CC BY
11
УДК 654.165
Математическая модель канала управления стандарта радиосвязи GSM-R
А. М. Болдинов, А. А. Привалов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Болдинов А. М., Привалов А. А. Математическая модель канала управления стандарта радиосвязи GSM-R // Известия Петербургского университета путей сообщения. — СПб.: ПГУПС, 2022. — Т. 19. — Вып. 4. — С. 743-751. DOI: 10.20295/1815-588Х-2022-4-743-751
Аннотация
Цель: Разработать модель для оценки и анализа качества функционирования логических каналов управления (КУ) стандарта радиосвязи GSM-R. Методы: Процесс функционирования совмещенного канала управления представляется в виде стохастической сети с дальнейшим получением эквивалентной функции, среднего времени и функции распределения времени передачи информации в канале передачи данных. Результаты: Разработана математическая модель процесса функционирования совмещенных КУ, соответствующая алгоритму установления соединения подвижного пользователя с базовой станцией сети. Результаты моделирования позволяют сделать вывод об адекватности модели и оценить степень влияния помех различной природы в заданном районе, в том числе и создаваемых постановщиками помех нарушителя. Показана целесообразность сокращения времени анализа параметров сигналов, передаваемых от подвижной к базовой станции, а также необходимость повышения помехозащищенности сигналов контроля вхождения в связь, уровня и качества принимаемого сигнала. Практическая значимость: Данная модель может быть использована для оценки и анализа эффективности функционирования каналов управления реальных систем подвижной радиосвязи стандарта GSM-R.
Ключевые слова: Радиосвязь, GSM-R, канал связи, канал управления, кадр, стандарт связи, модель.
Актуальность
На основе стандарта связи GSM был разработан стандарт связи, применяемый на железных дорогах, — GSM-R. Стандарт GSM-R разработан для создания сотовых систем подвижной связи (ССПС) в следующих частотных диапазонах: 890-915 МГц — для передачи подвижными стан-
циями; 935-960 МГц — для передачи базовыми станциями [1].
Каждая из полос, выделенных для сетей GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала. Каждая частотная несущая содержит 8 физи-
ческих каналов, размещенных в 8 временных окнах в пределах TDMA кадра и в последовательности кадров. Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA кадре. До формирования физического канала сообщения и данные, представленные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы двух типов: каналы связи — для передачи кодированной речи или данных (ТСН); каналы управления — для передачи сигналов управления и синхронизации (ССН) [2]. Каналы управления (ССН) обеспечивают фактическое соединение между абонентами — установление сигнала и непрерывность соединения.
Каналы управления обеспечивают предоставление подвижным пользователям следующие услуги: коммутация цифровых каналов ПС; обслуживание всех типов вызовов как к подвижным абонентам, так и от них в объеме услуг, предоставляемых каналом; управление радиоресурсами сети в процессе вызова; отработка протоколов сигнализации с подсистемой базовых станций (БС); регистрация и определение местоположения ПС; обеспечение непрерывности связи между подвижными абонентами как при перемещении подвижной станции из одной сети в другую, так и функции роуминга; маршрутизация входящих вызовов и обмен информацией с регистрами постоянной приписки; управление передачей данных между ПС и стационарными абонентами с использованием сигналов тонального набора, передача коротких сообщений; перенос параметров шифрования; обработка многочастотной сигнализации и т. д.
Различают четыре вида каналов управления:
- ВССН (Broadcast Control Channels) — каналы передачи сигналов управления, такие как: FCCH — канал подстройки частоты несущей,
SCH — канал временной синхронизации и опознавания, BCCH — канал управления передачей;
- СССН (Common Control Channels) — общие каналы управления, такие как: PCH — канал вызова, RACH — канал параллельного доступа, AGCH — канал разрешенного доступа;
- SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channels) — индивидуальные каналы управления, такие как: SDCCH/4 — индивидуальный канал управления, состоящий из 4 подканалов, SDCCH/8 — индивидуальный канал, состоящий из 8 подканалов;
- АССН (Associated Control Channels) — совмещенные каналы управления, такие как: FACCH — быстрый совмещенный канал (эстафетная передача), SACCH — медленный совмещенный канал управления [2].
Из указанных каналов управления наиболее значимыми являются (Broadcast Control Channels) и СССН (Common Control Channels).
Так как данные каналы подвержены воздействию как случайных, так и преднамеренных помех, то оценка качества его функционирования представляет значительный научный и практический интерес.
В работе [3] описывается методика оценки качества услуг передачи речи и видеотелефонии. При этом оценка качества сети проводится по среднему времени установления соединения.
