметру т как экспоненциальную. Нерегулярные методы позволяют эту величину уменьшить только в некоторое фиксированное число раз (в зависимости от способа) не зависящее от величины т. Все существующие регулярные методы основаны на полном переборе при малых значениях величин р \л т \л затрачивают на счет время пропорциональное М. В практической деятельности величина т обуславливает (для т, измеряемого несколькими сотнями) время непрерывного счета на существующих ЭВМ в несколько десятков лет, что говорит о невозможности реализации этих методов при указанных параметрах.

Поэтому поиск алгоритмов, обеспечивающих распределение частот в диапазоне ОВЧ с учетом факторов интермодуляционных помех за реальное время счета, весьма актуален. В зависимости от способа распределения частотного слектра определяется его степень эффективного использования. Но критерии эффективности, применяемые разными исследователями, существенно отличаются, в силу чего сравнение различных способов распределения частот лодчас бывает затруднительно, и критерием может служить лишь преимущество при практическом использовании этих способов. Если не учитывать несущественные нюансы, можно свести все существующие критерии эффективности использования частотного ресурса, используемые в задачах частотно территориального планирования, к следующим.

Первый критерий. Минимизация площади территории (зон перекрытия), на которой существуют интермодуляционные ломехи порядка р^р^^ [161,192].

Второй критерий. Не превышение уровнем помех заданной величины [85,165] на всей территории системы радиосвязи.

Третий критерий. Комплексный критерий, который учитывает нагрузку на каналы связи, разнесенных во времени и пространстве выбранных групп частот, количественно выраженный в виде вероятности потерь при заданном качестве обслуживания [34].

Следует заметить, что при математической формализации этих критериев в разных источниках [34,46,49,85,94,99,114,132,133,160-162,164,165,167,179,192] они незначительно отличаются нюансами, не всегда принимаемыми в расчет, что при сравнительном анализе часто дает необъективные оценки.

К тому же эффективность использования частотного ресурса существенно зависит от типа систем, которые используют распределенный частотный ресурс [160]. Различают системы с фиксированным и динамическим распределением каналов. Например, в сотовых структурах динамическая схема распределения не всегда использует каналы максимально возможное число раз. Фиксированная схема распределения каналов ориентирована на получение минимально достижимого расстояния между ячейками с одинаковыми параметрами и, следовательно, обеспечивает более высокий коэффициент повторного использование каналов, что более пригодно для поддержки пиковых нагрузок при произвольном трафике. При больших вероятностях блокировки, системы с фиксированным распределением каналов обрабатывают большие нагрузки, потому что повторное использование канала в них фиксируется для случая оптимизированной конфигурации.

Для территориальной системы с сотовой структурой имеется большое число алгоритмов распределения частотных каналов между базовыми станциями [29,34,59,85,92,99,104]. Один из этих алгоритмов [38,49,114] представляет собой фиксированное распределение, при котором они могут быть использованы только в определенных ячейках. В этом случае существует определенное соотношение между сотами и каналами, которые могут быть там использованы в любое время.

В другой схеме [20,94,162,167] (схема динамического распределения каналов) отсутствует соотношение между сотами системы и каналами. Каналы распределяются для временного использования в сотах в течение длительности сеанса связи. В третьей схеме [164,179] сочетается динамическое и фиксированное распределение каналов - схема вынужденного или гибридного распределения каналов [34,132,133].

Но во всех способах распределения частот центральной задачей является задача выделения максимальных групп интермодуляционно совместимых частот.

Существующие общие методы и схемы выделения частот обладают экспоненциальной временной сложностью. К ним относятся:

1) метод распределения Беблока [99,160];

2) распределения с интервалами в арифметической прогрессии [99,160];

3) разностно-треугольный метод [167] 4) различные варианты сочетающие модификации указанных выше методов.

Из-за экспоненциальной временной сложности указанные общие методы не могут на существующих ЭВМ за реальное время выделить интермодуляционно совместимые группы частот максимального размера для частотных интервалов более 2 МГц с разносом частот 25 кГц (при общем числе частот более 80 время счета по этим алгоритмам составляет сотни часов). Этим объясняется их непригодность для решения большинства практических задач.

Вычислительная сложность может быть несколько сокращена использованием свойств алгебраических полей, введенных в работах [85,165]. Другим недостатком существующих методов, помимо значительной вычислительной сложности, является несовершенство подходов, используемых в них для распределения выделенных групп интермодуляционно независимых частот на заданной территории.

