CC BY
96
БОНЧ-БРУЕВИЧ1 Михаил Михайлович
О КАЧЕСТВЕ ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЫЗОВА В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНЫХ ПЕРЕГРУЗОК В СЕТИ СТАНДАРТА GSM
В статье производится анализ изменения количества запросов на реализацию эстафетной передачи обслуживания абонента сети GSM при изменении формы области обслуживания соты в условиях локальных перегрузок. Для тех же условий приводятся выражения для определения дополнительной абонентской нагрузки при различных сценариях поведения абонентов. Ключевые слова: качество обслуживания, форма области обслуживания, локальная перегрузка.
In article the analysis of quantity variation of inquiries about realization of handover in network GSM is made at variation of service area form of the cell in conditions of local overloads. For the same conditions expressions for definition, of an additional user's traffic are resulted at various scripts of the subscribers behavior.
Keywords: quality of service, the form of service area, local overloads.
Одним из основных показателей качества сети является вероятность блокировки вызова (ВБВ) абонента. На этот показатель оказывают влияние множество факторов, часть из них зависит от абонентов сети. Известно, что каждая сеть, каждая линия передачи имеет свою пропускную способность, то есть определенный предел производительности. Абонентская нагрузка — любое занятие абонентом канала связи. Для некоторого фрагмента сети полная нагрузка на фрагмент сети аЕ [Эрл.] определяется как произведение активного числа абонентов табонентов и удельной нагрузки, создаваемой одним абонентом рудельн [Эрл.]. При нарушении условия аЕ < аПОРОГ, где аПОРОГ- максимальное значение нагрузки, которую может обслужить фрагмент сети, рассматриваемый фрагмент сети является перегруженным. В этом случае ресурса соты недостаточно для сохранения целевого качества обслуживания, на всей территории обслуживания соты качество обслуживания снижается. Причина локальной перегрузки (ЛП) — превышение нагрузки на соту за счет увеличения нагрузки в области расположения некоторой части абонентов соты (примеры - массовое мероприятие (ММ) или чрезвычайная ситуация (ЧС), возможны другие варианты). При этом область расположения абонентов намного меньше области обслуживания соты [1, 2]. Плановое значение уровня
ВБВ определяется требованиями операторских лицензий и принято равным 5% [3].
В работах [1, 2] рассмотрена возможность изменения распределения нагрузки между сотами фрагмента сети посредством изменения разрешенного к обслуживанию диапазона значений логического параметра Timing Advance (далее ТА) на соте (сотах), обеспечивающей радиопокрытие области возникновения ЛП. Физический смысл ТА -время распространения сигнала в направление «Uplink». Изменение разрешенного к обслуживанию абонентов диапазона ТА приводит к изменению формы области обслуживания соты. Область обслуживания, соответствующая конкретному значению ТА далее называется «зона ТА». Эстафетная передача обслуживания (далее хэндовер) по причине выхода абонента из области обслуживания соты производится при пересечении границы области обслуживания. Изменение формы области обслуживания соты приводит к изменению периметра области обслуживания соты и к изменению числа хэндоверов. Область реализации процедуры хэндовера в таком случае ограничена площадью, на которой находится абонент, пересекающий границу соты во время реализации хэндовера. В общем случае эту площадь можно определить следующим образом:
' — аспирант МТУСИ, инженер Столичного филиала ОАО «МегаФон».
N
(1)
“ ы ц -
где: БсеИ_нО - площадь реализации процедуры эстафетной передачи; Уабон и Тно - средняя скорость абонента и длительность хэндовера соответственно; /ДН_антеНН^,(РСеи) - область обслуживания соты, определяемая характеристиками антенны и уровнем мощности сигнала; L — замкнутый контур области обслуживания; I - периметр области обслуживания; N - число замкнутых контуров обслуживания на территории радиопокрытия соты; Рсе1 - мощность сигнала, передаваемого антенной соты; F{fAН_антенны(PceI¡), Рсе1} - функциональное преобразование области обслуживания соты в периметр области обслуживания; реальный рельеф (застройка рассматриваемого района обслуживания) вносит некоторую случайную компоненту в длину периметра, эта компонента обозначена в выражении (1) множителем к.
Учет поверхностной плотности размещения абонентов а, для каждого значения скорости движения абонента V позволит получить количество абонентов, находящихся в области реализации хэндовера и соответственно ожидаемое количество хэндоверов О:
' шах
Q= Jo-v -Sceii_Ho(v)dv.
