CC BY
66
УДК 381.324:621.394.79
Рассматриваются особенности применения основных положений теории многокритериальной оптимизации для выбора оптимальних проектных решений на этапе планирования транспортных сетей сотовой связи.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ С УЧЕТОМ СОВОКУПНОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА
Д.В.Чеботарева
Аспирант, ассистент* Контактный телефон: +380-63-380-02-63 E-mail:dasha-che@ukr/net
В.М.Безрук
Доктор технических наук, профессор* Контактный телефон: +380-67-722-31-18 E-mail:bezruk@kture.kharkov.ua *Kафедрa «Сети связи» Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, Украина, 61166.
1. Введение
Во всем мире быстрыми темпами развиваются сотовые сети мобильной связи. В условиях такого бурного развития возрастают требования к качеству и срокам планирования сетей сотовой связи (ССС). Обеспечить качественную радиосвязь можно лишь при условии эффективного планирования, включающего в себя многокритериальную оптимизацию с учетом совокупности показателей качества.
В процессе создания и совершенствования сети мобильной связи решаются две неразрывно связанные задачи: планирование сети (предварительное и детальное) и оптимизация сети (перепланирование по результатам эксплуатации с целью повышения эффективности сети) [1].
Предварительное планирование сети связано с выбором стратегии - заданием таких параметров сети, как: покрытие, емкость, параметры качества связи. Кроме того, на этапе предварительного планирования оценивают компоновку сети и предполагаемое размещение элементов сети радиодоступа; количество
базовых станций, необходимое для выбранного покрытия. В результате этого этапа должен быть представлен первоначальный развернутый план реализации сети
[4].
Детальное планирование осуществляется на базе данных полученных на этапе предварительного планирования. В этап детального планирования сотовой сети входят следующие операции: компьютерное проектирование сети и инструменты для создания необходимого радиопокрытия территории; анализ помех (соканальных, внешних, шумов); частотное планирование; планирование СВЧ-каналов; документирование и пр.
Важными этапами детального планирования сети являются:
- RNP (Radio Network Planning) - планирование радиосети;
- SNP (Switching Network Planning) - планирование коммутации сети;
- CTNP (Cellular Transmission Network Planning) - планирование сотовой сети передачи (транспортной сети или трансмиссии).
иТ
Планирование радиосети. При планировании радиосети в сотовой системе связи необходимо определить тип и точное месторасположение базовых станций, тип и размещение антенных систем, расчет зон покрытия и границ базовых станций с учетом данных об абонентском трафике, а также оформить детальный план сети, включающий результаты по предыдущему пункту, а также результаты измерений и тестирования радиопокрытия территории.
Планирование системы коммутации сети. В процессе данного этапа планирования оценивается объем переключений; устанавливается уровень сетевого исполнения в соответствии с заданной коммутационной емкостью сети; рассматривается реализация систем коммутации и сигнализации сети; отрабатываются правила для маршрутизации, защиты, синхронизации и управления коммутацией; определяются матрицы речевого и сигнального трафика; оценивается необходимая аппаратура для реализации вышеприведенных задач. После этого выполняется детальный план с выбранным числом входов (например, схема сети, план маршрутизации, цифровой анализ, детали управления, план нумерации, план загрузки и др.) с учетом возможного будущего расширения сети.
Планирование транспортной сети. При планировании сотовой сети передачи главной задачей является разработка структуры (топологии) сети, обеспечивающей взаимодействие между всеми узлами (базовими станциями, базовыми контролерами, центром коммутации).
На всех этапах планирования ССС необходимо принимать во внимание совокупность противоречивых требований к сети, которые можно строго учитывать при использовании методов многокритериальной оптимизации [2].
С учетом выше сказанного актуальным является применение многокритериальной оптимизации на различных этапах планирования сотовых сетей связи. В предыдущих работах [3, 4] были рассмотрены вопросы оптимизации предварительного планирования ССС. Целью настоящей работы является рассмотрение теоретических и практических особенностей планирования транспортной сотовой сети с использованием методологии многокритериальной оптимизации, изложенной в работах [2, 3].
2. Практические особенности многокритериальной оптимизации при планировании транспортной сети сотовой связи
Планирование транспортной сети (трансмиссии) - это планирование сети проводной или радиорелейной связи, обеспечивающей взаимодействие между BTS (базовыми станциями), BSC (базовыми контроллерами) и MSC (центром коммутаций) [1].
В результате этапа детального планирования радиосети создается план точного месторасположения базовых станций и базовых контроллеров, которые необходимо соединить проводными или беспроводными линиями связи для организации транспортной сети.
При планировании транспортной сети главной задачей является создание проекта оптимальной топологии сети и выбор типа линий связи, используемых
в сети. При этом возможна либо установка собственных радиорелейных линий связи, либо прокладка волоконно-оптических линий связи, либо аренда уже существующих радиорелейных линий связи, вписывающихся по местоположению и условиям устойчивой радиосвязи в разрабатываемую сотовую сеть.