Следует особо отметить, что большая часть трудностей, связанная с распределением частотного ресурса, в своей основе порождается изначально слишком общим определением интермодуляционной зависимости частот. Под это определение, как правило, подпадают процессы образования новых частот различной физической природы. При одной и той же степени интермодуляционной зависимости, но различной внутренней структуре формирования этой степени, вновь образованные частоты могут иметь очень большой разброс в мощности и приводить к меньшим или большим изменениям универсального параметра качества связи в виде отношения сигнал/шум. Если в качестве критерия эффективности использования частотного ресурса взять величину, прямо пропорциональную числу выделенных частот, при условии ограниченного изменения уровня сигнал/шум, то оказывается, что использование в определенных ситуациях интермодуляционно зависимых частот не приводит к выходу за пределы ограничений, накладываемых на отношения сигнал/шум. Как следствие, выводы об использовании той или иной совокупности частот и улучшении помеховой обстановки при классическом определении (см. начало данного раздела) интермодуляционной зависимости часто не соответствуют истинному положению и приводят к уменьшению эффективности использования частотного ресурса в системе.

Практически для всех существующих методов частотно-территориального планирования [34,85,160,161,165,192] предполагается активное использование предположения о разбиении территории на стандартные по конфигурации и размерам области, что мало соответствует практическим ситуациям. В этой связи особую актуальность приобретает разработка конструктивных алгоритмов выделения максимальных групп интермодуляционно совместимых частот и правил их распределения на заданной территории, которые можно было бы реализовать за приемлемое время, и в которых не предусматривается введение существенных ограничений, накладываемых на подобласти разбиения рассматриваемой территории.

Таким образом, из лриведенных выше соображений приходим к постановке и необходимости решения следующих задач:

1. выбор наиболее приемлемого критерия эффективности использования частотного ресурса;

2. создание методов и, на их основе, алгоритмов, позволяющих за реальное время находить максимальные группы интермодуляционно совместимых частот из заданного частотного ресурса;

3. используя алгоритмические возможности выделения интермодуляционно совместимых групп частот, создать регулярный алгоритм территориального распределения частот для произвольной конфигурации областей, составляющих территорию обслуживания.

Решение этих задач приведено в разделе 2 [130,132,133,145] на основе применения алгоритмов, построенных на базе теории монотонных систем.

1.2. Задача синтеза оптимальной структуры опорной сети базовых станций Отдельную серьезную проблему в настоящее время представляет задача оптимизации структуры опорной сети базовых станций в сотовых системах связи.

По мере уменьшения размеров сот резко возрастает число БС, требующееся для обслуживания выделенной территории, что, в свою очередь, приводит к существенному росту платы за ошибки, допускаемые при проектировании структуры сети. При этом следует отметить, что сотовые сети 2-го поколения (2G) разворачивались в условиях свободного рынка и, являясь на первом этапе социально престижным продуктом, могли использовать резервы высокой стоимости услуг, недозагруженности и невьюокого уровня требований к качеству работы для различного рода корректирующих действий, технических доработок, перестроений и усовершенствований в режиме совмещенном с эксплуатацией.

Для систем следующих поколений указанный ресурс становится существенно меньше. Самые удобные позиции размещения, как правило, оказываются занятыми, существующие системы выступают в качестве ограничивающего фактора, требуются дополнительные усилия по организации ЭМС и т.д. В результате задача проектирования опорной сети уже не может быть решена с требуемым уровнем качества путем использования только эмпирических методов, опыта разработчиков или операторов и следования общим рекомендациям по реализации сотового покрытия. Для каждой конкретной территории, характера ее застройки, допустимых мест расположения антенного и сопутствующего радиотехнического оборудования и реализующегося трафика задача должна решаться отдельно. Для этого должна быть создана новая методика, позволяющая учитывать весь спектр перечисленных особенностей, и приводящая к алгоритмам ограниченной вычислительной сложности.

Традиционные подходы к решению поставленной задачи, ориентирующиеся на технику прямого перебора, приводят к экспоненциальной вычислительной сложности с очень большим числом в основании. Величина указанного основания реально связана с количеством «стеленей свободы» решаемой задачи. К таковым следует отнести:

1) множество возможных мест размещений антенных систем и прочего оборудования базовых станций (БС) на рассматриваемой территории;

2) множество вариантов деления сот на сектора с помощью сегментированных или управляемых антенн;

3) множество вариантов распределения частотного ресурса радиоканала между БС, обеспечивающее ЭМС внутри системы и с существующими радиосетями;

4) множество вариантов поддержки требуемого перечня услуг с гарантированным качеством на всей обслуживаемой территории;

5) способы поддержки несимметричного трафика в прямом и обратном направлениях, существующего на обслуживаемой территории;

6) варианты реализации сплошного локрытия территории;

7) множество вариантов, обеспечивающих достижение заданного уровня перекрытий зон/сот в приграничных районах для поддержки непрерывной работы для перемещающихся абонентов.

В качестве критерия оптимальности решения лоставленной задачи вполне может быть использован минимум числа БС, при условии обеспечения требований, вытекающих из вышеперечисленных условий.

В городских условиях практическая польза от методики решения поставленной задачи может быть очень велика, лоскольку все чаще приходится производить специальное строительство зданий под БС. Поэтому уменьшение числа БС напрямую снижает основные затраты на этапе развертывания и предопределяет экономическую перспективу системы в целом.