(2)
второго типа), значит, как минимум, может быть передана служебная информация о 10 процедурах хэндовера. Если допустить, что для проведения процедуры хэндовера требуется несколько пакетов служебной информации (например, 3), то число хэндоверов будет меньше. За минимальную длительность хэндовера ТНОтпп можно принять длительность мультикадра первого типа - 120 мс.
Пропорция, определяющая изменение числа хэндоверов при изменении формы области обслуживания соты, в общем случае может быть записана в виде:
Ос
(3)
где Осец_пеш - количество хэндоверов при новой форме области обслуживания соты, Осе1 - при старой форме; ¡сеа_пеш- новый периметр; ¡сеа - старый периметр.
В выражении (3) множитель к сокращается, таким образом, при новой форме обслуживания количество ожидаемых хэндоверов можно определить через число хэндоверов при старой форме области обслуживания и отношении длин нового и старого периметров области обслуживания.
В частности, для направленной соты сети при аппроксимации области обслуживания сектором при исключении промежуточной зоны ТА ожидаемое количество хэндоверов можно определить по выражению:
Выражение (2) на практике удобнее всего рассматривать для конечного набора значений скоростей, соответствующего различным видам мобильности абонентов. Для абонента-пешехода средняя скорость движения может быть принята равной 5 км/ч, для медленно движущегося абонента-авто-мобилиста (или пассажира общественного транспорта) — 50 км/ч, для быстро движущегося абонента-автомобилиста — 120 км/ч. Для названных скоростей можно выделить два значения поверхностной плотности распределения абонентов апеш = 5^10'3 аб./м2 и оавта = 5^10'4 аб./м2.
Оценить длительность реализации процедуры хэндовера можно по данным о стандарте GSM [4]. Установление соединения между аппаратом абонента и базовой станцией осуществляется по направлению «Uplink». Данное соединение происходит в виде передачи пакета доступа по каналу параллельного доступа. Пакет доступа также используется при осуществлении хэндовера, при этом используется медленный совмещенный канал управления, по направлению «вниз» передает команды для установки выходного уровня мощности передатчика подвижной станции. Время реализации процедуры хэндовера зависит, в том числе, от того, какая организация физических каналов используется (используются 26-по-зиционные TDMA кадры мультикадра длительностью 120 мс (далее мультикадры первого типа) или 51-позиционные TDMA кадры мультикадра длительностью 235,385 мс (далее мультикадры второго типа)). Таким образом, может потребоваться время, равное длительности нескольких мультикадров. На практике хэндовер длительностью примерно 120 мс практически не заметен для абонента. При времени 120 мс и скорости 120 км/ч абонент переместится примерно на 4 м. Это означает, что минимальная ширина области реализации хэндовера равна 4 м. Абонент со скоростью 5 км/ч пройдет 4 м примерно за 1,4 с. За это время будет передано 11 полных мультикадров первого типа (или 5 полных мультикадров
а
cell new
=а
I.
cell new
cell
I.
cell
= Q<
2R+(pR — 2AR + (p(2Rl + A/?)
■cell
(4)
2R + (pR
где R — радиус окружности, определяемый дальностью действия соты; ф - центральный угол сектора, ЛR — дальность, соответствующая размеру исключаемой группы зон ТА; Rí — дальность обслуживания, соответствующая границе зоны ТА, предшествующей исключаемой группе зон ТА. Осей определяется по статистическим данным для рассматриваемой соты.
Как было отмечено выше, причины локальной перегрузки определяют поведение абонентов в области возникновения ЛП.
Во время ЛП, вызванной массовым мероприятием, большая часть абонентов относится к факту блокировки первого вызова спокойно и повторяет вызов спустя некоторое время, это время составляет от единиц до десятков минут — абонент может позволить себе подождать или принять решение отложить вызов. Цель вызова в этом случае — передать сравнительно большой объем информации, вызовы малой длительности производятся сравнительно редко. Такой вызов не обладает приоритетом. Таким образом, при ЛП, вызванной ММ, абонент создает нагрузку, близкую к удельной нагрузке.