В работе [4] анализируется качество передачи речи, в сети GSM-R, в зависимости от типа применяемого речевого кодека и уровня битовых ошибок в канале связи, на который влияние оказывают различного рода внутрисистемные и межсистемные помехи. На основе полученных данных производится частотно-территориальное планирование сети GSM-R.
В работе [5] представлен анализ основных методов математического моделирования про-
цесса доведения сообщений по низкоскоростным каналам связи с протоколами, поддерживающими процедуру «скользящее окно». На основе выявленных закономерностей процессов передачи информации описан подход по выявлению вероятностно-временных характеристик информационного обмена по каналам сети радиосвязи между смежными узлами коммутации. Применение операторного метода математического моделирования протоколов управления логическим каналом передачи данных позволяет получить вероятностно-временные характеристики процесса доведения многопакетных сообщений.
Представленные работы позволяют оценить качество передачи отдельных команд управления, но не учитывают их взаимосвязи при установлении и поддержании соединения в процессе сеанса связи в условиях деструктивных воздействий нарушителя, а значит, актуализируется задача расчета времени успешной передачи данных в канале управления.
В настоящей статье предлагается модель, основанная на представлении процесса функционирования каналов ВССН в виде стохастической сети с последующим определением функций распределения времени успешного установления соединения между подвижной и базовой станцией.
Анализ алгоритма установления соединений в ОБМ-Я и функционирования каналов управления позволили сформулировать следующую задачу.
Постановка задачи
Пусть имеется совмещенный канал управления, предназначенный для передачи информации, необходимой подвижной станции (ПС), для обеспечения фактического установления соединения и непрерывности соединения между абонентами. Положим, что в некоторый
момент времени ПС А инициировала установление соединения с ПС Б. В этом случае ПС А осуществляет прием кадров по каналам, обеспечивающим вхождение в связь (КВС) в течение некоторого времени с функцией распределения В(0. При этом с вероятностью Р1 кадр КВС будет принят правильно с первого раза. В противном случае с вероятностью (1 - Р1) кадр КВС будет передавать кадр повторно.
Если кадр КВС принят правильно, то от ПС А к обслуживающей его базовой станции (БС) передаются вычисленные значения параметров: уровень принимаемого сигнала (УПС), качество принимаемого сигнала (КПС) и дистанция, которые с вероятностью Р2 принимаются БС с заданным качеством. С вероятностью (1 - Р2) один из переданных ПС сигналов не будет принят БС с требуемым качеством, тогда в течение некоторого времени ¿и с функцией распределения и(1) осуществляется управление уровнем излучаемой мощности (УИМ) ПС.
При этом с вероятностью Р3 сигналы УПС, КПС и дистанции передают повторно. В случае дефицита бюджета мощности с вероятностью (1 - Р3) пользователь ПС А получает отказ от этой БС и начинает прием кадров КВС от другой БС в течение некоторого времени с функцией распределения Я({), и описанный процесс возобновляется. Процесс установления связи по каналу управления с пользователем ПС Б аналогичен вышеописанному.
Требуется определить среднее время и функцию распределения времени успешного установления соединения.
Решение
Для решения поставленной задачи представим процесс функционирования канала управления в виде стохастической сети (рис. 1).
Рис. 1. Стохастическая сеть канала управления системы GSM-R: Р1 — вероятность успешного приема кадра КВС; Р2 — вероятность успешного приема УПС, КПС и дистанции; Р3 — вероятность успешного приема БС сигналов УПС, КПС и дистанции после регулирования мощности; Ь(я), г(я) и и(я) — преобразования Лапласа — Стилтьеса функции распределения соответствующих случайных величин, т. е.:
b ( s)= je" std [ B (t )] ; r ( s) = je" std [ R (t )] ; u ( s )= je" std [U (t )].
(1)
Используя уравнения топологического преобразования стохастических сетей, определим эквивалентную функцию стохастической сети:
p1
h ( s )=.
b (s) r (s) b ( s ) + s r ( s ) + s
, . u (s) r (s)
p 2 + (1 - p 2 p З^г1-
u ( s ) + s r ( s ) + s
1 -(1 - pi)
b ( s )
■(1 - p2 )
'( s )
(1 - p3) p1
b (s) r (s)
(2)
Ь + 5 и + 5 Ь + 5Г + 5
Полагая, что время передачи соответствующих команд имеет экспоненциальное распределение, представим выражение (2) в виде суммы вычетов:
h(s) = É- ^bp1r)[(s2)2 + sB1 + a]]
' 1 л
s - s
V ' y
(3)
1=0 (^ )34 + ()23А2 + ()2В2 + С2 ^
где А1 = р2; А2 = 2г + и + Ьр1; В1 = р2г + р2и ; В2 = г2 + 2ги + 2Ьр\т + Ьр1и ;
С1 = р2ги + рЗги - р2рЗги ; С2 = г 2и + Ьр1г2 + Ьр1ги + Ьр1 р2ги + Ьр1 рЗги - Ьр1 р2рЗги;
Б2 = Ьр1 р2г 2и + Ьр1 рЗг 2и - Ьр1 р2рЗг 2и — коэффициенты разложения многочленов числителя и знаменателя эквивалентной функции (2).