Существующие общепринятые подходы не отвечают поставленной задаче. С их помощью можно проводить только отдельные исследования отдельных узлов, небольших сегментов и подсистем в автономном режиме. Техника имитационного и математического моделирования может быть использована лишь в ограниченном объеме, поскольку быстродействия современных машин не хватает для моделирования работы радиоканалов в массовом формате.

Одновременно с этим следует указать на то, что в области общей теории построения алгоритмов ограниченной сложности появился ряд перспективных работ, к которым в первую очередь следует отнести [68,69], позволяющих с новых позиций рассматривать сложные переборные задачи поиска и выделения экстремальных подсистем внутри большого базового множества. Указанные новые подходы позволяют, по крайней мере, заметно уменьшать значения, стоящие в основании выражений, определяющих вычислительную сложность алгоритмов перебора. Сами же предлагаемые подходы имеют полиномиальную сложность. Новые подходы очень перспективны для решения технической задачи планирования структуры опорных сетей БС. Но для этого требуется их адаптация, формирование некоторой конструктивной метрики, с одной стороны связанной с целевыми характеристиками качества системы, работающей на заданной территории, а с другой, обладающей абстрактными математическими свойствами монотонной меры, постулируемыми в работах [68,69] (см. также ПРИЛОЖЕНИЕ 2.1).

Возможный вариант развития положений теории монотонных систем, с введением некоторых дополнительных условий для используемой меры, для решения задачи территориального планирования в сетях стандарта WCDMA рассматривается в разделе 2.4. Его высокую эффективность подтверждает результат применения для г. Иваново (пример, который приведен в п. 5.4 и [31]).

1.3. Общие проблемы задачи прогноза перегрузок сотовых сетей на основе анализа динамического поведения подвижных абонентов В основу известных современных теоретических и прикладных методов проектирования систем подвижной радиосвязи, включая сотовые сети, положен подход кпассической теории массового обслуживания, предполагающий заданным постоянным уровень общей нагрузки [12,29,48,60,67,107,116,122,188].

Указанный уровень понимается, как определяющий внешние условия работы.

Даже если условия эксплуатации не позволяют считать его постоянным, для применения существующих методов анализа приходится искусственно вводить градации и рассматривать ряд возможных режимов работы. Примером может служить рекомендация GSM 03.05 [188], в которой используется два режима нагрузки А и В. Наиболее широко данный подход распространился в форме понятия работы в часы наибольшей нагрузки (ЧНН), когда система связи работает как бы в стационарных условиях при некотором пиковом состоянии.

С точки зрения теории приближенных вычислений указанный подход представляет собой хорошо известный метод разделения общего решения на медленно и быстро изменяющиеся процессы, позволяющий решать сложные системы уравнений путем выделения из них условно независимых подмножеств [13].

Для существующих систем связи подвижных абонентов, включая сотовые сети вплоть до 2-го поколения (2G) такой подход вполне себя оправдал, хотя в определенных ситуациях не позволял обеспечить нужную точность и приводил к некоторым потерям. Справедливость использования методов классической теории массового обслуживания основывается на том, что зонное покрытие в системах до 2-го поколения организовано так, что отдельные БС обслуживают очень большое число абонентов с низкой удельной средней нагрузкой (от 0.001 до 0.03 Эрл./абонент). В результате БС всегда работают с усредненными характеристиками с небольшими уровнями флуктуации. Динамика изменения усредненных характеристик в таких ситуациях низкая, что позволяет обходиться параметрами в виде нагрузки в ЧНН или ряда градаций по нагрузке с введением под каждую собственного режима работы. В качестве примера можно указать на работу соты стандарта GSM в низкозагруженном и обычном режимах, управление путем удвоения базового ресурса канала в спутниковой системе связи IRIDIUM и т.д.

Для сотовых систем связи третьего поколения (3G) указанные условия теряют силу [166,172]. Планируемое значительное повышение поверхностной плотности нагрузки в указанных системах с необходимостью потребовало введения микро и лико-сотовой структур покрытия, в которых число обслуживаемых абонентов, приходящихся на соту, не может быть значительным. При этом существенно повышается относительный уровень флуктуации, как в моделях, описывающих мобильность и пространственное распределение абонентов, так и в поведении суммарных нагрузок, приходящихся на отдельные БС. Значительно повышается влияние нестационарных процессов и динамики леремещений на предельные уровни нагрузочной способности системы в целом. Ориентироваться лри лроектировании и эксплуатации на сохранение работоспособности в предельных ситуациях, которые могут возникать в каждой локальной зоне, становится неразумно. В таких ситуациях возникает острая необходимость в аю-ивном введении в рассмотрение режимов с адаптацией системы к локальным перераспределениям нагрузки и предсказанием возможностей таких перегрузок в отдельных зонах. Одновременно с этим в системах связи третьего поколения планируется качественное изменение характера абонентского трафика. Так, если в сотовых сетях 2G основным видом связи является речевой обмен, то в системах 3G - обмен данными. Опыт эксплуатации таких систем показал, что в них существенно повышается удельная нагрузка, приходящаяся на абонента (до 0. Эрл./абонента). В результате потоки входящих и выходящих из сот абонентов будут почти непосредственно влиять на информационную нагрузку. Большинство абонентов будут активными, а не пассивными, как в системах 2G. А в таких случаях, даже когда условия стационарности и однородности сохраняются, уже не действует закон Эрланга, повсеместно утвердившийся в качестве лрактического инструмента решения задач разработки и анализа систем связи. Он трансформируется, как будет показано ниже (см. п. 3.1.4), в закон ЭнгестаО'Делла [10,21,97], для которого уже нельзя установить однозначную связь между средней нагрузкой и вероятностью блокировки. Поэтому становится важно, не только лонять, как решать задачи борьбы с перегрузками в новых условиях, но и определить границы применимости традиционных методов, установить каким именно образом уменьшение размеров сот, ловышение мобильности и, может быть, некоторых других параметров влияют на эти границы.