В условиях чрезвычайной ситуации абонент будет стараться совершить вызов, и вероятность его повторного звонка при отказе в обслуживании во время первого звонка весьма велика. Число абонентов, решивших воспользоваться сотовой связью в условиях чрезвычайного происшествия, как показывает практика, весьма велико. При блокировке повторного вызова абонент будет предпринимать новые попыт-
Событие^ Попытка абонента получить канал связи
Занятие канала связи на время разговора
Занятие канала связи на время разговора
Событие^ Повтор попытки
Рис. 1. Процесс формирования новых попыток дозвона
ки дозвона. Кроме того, возможно, что абонент, находясь в области ЧС, может звонить не одному корреспонденту, а некоторой группе (семья, специальные службы, коллеги) и тогда только малая часть вызовов будет обладать приоритетом. В некоторых случаях вызовы, рассматриваемые как занятие канала связи без учета личности корреспондента, могут с некоторым упрощением быть рассмотрены как попытки повторного вызова.
При возникновении ЛП вследствие сбоя настроек оборудования характер поведения большей части абонентов не меняется, число экстренных вызовов не больше, чем при штатном режиме. Но часть абонентов увеличит число попыток дозвона до корреспондента, к этим абонентам относятся, прежде всего, подвижные абоненты и абоненты, обслуживание которых было прервано.
На рис. 1 приведена структурная схема формирования новых попыток дозвона.
Если абонент получает обслуживание всех своих вызовов, то суммарная нагрузка на канал связи, создаваемая одним абонентом при ЧС, имеет примерно то же значение, что и нагрузка, создаваемая тем же абонентом при ММ. Но при большом числе одновременно звонящих абонентов растет число повторных звонков, растет число обрывов соединений и растет нагрузка, создаваемая абонентом. Прерванный звонок повторяется, время, на которое занимает канал связи повторный вызов, соизмеримо со временем, на которое занимает канал связи не прерванный звонок. Таким образом, повторные вызовы создают дополнительную нагрузку. В большинстве случаев вызов, который не получил обслуживание, возвращается в сеть как повторный. Анализ вероятности успешности вызова или отказа от вызова проводится исходя из следующих предположений:
♦ число попыток дозвона для каждого абонента индивидуально;
♦ блокировки и обрывы соединений не зависят от повторных вызовов;
♦ время между блокировкой и повторным вызовом определяется как случайная величина;
♦ вероятность обрыва соединения не зависит от номера попытки.
Начальное состояние абонента (рис. 1) — «попытка абонента получить канал связи». Если Рблок — вероятность блокировки вызова за счет отсутствия канального ресурса соты и Рошк — вероятность отказа абонента от повторного вызова, то в (і — 1) из N случаев N — максимальное число попыток абонента получить канал связи) с вероятностью р абонент получает канал связи:
Р = (1-Рблок) Х О-Р™/ =
і=0
N-1
■ (і-Рб.т)х. Е р(Аі)-
(5)
і=0
Вероятность q, то есть вероятность отказа от вызова при г-ой попытке, можно определить следующим образом:
Я = Ротк Р+К Х {1-Ротк У =
і=0
N-1
Р х Р х V Р (1-Р V
отк блок / ¿±блок\± отк) і=0
: Ротк Х Рблок Х 11 Р( А+1) •
(6)
Можно считать, что характер поступающего потока требований сохраняется, но его интенсивность увеличивается.
Для определения фактической доли нагрузки от повторных вызовов, необходимо учесть то, что с увеличением числа попыток дозвона снижается вероятность повторного вызова. Если абонент в среднем совершает N повторных вызовов при невозможности дозвониться, вероятность успешного вызова после №ой попытки:
Ри-1 = Сх(1-^„)х(/-Р(2)ш)х...
...х{1-Р(Ы-1)отк)х{1-Рблок).
и вероятность отказа от вызова после N-ой попытки:
%=р!к
. . . х (1 - Р(М - 1)отк ) X Р(М)отк . (8)
Вероятность Р(()отк может быть определена экспериментальным путем в результате проведения опроса абонентов, или эту вероятность можно считать соответствующей некоторому закону распределения. В данной работе (для сценариев, не связанных с ЧС) сделано предположение, что распределение вероятности повторного вызова соответствует закону Релея:
Р(г)повтор = г х ехр(Ч2 /2), (9)
где Р(()повтор - вероятность повтора вызова при г-ой попытке. Значения вероятности повторного вызова приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что вероятность повторного вызова уже при третьей попытке близка к нулю (меньше, чем 0,05). Соответственно либо абонент уже полностью отказался от решения повторить вызов, либо он получил обслуживание и ему больше не требуется повторять вызов. Во
втором случае можно определить долю дополнительной нагрузки, создаваемой абонентами при перегрузке сети, фактически при этом следует учитывать только первые (7) повторные вызовы. Абонент создает дополнительную нагрузку в случае, когда получает обслуживание повторного вызова и общая длительность его обслуживания превосходит длительность обычного соединения. Дополнительная нагрузка при этом соответствует всему времени, которое абонент занимает канал связи сверх времени первого соединения:
Тыьи.«. = Xti- Т) к (Щ
¡=1
где: ti — длительность г-ого вызова, N — число повторных вызовов, Т0 — средняя длительность первого соединения.