Каждая базовая станция должна быть соединена с базовым контроллером. Это соединение может быть организовано как напрямую, так и через другие базовые станции, поскольку оборудование BTS имеет гибкие возможности построения сети передачи различной конфигурации. Возможно создание сетей с топологическими структурами "звезда", "цепь", и "дерево". Зачастую может быть использована смешанная топология, включающая в себя элементы всех выше перечисленных топологий.
При выполнении данного этапа планирования сети необходимо учесть проблему соединения и координации больших потоков различной информации, а также выбрать высоконадежные широкополосные каналы, позволяющие обеспечить надежную связь между BTS и BSC.
В известных подходах к планированию транспортной сети при оптимизации топологии сети передачи по одному какому-либо показателю (например, по длине или стоимости) используют алгоритмы поиска кратчайшего дерева или определения максимального потока, такие как алгоритмы Прима, Краскала, Исау-Вильямса, Фогеля и др. При учете двух или более показателей качества появляются определенные трудности, так как многие показатели зависят не только друг от друга, но и от полученной в итоге топологии сети, например пропускная способность зависит от того напрямую BTS соединена с BSC или через другие базовые станции.
Поэтому важной задачей этого этапа планирования является проведение многокритериальной оптимизации топологической структуры сети по совокупности показателей качества [3, 4]. Чтобы решить на практике эту задачу планирования, необходимы детальная информация о структуре сотовой сети, полученной на предыдущих этапах планирования, формулировка задач сети и требований к ее качеству обслуживания.
Для оптимизации топологии сети передачи в данной работе предлагается использовать показатели качества, учитывающие:
- длину радиорелейного пролета;
- общую длину цепи (сети);
- количество звеньев в цепи;
- стоимостные характеристики: стоимость строительных работ, стоимость аренды существующих линий, стоимость оборудования и др.;
- используемую и резервную пропускную способность;
- показатели качества связи: скорость передачи, BER (коэффициент ошибок по битам), SES (секунды, сильно пораженные ошибками) и др.
Поскольку все эти показатели качества тесно взаимосвязаны и антагонистичны, то существует необходимость применения многокритериальной оптимизации в процессе решения совокупности сложных взаимосвязанных задач. К ним относятся: оптимизация пропускной способности каналов связи; выбор
маршрутов; оптимизация топологическом структуры; выбор методов управления потоками и определение параметров управления; анализ объемов буферной памяти узлов коммутации и маршрутизации и т.д.
Обычно на практике такая задача оптимизации топологии сети сводится к отысканию минимума функционала приведенной стоимости
C(U, Q,Y) ^ min (1)
при наличии ограничений на вероятностно-временные и структурные характеристики сети
V,(UAY) < V (2)
и требовании принадлежности множества вариантов архитектуры сети, Q(U, Q,Y), удовлетворяющих ограничениям (2), к области технически реализуемых решений
Q(U, Q,Y) eQ0. (3)
Здесь U - векторная величина, отражающая параметры качества и эффективности сети; Q - векторная величина, представляющая собой совокупность параметров технических средств, включая производительность узлов и аппаратуры, надежность технических средств, достоверность передачи информации и т.д.; Y - векторная величина, отражающая параметры логической структуры сети.
То есть в качестве критерия (или единственного показателя качества) при проектировании сети часто выбирают обобщенный экономический критерий -приведенные затраты, включающие стоимость аренды линий связи и приведенную стоимость узлов сети. Другие критерии (среднее время задержки, надежность и т. д.) используются как ограничения при решении задачи проектирования.
В данной работе предлагается решать задачу оптимизации топологии сети передачи в три этапа:
1) задание исходного допустимого множества вариантов структуры сети;
2) выбор подмножества Парето-оптимальных вариантов;
3) выбор единственного варианта топологии сети.
Для начала оптимизации необходимо иметь следующие исходные данные:
- план (карту) расположения базовых станций, базовых контроллеров и центра коммутации;
- совокупность показателей качества, согласно которым следует оценивать допустимые варианты топологий сети передачи;
- длины возможных пролетов (расстояния между узлами сети - BTS и BSC), их стоимостные характеристики, необходимую пропускную способность и другие данные.
При этом необходимо определить и отбросить пролеты, где нет радиовидимости или существуют какие-либо причины, препятствующие возможности построения линии связи на этом участке.
Выбор показателей качества транспортных сетей. При планировании транспортных сетей можно использовать показатели качества, учитывающие: длину радиорелейного пролета; общую длину сети; количество звеньев в цепи; стоимостные характеристики: стоимость строительных работ, стоимость аренды существующих линий, стоимость оборудования и др.; используемую и резервную пропускную способность; надежность пролета; скорость передачи; полосу частот; вероятность ошибочного приема бита (BER) и др.