Очень важное значение приобретает вопрос, на сколько мобильность может влиять на характеристики сети, следует ли и как именно их учитывать при проектировании и эксплуатации сети. В практической плоскости проблематика вопроса сводится в первую очередь к выяснению того, как размеры сот будут влиять через мобильность на главные рабочие характеристики (производительность, суммарная нагрузочная способность и т.п.).

Указанные обстоятельства приводят к требованию развития или, по крайней мере, к существенным доработкам известных методов и, в первую очередь, развития теории массового обслуживания на случаи с нестационарным ловедением объектов.

Определенное понимание указанного обстоятельства все сильнее проявляется в последнее время, и в качестве примера можно указать на одну из последних обобщающих работ [172], в которой для систем 3G описываются существующие модели движения абонентов. Однако получить на основе таких моделей какие-либо конструетивные результаты не удалось, исключая только вопросы, относящиеся к устойчивости процедур поддержки непрерывными соединений при межсотовых переходах (handover). На самом деле возможные приложения анализа мобильности значительно шире. Уместно утверждать, что правильная постановка задачи в данном случае содержит значительную часть решения. Поэтому попробуем сформулировать ее сначала в общем виде, после чего осуществим переход к более конкретным частным определениям, которые, в свою очередь, позволят перейти к математическим формам, используемым в главе 3.

И так, главная задача: построить алгоритм управления общим ресурсом канала, чтобы своевременно перераспределять его в пространстве, выделяя большую часть в зоны, испытывающие пиковые нагрузки.

Данная задача состоит из двух частей:

1) анализ динамики распределения нагрузки с прогнозом изменений;

2) управление перераспределением ресурса системы для адаптации к перегрузкам.

Элементы второй задачи достаточно хорошо изучены в части реализации на техническом уровне [1,12,29,59,99,122,188,192, и.т.д.]. Однако часть вопросов, как отмечалось выше, приводит к алгоритмам значительной вычислительной сложности. Возможный подход к их решению предлагается в главах 2 и 4 на базе развития подхода теории монотонных систем [68,69]. Примеры реализаций таких решений для ряда практических случаев приводятся в главе 5.

Первая из составляющих целевой задачи представляет самостоятельную проблему, решение которой может быть построено на основе скрытого информационного ресурса, имеющегося в системах подвижной связи. Этот ресурс содержит служба управления мобильностью (например, ММ-уровень в сетях стандарта GSM). Действительно, служба управления мобильностью осуществляет постоянный контроль числа абонентов, перемещающихся из зоны в зону.

Указанный контроль охватывает не только активных абонентов, а всех зарегистрировавшихся пользователей. В результате на каждой базовой станции оказывается доступным контроль не только уровня нагрузки в соте, но и числа абонентов, располагающихся на обслуживаемой территории. В результате статистические процедуры, построенные на основе данных о мобильности, имеют существенно более высокие характеристики качества, поскольку оперируют с выборками, мощность которых превосходит, по крайней мере, в несколько раз (даже в системах 3G) выборки данных о нагрузке. Кроме того, как показывает опыт эксплуатации, и как подтверждает приведенный ниже анализ, динамика переходных процессов, описывающих изменение числа абонентов в соте, существенно ниже динамики переходных процессов, описывающих установление средней нагрузки соты. Поэтому, если перегрузка в соте происходит по причине скопления абонентов, то ее можно предсказать на более ранних этапах с помощью анализа изменений параметров процессов, описывающих потоки межсотовых перемещений абонентов. Поэтому можно утверждать, что анализ процессов, порождающих локальные скопления людей и транспорта, представляет наиболее удобное средство для предсказания и своевременных действий по предотвращению потери качества связи по причине локальных перегрузок сети.

Отдельная зона обслуживания, анализируемая на предмет мобильного поведения абонентов, при этом может рассматриваться как объект массового обслуживания, в котором входной поток (описывает появление новых абонентов в зоне) имеет интенсивность Я^, а поток на выходе имеет интенсивность ju''{i,i), где / общее число абонентов в зоне в момент времени /.