Осуществляя переход в пространство оригиналов, получим функцию плотности распределения вероятностей:
h(t * [(bp1r)[(s2 )2 A1 + s,B1 + C1]] (t) £ (si )3 4 + (s )2 3A2 + (s )2B2 + С2
s,t
e ' .
(4)
Интегрируя выражение (4), определим функцию распределения времени установления соединения между ПС и БС:
Н « ) =
= £ [(ЬрЪ- [(^ )2 А1 + + С1]] (1 - ехр (ъ)
= £ [(5( )3 4 + (5( )2 3А2 + ^) 2В2 + С2] (-5,)'
(5)
Кроме того, с использованием (4) можно определить и среднее время установления соединения:
Т = И (г) Л =
о
[(bplr [(s )2 A1 + siB\ + ClJ
[(s )3 4 + (s )2 3 A2 + (s) 2 B2 + C 2 (-s )2
(6)
Таким образом, поставленная задача решена.
Пример расчета:
По полученным соотношениям проведены расчеты при следующих исходных данных:
- длительность 51-кадрового мультикадра составляла 0,235385 с;
- длительность управления уровнем излучаемой мощности БС = 0,2 с;
- время приема БС значений параметров УПС, КПС и Д (г = 1,5 с;
- значение вероятностей: Р1 = Р2 = Р3 = 0,95.
Правомерность выбранных данных подтверждается соответствием временных параметров реально действующим стандартам.
Результаты моделирования представлены в виде графиков на рис. 2-6.
Указанным исходным данным соответствуют кривые 2 на рис. 2-6. Кривые 1 и 3 (рис. 2) соответствуют значениям г равным 1,0 и 2,0 с соответственно. Значительное увеличение вероятности успешного установления соединения при
уменьшении времени анализа и передачи сигналов УПС, КПС и ДИСТАНЦИИ ^ показывает на целесообразность сокращения времени анализа параметров, передаваемых от ПС к БС, а также длительности передачи данных сигналов. Это может быть достигнуто за счет расширения спектра передаваемых сигналов.
Сравнение кривых 1 и 3 (рис. 3), соответствующих значениям Р1, равным 0,5 и 0,95, показало, что при увеличении Р1 вероятность успешного установления соединения также несущественно увеличивается. Что обусловливается малой длительностью 51-кадрового мультикадра и высокой вероятностью наличия в любой момент времени доступной подвижному пользователю базовой станции.
На рис. 4 кривые 1 и 3 соответствуют значениям Р2, равным 0,5 и 0,95 соответственно. Здесь обращает на себя внимание существенная зависимость вероятности успешного установления соединения от значения вероятности успешного приема сигналов УПС, КПС и дистанции (Р2), что подтверждает необходимость увеличения помехозащищенности передаваемых сигналов УПС, КПС и дистанции при неизменной скорости их передачи.
Незначительная зависимость вероятности успешного установления соединения от значений времени и вероятности успешного приема БС сигналов УПС, КПС и дистанции после регулирования мощности (рис. 5, 6) показывают, что при высокой помехоустойчивости этих сигналов вероятность включения алгоритма управления мощностью небольшая. Однако в условиях сильных помех (даже с учетом использования помехоустойчивого кодирования) следует ожидать значения Р1 и Р2 на уровне 0,6-0,7 и, соответственно, увеличение веса времени и вероятности успешного управления мощностью, что определяет одно из направлений борьбы с сильными радиопомехами различной природы.
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Выводы
1. Таким образом, разработана математическая модель процесса функционирования совмещенных КУ, обеспечивающих установление и поддержание установленного соединения существующей системы подвижной радиосвязи GSM-R в условиях воздействия помех, а также приведены основные результаты моделирования.
2. Анализ результатов моделирования показал, что модель адекватно отображает взаимосвязь между параметрами КУ и характеристиками условий функционирования системы подвижной радиосвязи, результаты не противоречат логике исследуемых процессов.
3. Следовательно, разработанная модель может быть использована для оценки и анализа эффективности функционирования каналов управления реальных систем подвижной радиосвязи.