При этом необходимо отметить, что с учетом двух или более показателей качества появляются определенные трудности, так как многие показатели зависят не только друг от друга, но и от полученной в итоге (конкретной) топологии сети. Например, требуемая скорость передачи зависит от того, напрямую BTS соединена с BSC или через другие базовые станции.
Формирование исходного допустимого множества вариантов структуры транспортной сети. Множество допустимых вариантов сетей Ф4 - это все возможные варианты с учетом ограничений на пролеты, где нет радиовидимости или существуют какие-либо причины, препятствующие возможности построения линии связи на этом участке.
Определим показатели качества, которые не зависят от полученной топологии сети. В частности, такими показателями являются длина пролета ^=1пр, его стоимостный показатель k2=SПp и др. С учетом этих показателей качества можно найти множество допустимых вариантов. При этом предлагается ввести обобщенный показатель качества ребра в виде взвешенной суммы введенных показателей качества:
к.
(4)
к>1>п =£ с, ■ к, , где с, - некоторые весовые коэффициенты.
Полагается, что каждый пролет и транспортная сеть в целом характеризуется некоторой совокупностью показателей качества
к(ф) = (к1(ф),к2(ф), ...,кт(ф)). (5)
При формировании исходного допустимого множества вариантов структуры сети вначале может быть использована сокращенная совокупность показателей качества
(6)
к(ф) = (к1<ф),к2(ф), ...,к„(ф)) (n < m).
В частности, при этом могут быть выбраны такие показателе качест ва каждого пролета, как длина и стоимость пролета к = (к1(1), к2^)) .
Далее предлагается ввести обобщенный показатель качества каждого пролета в виде взвешенной суммы выбранных показателей качества
кобобщ= ^ с,к,, (7)
где с, - некоторые весовые коэффициенты, характеризующие важность каждого показателя.
Далее, в предположении, что каждый пролет характеризуется теперь скалярным показателем качества (7), с помощью одного из известных алгоритмов (Прима, Краскала) находится кратчайшее дерево для транспортной сети. Выбирая различные допустимые комбинации весовых коэффициентов, можно найти некоторое множество других допустимых вариантов деревьев сети Фd, которые определяют различные топологии транспортной сети.
Нахождение подмножества Парето-оптимальных вариантов сетей. Для каждого допустимого варианта топологии (структуры) транспортной сети в целом оцениваются значения полной совокупности показателей качества транспортной сети (5). Каждый вариант структуры транспортной сети представляется в критериальном пространстве оценок показателей качества (5). Здесь с использованием одного из описанных выше методов выделяется подмножество
Парето-оптимальных вариантов построения транспортной сети. Оптимумом по безусловному критерию предпочтения (критерию Парето) является множество Парето-оптимальных оценок, которые соответствуют недоминируемым вариантам сети согласно (3).
Следует отметить, что при нахождении подмножества Парето-оптимальных вариантов топологии транспортной сети оцениваются и учитываются показатели качества сети, которые зависят от конкретной топологии сети. Это могут быть такие показатели качества, как скорость передачи, вероятность ошибки, пропускная способность и др.
В частности, если, показатели качества транспортной сети в целом через показатели качества каждого пролета сети можно рассчитываться исходя из ниже приведенных соотношений: вероятность ошибки 1
(8)
3. Выводы
Р = 1 £f1-^ -Рш,)) ;
ош mji V i=i )
пропускная способность
С =
1
lo&M + Рош log2(Mp=1j + (1 -Pom)lcg2(1 - Рош)
; (9)
- скорость передачи R 1
-^пер —
III R.
j=i V i=i
(10)
Выбор единственного проектного варианта топологии сети. Для выбора единственного варианта из подмножества Парето-оптимальных можно применить один из описанных выше методов сужения подмножества Парето, в частности, с использованием скалярной функции ценности.
В данной работе рассмотрены теоретические и практические особенности применения методов многокритериальной оптимизации для планирования транспортной сети (трансмиссии) ССС с учетом совокупности противоречивых показателей качества, что представляет собой новизну работы.
В дальнейшем планируется более подробно рассмотреть особенности применения многокритериальной оптимизации на других этапах планирования ССС.
Литература
1. Тихвинский В.О., Терентьев С.В. Управление и качество услуг в сетях GPRS/UMTS. - М.: Эко-Трендз, 2007. - 400с.
2. Безрук В.М. Векторна опти1шзащя та статистичне мо-делювання в автоматизованному проектуванш систем зв'язку. - Харгав: ХНУРЕ, 2002.
3. Безрук В.М., Чеботарёва Д.В. Современные технологии автоматизации планирования сетей радиосвязи. Часть 1. Методы выбора проектных решений, оптимальных по совокупности показателей. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий, № 6/3 (30), 2007. с.9-13.
4. Безрук В.М., Чеботарёва Д.В., Анищенко А.В. Современные технологии автоматизации планирования сетей радиосвязи. Часть 2. Программные средства многокритериальной оптимизации сетей радиосвязи. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий, № 1/2 (31), 2008. с.32-36.
Т
х