Если ju^{i,t) = ju^ = Const, то используемая модель соответствует объекту массового обслуживания М/М/1, по классификации Дж. Кендалла (см. [21], раздел «обслуживания систем теория»). Однако с точки зрения физических процессов мобильности, такое соответствие следует понимать как условное. Поэтому далее в работе для указанного случая используется название «модель М1». Если же "о'0»О = ""•'. то модель мобильности в описательном плане становится эквивалентной объекту массового обслуживания вида М/М/оо по классификации Дж. Кендалла. По причина указанным выше, для такой модели мобильности используется ниже название «модель Эрланга».

В реальных условиях нестационарное поведение мобильных абонентов зачастую можно понимать как вызванное изменениями во времени параметров интенсивности Л^ и ju^ (или ju"). В таких ситуациях задача анализа мобильности сводится к задаче обнаружения и оценке изменений указанных параметров интенсивности. Для ее решения необходимо развить теорию массового обслуживания на ситуации с нестационарным поведением. В третьей главе предлагается подход, основанный на процедурах статистической обработки дискретных потоков объектов массового обслуживания, который позволяет реализовать оптимальное (в смысле критерия Неймана-Пирсрна) обнаружение и классифицировать тип изменений в поведении мобильных абонентов, а также выполнить оптимальную по критерию максимального правдоподобия оценку параметров динамической модели. В основе предлагаемого подхода лежит развитие и обобщение техники статистической обработки дискретных потоков, изложенной в работах [16,111,190].

В процессе исследований поведения мобильных потоков транспорта, в конце 50-х годов XX столетия было открыто одно универсальное физическое явление, относящееся к характеру возникающих возмущений значимого уровня. Ему в свое время было посвящено много работ, см. например [115,163,169,170,173,180,186], в которых говорится, что при внешних воздействиях с уровнем выше критического в мобильных потоках неизбежно и достаточно быстро возникают «ударные»

волны интенсивности. Пространственно-временная структура таких «ударных»

волн ограничена несколькими типами:

1) в виде «ступеньки», в этом случае ударную волну называют «моноклинной с внутренним разрывом» [115];

2) треугольного вида;

3) N-типа.

Поскольку «опрокидывание» ударной волны в мобильном потоке в силу физической природы не возникает, то ударный фронт всегда является вертикальным или линейным [115]. Хотя возможны незначительные для рассматриваемой задачи определения фронта уточнения, связанные с явлением диффузии," которые приводят к уравнениям Бюргерса. Однако, если ограничиться приближением первого порядка, то все перечисленные типы «ударных» волн могут быть описаны математическими моделями случайных потоков со скачкообразным или линейным изменением интенсивности, или комбинацией указанных законов. Указанное обстоятельство предопределило выбор общей модели для динамического поведения мобильных (подвижных) абонентов.

В качестве базовой модели динамического поведения предлагается рассматривать ситуации со «скачкообразно-линейными» изменениями параметров интенсивностей входящего {Лд) и выходящего из зоны {/г") абонентских потоков. Характер таких изменений для интенсивности входящего потока можно представить аналитически так:

Для параметра удельной интенсивности выходящего из зоны потока абонентов указанная зависимость имеет вид:

Для интенсивности выходящего потока принята модель (1.2) в силу того, что параметр //'"(/), имеет значение обратно пропорциональное среднему времени прохождения зоны/соты отдельным абонентом, которое при возникновении пробок или заторов увеличивается пропорционально длине указанных пробок или заторов. А пробки или заторы увеличиваются в размерах прямо пропорционально (по крайней мере, на начальных этапах) времени с момента их возникновения.

возникновения/рассасывания пробок на дорогах, проходящих через зоны обслуживания сети, изменений пассажиропотоков, входящих/выходящих из станций метро, скопления людей в областях проведения массовых мероприятий и т.д. На рис.1.1 для пояснения показаны возможные различные изменения интенсивности входящего потока в зависимости от различных комбинаций параметров Л'^, Л^ и Л",, используемых в модели (1.1).

Как можно видеть, соотношение величин Я^ и Лд определяет знак и величину скачка интенсивности, возникающего в некоторый заранее неизвестный момент времени to- Знак и величина Л^ задает характер возникающего после скачка линейного изменения интенсивности. В частности в рамках предлагаемой модели возможны ситуации с простыми скачками интенсивности и с линейным изменением без скачков.

Аналогично, на рис. 1.2 показаны четыре возможные ситуации характерных изменений параметра удельной интенсивности выходящего потока /^'"(/), в зависимости от соотношений знаков и значений параметров ^^, ^д, /л^, входящих в модель (1.2). Следует отметить, что и эта модель охватывает достаточно широкий спектр возможных ситуаций с нестационарным поведением мобильности. В частных случаях она может описывать простые скачки и плавные увеличения или спады интенсивности потока на выходе из зон.