Величину Т0 можно считать принадлежащей интервалу от 0 до 0,95-Туделн, где Туделн соответствует средней длительности вызова. Нижняя граница интервала соответствует блокировке вызова, верхняя выбрана исходя из предположения, что основная информация, ради которой производился вызов, на момент обрыва соединения передана и разговор можно не возобновлять.
Длительность г-ого вызова можно определить следующим образом:
ti Туделн ■ Р(1)повтор. (И)
Таблица 1
Номер попытки 1 2 3 4 5
Вероятность повторного вызова 0,665 0,297 0,036 0,001 0
Тогда дополнительная нагрузка составляет: N
Табон_доп Иудеян Х ( X повтор ~
3 1=1
= Туделн^Р(г)повтор-0,95У,
i~l
Табон_доп = Туделн х (0,665 + 0,297 + 0,036 -0,95) = 0,048 х Туделн ;
T — Т + Т — 1 048 х Т
абон £ абон_доп уделн ,t/‘ru уделн *
(12)
(13)
(14)
Можно сделать следующий, справедливый для ЛП, вызванных ММ или авариями оборудования оператора, вывод: в подавляющем большинстве случаев абонент, производящий повторные вызовы в целях соединения со своим корреспондентом (без смены корреспондента), создает нагрузку:
Т% = 100% х То . /То у =
%рост _ нагрузки абон_ ооп абону
—100 х 0,048 х 1,048 = 4,58%
(15)
как минимум на 4,58% большую, чем абонент, не производящий повторные вызовы.
Как было отмечено выше, в условиях ЧП требуемая длительность соединения абонента и его корреспондента может зависеть от личности корреспондента.
Когда распределение вероятности повторного вызова в условиях ЧС имеет вид, отличный от закона Релея, оно, например, может быть задано по точкам и иметь вид, показанный на рис. 2.
Следующее условие изменения области обслуживания соты за счет исключения зоны ТА является необходимым: область обслуживания соты должна состоять из М (М > 2) зон ТА. Таким образом, сота, изменение области обслуживания которой производится, однозначно относится к макро-сотам (радиус от 1000 м и более).
Выводы
1. Изменение формы области обслуживания соты сети GSM приводит к изменению числа реализуемых эстафетных передач. Выражения (3) и (4) могут быть использованы для оценки ожидаемого числа эстафетных передач при изменении формы области обслуживания.
2. Выражения (7, 8, 10, 11) могут быть использованы для определения дополнительной нагрузки, создаваемой абонентом в условиях локальной перегрузки. Проведенный анализ показал, что для случая массового мероприятия дополнительная нагрузка почти на 4,5% больше, чем нагрузка, формируемая абонентом в штатных условиях.
3. Возможно применение выражений (3, 4, 7, 8, 10, 11) для получения оценки увеличения нагрузки на служебный
канал
Литература
1. Бонч-Бруевич М.М. Использование интервала доступа для. управления распределением трафика в области локальной перегрузки сети GSM./ T-Comm — Телекоммуникации и Транспорт, 2010. - № 2.
2. Бонч-Бруевич М.М. Компенсация, преднамеренных воздействий на сеть сотовой связи, приводящих к ее перегрузке, на основе оптимизации системы, массового обслуживания./ Труды, девятого международного симпозиума «Интеллектуальные системы» под ред. К.А. Пупкова. — М.: РУСАКИ, 2010. - С. 575 — 576.
3. Генеральная схема создания и развития, федеральной сети подвижной радиотелефонной связи общего пользования России стандарта GSM (Одобрена ГКЭСРоссии Решением № 50 от 25.12.2002).
4. Громаков Ю.А. Стандарты и системы, подвижной радиосвязи. — М.: Международный центр научной и технической информации, 1996. — 240 с.