Библиографический список
1. Громаков Ю. А. Организация физических и логических каналов в стандарте GSM / Ю. А. Громаков // Электросвязь. — 1993. — № 10. — C. 9-12.
2. Громаков Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи / Ю. А. Громаков // Мобильные Телесистемы; Эко-Трендз. — М., 1997. — C. 230.
3. Гаврилов А. В. Оценка качества обслуживания в сетях UMTS/GSM / А. В. Гаврилов, А. М. Морозов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. — 2011. — Вып. 11. — С. 276-279.
4. Саенко А. С. Экспериментальное исследование влияния внутрисистемных помех по основному каналу приема на качество связи стандарта GSM-R / А. С. Саенко // Збiрник наукових праць Дон1ЗТ. — 2008. — № 14.
5. Потапов С. Е. Операторный метод математического моделирования протоколов управления логическим каналом передачи данных / С. Е. Потапов // Известия Института инженерной физики. — 2019. — № 4(54). — С. 65-72.
Дата поступления: 15.09.2022 Решение о публикации: 18.11.2022
Контактная информация:
БОЛДИНОВ Алексей Максимович — аспирант; 23boldinov98@gmail. com
ПРИВАЛОВ Андрей Андреевич — д-р воен. наук, проф.; [email protected]
Mathematical Model for Control Channel of GSM-R Radiocommunication Standard
А. M. Boldinov, A. A. Privalov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Boldinov A. M., Privalov A. A. Mathematical Model for Control Channel of GSM-R Radiocommunication Standard // Proceedings of Petersburg Transport University, 2022, vol. 19, iss. 4, pp. 743-751. (In Russian). DOI: 10.20295/1815-588X-2022-4-743-751
Summary
Purpose: To develop a model for the evaluation and analysis of control logical channels (CC) performance quality of GSM-R radiocommunication standard. Methods: Performance process of shared control channel is presented in the form of a stochastic network with further obtaining equivalent function, average time and the function of distributing the time of information transfer in data transmission channel. Results: Mathematical model of shared CC performance process has been developed, corresponding to the algorithm of establishing connection of a mobile user with a network base station. The modeling results allow to conclude on the model adequacy and to assess the degree of various kind interference impact in a given area, including those created by violator's jammers. The feasibility of reducing analysis time of the parameters of signals, transmitted from a mobile to base station, as well as the need to increase the noise immunity of signals for the control of entry into communication, received signal level and quality are shown. Practical significance: This model can be used to evaluate and analyze performance efficiency of control channels of GSM-R standard mobile radiocommunication real systems.
Keywords: Radiocommunication, GSM-R, communication channel, control channel, frame, communication standard, model.
References
1. Gromakov Yu. A. Organizatsiya fizicheskikh i logicheskikh kanalov v standarte GSM [Organization of physical and logical channels in the GSM standard]. Elektrosvyaz' [Telecommunication]. 1993, I. 10, pp. 9-12. (In Russian)
2. Gromakov Yu. A. Standarty i sistemy podvizhnoy radiosvyazi [Mobile Radio Standards and Systems]. Mobil'nye Telesistemy; Eko-Trendz [Mobile TeleSystems; Eco-Trends]. Moscow, 1997, p. 230. (In Russian)
3. Gavrilov A. V, Morozov A. M. Quality of Service Assessment in UMTS/GSM Networks [Quality of Service Assessment in UMTS/GSM Networks]. Vestnik Permskogo natsional 'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya [Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Electrical engineering, information technology, control systems]. 2011, I. 11, pp. 276-279. (In Russian)
4. Saenko A. S. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya vnutrisistemnykh pomekh po osnovnomu kanalu priema na
kachestvo svyazi standarta GSM-R [Experimental study of the effect of intrasystem interference on the main reception channel on the quality of GSM-R communication]. Zbirnik naukovikh prats' DonlZT [Collection of science practices DonIZT]. 2008, I. 14. (In Russian)
5. Potapov S. E. Operatornyy metod matematicheskogo modelirovaniya protokolov upravleniya logicheskim kanalom peredachi dannykh [Operator's method of mathematical modeling of logical data channel control protocols]. Izvestiya Instituta inzhenernoy fiziki [Proceedings of the Institute of Engineering Physics]. 2019, I. 4(54), pp. 65-72. (In Russian)
Received: September 15, 2022 Accepted: November 18, 2022
Author's information:
Alexey M. BOLDINOV — Postgraduate Student; [email protected]
Andrey A. PRIVALOV— Doctor of Military Sciences, Professor; [email protected]