Предлагаемые модели описания нестационарного поведения мобильного потока абонентов на входе и выходе вполне могут сочетаться друг с другом в произвольных комбинациях. Поэтому объединенная модель (1.1) и (1.2) Четыре варианта возможных изменений интенсивности входящих запросов на регистрацию в зависимости от параметров Возможные варианты изменения удельной интенсивности потока абонентов, представляется достаточно универсальной, по крайней мере, на данном этапе исследований. Ниже показано (см. главу 3), что идентификация xapaicrepa изменений мобильного потока на входе и на выходе сводится к двум статистически условно независимым процедурам. Это позволяет получить результаты синтеза в относительно простых формах, достаточно легко реализуемых на базе современной вычислительной техники.

интенсивность потока на выход //""(/)•/(/) проявляется исключительно через параметр общего числа абонентов в зоне/соте i{t), который при решении статистических задач, связанных с поведением параметра //'"(/) может трактоваться как задающий масштаб времени. В результате задача разделяется, мы как бы наблюдаем два «независимых» потока, параметры которых измеряются.

Ниже показано, что предсказание того, как будет изменяться устойчивое значение числа абонентов в зоне и, как следствие, возможность предсказаний возникновения пиковых нагрузок неразрывно связывается с процедурой оценки параметров объединенной модели (1.1), (1.2). Указанные процедуры оценки/обнаружения завершаются значительно быстрее, чем заканчивается переходный процесс, описывающий изменение числа абонентов в зоне. Поэтому количественные выводы о временном упреждении предсказаний однозначно вытекают из результатов анализа качества возможных процедур оценки. Забегая вперед можно сказать, что для типовых ситуаций с возникновением пробок/заторов такой анализ определяет необходимые временные затраты на принятие решений от 1 до 5 минут, что, в свою очередь, гарантирует предсказание перегрузки за 3 - 8 минут до ее возникновения. Указанный параметр важен с точки зрения формирования требований на вычислительные затраты процедур управления ресурсом.

Другим важным аспектом проблемы прогноза перегрузок выступает связь предлагаемых параметров, описывающих в рамках объединенной модели (1.1), (1.2) мобильности интенсивности потоков, с пространственными характеристиками сот/зон и скоростями перемещений отдельных абонентов.

Возникает задача определения условий, начиная с которых традиционный подход с использованием методики расчета нагрузки по закону Эрланга теряет силу. Ее решение позволит определить, на сколько эффективным будет применение предлагаемых подходов в системах третьего поколения.

К сожалению, каких либо работ, посвященных указанной проблематике, при анализе отечественной и зарубежной литературы обнаружить не удалось, что определило проведение работ, результаты которых даны в главе 3.

1.4. Проблема адаптации систем связи подвижных абонентов к территориально-адресному распределению нагрузки Как уже отмечалось, общепризнанным фактом является то, что ресурс радиоканала в современных системах подвижной связи (сотовые, транкинговые сети, ССПР и т. п.) почти полностью исчерпан и является одним из самых дорогостоящих элементов. Этим объясняется активный поиск возможностей повышения эффективности его использования.

Определенные скрытые резервы радиоканала сосредоточены в режиме организации доступа. Традиционные методы и подходы, успешно использовавшиеся для решения задачи на первом этапе развития систем подвижной связи, в настоящее время уже не могут применяться безоговорочно.

Объясняется это тем, что в своей основе они содержат предельно общие принципы, не учитывающие весь спектр специфических условий работы. В результате их применения ресурс радиоканала остается недоиспользованным, а оценки предельной нагрузочной способности получаются заниженными.

Одновременно с этим практика эксплуатации, например, сотовых сетей, косвенно подтверждает значительный потенциал таких ресурсов. Так ряд продвинутых операторов использует эмпирически составленные расписания суточного перераспределения ресурсов служебных, вызывных и пользовательских каналов, обеспечивая повышение емкости в ЧНН на 25 - 30%.

В частности, для сотовой сети стандарта GSM используется управление ресурсом канала СССН, включающего в себя каналы поисковых вызовов абонентов (пейджинга РСН), подтверждения приема первичных запросов (AGCH), а также ресурсом выделенных медленных каналов управления SDCCH и SACCH.

Хорошо известно (см. например, [4,29]), что процедура «мягкой передачи»

мобильного абонента при перемещении из соты в соту («soft handover»), применяемая в сетях с кодовым разделением каналов (CDMA), повышает такие показатели, как емкость системы и качество связи. Одновременно с этим, почему то совершенно упускается из виду, что подобных результатов можно добиться и для режима подключения абонентов к сети, используя адаптивные процедуры управления выбором точки доступа (БС). Физическая природа использующегося ресурса та же самая, что и в процедуре «мягкий хэндовер». Она заключена в пространственном перекрытии зон (сот).

Также дополнительный ресурс содержится в информации адресного распределения нагрузки. Дело в том, что на современном этапе сложился подход, согласно которому абоненты выбирают канал доступа исключительно на основе собственной информации (о собственном номере, о числе неудачных собственных попыток, о наличии мешающего сигнала несущей и т.д.) [64,67,80].

Поэтому каждый отдельный абонент обладает только частью общей информации, распределенной в пространстве. Базовая станция при этом, в отличии от абонентов, имеет доступ к общей информации, поскольку способна контролировать как удачные, так и неудачные попытки всех абонентов. Поэтому представляется целесообразным исследовать возможность оптимизации доступа путем организации адаптивного управления со стороны сети (БС).



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 


Похожие работы:

«УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ ПРАВОВАЯ ИНФОРМАТИКА ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Требования к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки по дисциплине Сегодня мы стоим на пороге создания качественно нового общества информационного. Жизнь и практическая деятельность в нем неразрывно связаны с грамотной организацией информационных процессов и освоением и использованием современных информационных технологий. Курс Правовая информатика имеет целью формирование и развитие...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет Экономический факультет Кафедра математики, статистики и информатики в экономике УТВЕРЖДАЮ Декан экономического факультета Д.И. Мамагулашвили _2012 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине Математические методы принятия решений в условиях неопределенности и риска Для студентов 4 курса Специальность 080401.65...»

«1 Общие положения Полное наименование вуза на русском языке: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тихоокеанский государственный университет. Сокращенные наименования вуза на русском языке: Тихоокеанский государственный университет, ФГБОУ ВПО ТОГУ, ТОГУ. Полное наименование на английском языке: Pacific National University. Сокращенное наименование на английском языке: PNU. Место нахождения вуза: 680035, г. Хабаровск, ул....»

«Томский государственный университет Томский государственный университет Научная библиотека Научная библиотека Информационная поддержка научных Информационная поддержка научных исследований и учебного процесса исследований и учебного процесса ИНФОРМАТИКА ИНФОРМАТИКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Электронные ресурсы Электронные ресурсы Краткий справочник Краткий справочник www.lliib.tsu.ru w w w b ts u r u Томск 2009 Томск 2009 2 Электронные ресурсы Научной библиотеки ТГУ...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ГЕОФИЗИКИ ИЗ ИСТОРИИ КИБЕРНЕТИКИ Ответственный редактор академик А.С. Алексеев Редактор-составитель д.т.н. Я.И. Фет НОВОСИБИРСК 2006 УДК 681.3 ББК 22.18 И32 Из истории кибернетики / Редактор-составитель Я.И. Фет. – Новосибирск: Академическое издательство Гео, 2006.– 339 с. – ISBN 5-9747-0038-4 Герои и авторы публикуемых очерков – выдающиеся ученые разных стран, пионеры кибернетики. Они делятся...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной и воспитательной работе И.В. Атанов _2014 г. ОТЧЕТ о самообследовании основной образовательной программы высшего образования 230700.62 Прикладная информатика (код, наименование специальности или направления подготовки) Ставрополь, СТРУКТУРА ОТЧЕТА О...»

«Игнатьева Э. А., Софронова Н. В. ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛЮДЕЙ В ИНФОРМАЦИОННОМ ОБЩЕСТВЕ Игнатьева, Э. А., Софронова, Н. В. Психологические особенности взаимодействия людей в информационном обществе : Монография. – М: Спутник+, 2014. – 158 с. Рецензенты: Мерлина Н. И., д.п.н., профессор, профессор кафедры дискретной математики и информатики ЧувГУ им. И.Н. Ульянова, Харитонов М. Г., д.п.н., профессор, профессор кафедры психологии и социальной педагогики ЧГПУ им. И. Я....»

«ни на немецком языке Роджерс д, Алгоритмические основы машинной графики Решение о взыскании суммы страхового возмещения договор комплексного страхования автотранспортных с Сахалинская обл п ново александровка Реферат географ я рос я Самолёт а-27м Сатья саи баба о жертвоприношениях Рецепт мармелада с пектиновым сиропом Сверла в шуруповерт Реферат томас гоббс о обществе договора скачать бесплатно Своеобразие образов в романтических произведениях аСПушкина Сайт где можно скачать лА Сериалы Роман а...»

«Федеральное агентство по образованию АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОУВПО АмГУ УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой МАиМ Т. В. Труфанова _ 2007 г. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ГЕОМЕТРИЯ Учебно-методический комплекс по дисциплине для специальности 010101 – Математика, 010501 – Прикладная математика Составитель: Н. А. Грек Благовещенск 2007 г. Печатается по решению редакционно-издательского совета факультета математики и информатики Амурского государственного университета Грек Н. А. Дифференциальная геометрия:...»

«УДК. 004.42 Джаббаров Адиб Холмурадович Разработка алгоритмов и программ для автоматизированного длительного мониторинга деятельности сердца Специальность: 5А330204– Информационные системы диссертация на соискание академической степени магистра Научный руководитель : д.т.н.,проф., Зайнидинов Х.Н СОДЕРЖАНИЕ Введение.. Анализ...»

«ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА: ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА: ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ Научно-популярное издание Москва © ИТЦ СканЭкс 2005 УДК 550.1/.2:629.78:004.382.7 ББК 26.3 И 38 Н ауч н ы е ко н с ул ьта н т ы : Кравцова В.И., доктор геогр. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории аэрокосмических методов кафедры Картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова; Маслов А.А., доктор биологических наук, Институт лесоведения РАН; Тутубалина О.В.,...»

«Направление подготовки: 010300.68 Фундаментальная информатика и информационные технологии (очная, очно-заочная) Объектами профессиональной деятельности магистра фундаментальной информатики и информационных технологий являются научно-исследовательские и опытноконструкторские проекты, математические, информационные, имитационные модели систем и процессов; программное и информационное обеспечение компьютерных средств, информационных систем; языки программирования, языки описания информационных...»

«Стр 1 из 180 7 апреля 2013 г. Форма 4 заполняется на каждую образовательную программу Сведения об обеспеченности образовательного процесса учебной литературой по блоку общепрофессиональных и специальных дисциплин Иркутский государственный технический университет ????12 Комплексная защита объектов информатизации Наименование дисциплин, входящих в Количество заявленную образовательную программу обучающихся, Автор, название, место издания, издательство, год издания учебной литературы, № п/п...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный университет (НГУ) Кафедра общей информатики Е.Н. Семенова РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЗАЩИЩЕННОГО ОБНОВЛЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ПО СЕТИ МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ по направлению высшего профессионального образования 230100.68 ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Тема...»

«ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет вычислительной техники и информатики Кафедра прикладной матиматики и информатики НА КОНКУРС НА ЛУЧШУЮ РАБОТУ СТУДЕНТОВ ПО РАЗДЕЛУ Техническая кибернетика, информатика и вычислительная техника СТУДЕНЧЕСКАЯ НАУЧНАЯ РАБОТА На тему: Исследование методов организации данных в задачах разбиения графов больших размерностей Выполнила ст. гр. ПО-01а Краснокутская М.В. Руководитель ст. пр. кафедры ПМИ Костин В.И. Донецк - 2005 2 РЕФЕРАТ Отчет...»

«КАТАЛОГ УЧЕБНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ДЛЯ ВУЗОВ Москва Инфра-М СОДЕРЖАНИЕ 1 000000000 УЧЕБНИКИ ДЛЯ ВСЕХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ И НАПРАВЛЕНИЙ УЧЕБНИКИ ДЛЯ ВСЕХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ И НАПРАВЛЕНИЙ 1 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 3 ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ 5 ИНОСТРАННЫЙ ЯЗЫК 8 ИНФОРМАТИКА КУЛЬТУРОЛОГИЯ МАТЕМАТИКА ОТЕЧЕСТВЕННАЯ ИСТОРИЯ ПОЛИТОЛОГИЯ ПСИХОЛОГИЯ И ПЕДАГОГИКА РУССКИЙ ЯЗЫК И КУЛЬТУРА РЕЧИ СОЦИОЛОГИЯ ФИЛОСОФИЯ ЭКОНОМИКА ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ 010000 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА НАСТАВЛЕНИЕ ПО ИСПЫТАНИЯМ ГРУНТОВ В МАССИВАХ Одобрено Главтранспроектом Москва 1981 ПРЕДИСЛОВИЕ Для повышения информативности изысканий, точности и надежности инженерно-геологического обоснования проектов дорожных сооружений и их комплексов существенное значение имеет развитие испытаний грунтов в массивах. Методика ряда испытаний регламентирована государственными...»

«Международный консорциум Электронный университет Московский государственный университет экономики, статистики и информатики Евразийский открытый институт С.А.Орехов, В.А.Селезнев Менеджмент финансово-промышленных групп (учебно-практическое пособие) Москва 2005 1 УДК 334.7 ББК 65.292 О 654 Орехов С.А., Селезнев В.А. МЕНЕДЖМЕНТ ФИНАНСОВО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ГРУПП: Учебно-практическое пособие / Московский государственный университет экономики, статистики и информатики. — М.: МЭСИ, 2005. — 176 с. ISBN...»

«ВЕРХОВНЫЙ СУД РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОПРЕДЕЛЕНИЕ от 16 февраля 2005 г. N 4Г04-57 (Извлечение) Судебная коллегия по гражданским делам Верховного Суда РФ рассмотрела в судебном заседании от 16 февраля 2005 года дело по заявлениям прокурора Московской области и ЗАО Унитехформ о признании недействующим и не подлежащим применению в части Закона Московской области от 16 июня 1995 года О плате за землю в Московской области жалобе по кассационной частной жалобе на решение Московского областного суда от...»

«Международный консорциум Электронный университет Московский государственный университет экономики, статистики и информатики Евразийский открытый институт С.А. Орехов В.А. Селезнев Теория корпоративного управления Учебно-методический комплекс (издание 4-е, переработанное и дополненное) Москва 2008 1 УДК 65 ББК 65.290-2 О 654 Орехов С.А., Селезнев В.А. ТЕОРИЯ КОРПОРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ, 2008. – 216 с. ISBN 978-5-374-00139-6 © Орехов С.А., 2008 ©...»














 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.