Оптимизация сетей доступа сотовых операторов связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Оптимизация сетей доступа сотовых операторов связи

Москвитин В.Д., Щербаков В.Д., ЦНИИС

1. Что такое сети доступа?

Понятие "сеть доступа" — относительно новое, оно появилось в МСЭ-Т в рекомендации G-103 в 1980 г., наряду с понятием "сеть транспорта", которое олицетворяет основную функцию связи вообще — транспортирование сообщений. В соответствии с G-103 вся сеть связи делится функционально на 2 части: "транспортную" часть (основную) по доставке сообщений на любые расстояния и часть "доступа", отвечающую за агрегацию сообщений от источников сообщений, перед тем как их передавать по транспортной сети. Сети доступа начинают и заканчивают соединение от одного пользователя до другого (рис. 1).

Сеть доступа состоит из 2-х сегментов: пользовательского сегмента и транспортного сегмента. Транспортный сегмент по аналогии с транспортной сетью выполняет транспортную функцию по передаче сигналов пользователей только на небольшие расстояния от точки их возникновения до узла доступа.

2. Сети доступа сотового оператора

На рис. 4 показана существующая сеть сотового оператора.

В качестве линий между БС и БСК могут использоваться либо оптические линии SDH, либо радиорелейные линии. Как видно из рис. 4, основная структура транспортного сегмента — это "звезда", которая, однако, на практике превращается в структуру "дерево", так как большинство БС подключаются к БСК через соседние БС.

На рис. 5 показана структура реальной сети доступа участка БС-БСК оператора МТС г. Воронежа. Сравнивая реальную структуру участка БС-БСК сети доступа с идеальной "звездой"), легко видеть большую избыточность реальной структуры по расстоянию и недостаточность по канальной емкости линий передачи.

Все это в конечном счете приводит к удорожанию сети доступа, к ухудшению ее функционирования. Поэтому возникает задача оптимизации структуры участка БС-БСК сотовой сети.

3. Оптимизация сетей доступа сотового оператора

Для этой цели пригоден алгоритм Прима, который позволяет минимизировать этот участок сети доступа по определенному выбранному критерию. В своем первозданном виде алгоритм Прима минимизирует сеть "дерево" по критерию "расстояние". Однако критерием оптимизации может быть и любой другой сетевой критерий: стоимость, надежность (готовность), время распространения сигнала (задержка), затухание. Ниже приводятся результаты расчета модельной сети доступа, состоящей из 9 БС и одного БСК по следующим критериям: длина, затухание, готовность, время распространения, обобщенный критерий.

Целью расчетов было отработать методику оптимизации структуры сети доступа сотового оператора и разработать рекомендации по ее совершенствованию.

Постановка задачи, модель сети доступа

Даны базовые станции и контролер сети доступа, соединенные по схеме "каждый-с каждым" (полносвязный граф). Даны расстояния в км между этими элементами сети в виде табл. 1.

Необходимо найти остов сети по выбранным критериям (сетевым характеристикам) с помощью алгоритма Прима, минимизируя выбранный критерий.

Предположим, что для строительства сети используются 3 типа среды:

— оптоволокно и система передачи SDH;

— коаксиальный кабель и системы передачи PDH;

— радиорелейная линия, применяемая в городе.

Хотя коаксиальный кабель — неконкурентная среда по сравнению с 2-мя другими, в данном случае он используется для расширения сравнительной базы. В табл. 2 приведено распределение указанных сред передачи по ребрам сети.

В табл. 3 приведены параметры названных сред передачи (ки-лометрическое значение затухания сигнала, километрическое значение времени распространения, километрическое значение коэффициента готовности (кг), километрическое значение стоимости строительства. Хотя все параметры среды передачи зависят от час-

Пользователь А

-Соединение пользователь-пользователь-

■j- Узел доступа Б

Узел доступа В

Сеть I Ь доступа -р\ (передача)

СТЫК

пользователь-

сеть

I I *

стык сеть доступа-транспорт ная сеть

-Транспортная сеть-

-►I

I

Сеть 1^-доступэ-(прием)

I I •

стык сеть доступа-транспорт ная сеть

Пользователь В

стык

пользователь-

сеть

Рис. 1. Соединение пользователь-пользователь в терминах "сеть доступа", "транспортная сеть"

Рис. 2. Дерево понятий "Сеть связи"

оборудование доступ а

/

I ✓

Тч-------

Пользователь А

I

I

I

к-

к транспортной ••сети

Узел доступа А

Узел местной сети

Узел местной сети

от транспортной сети

Узел доступа В \ оборудование

доступа

Соединительная линия местной сети

-Соединение пользователь - пользователь местной сети-

стык

пользователь-

сеть

Пользователь В

стык пользователь-сеть

^с. 3. Схема местной сети и ее взаимосвязь с сетью доступа

б)

I)

&

§)

G)

I)

БС

(BTS)

БС

(BTS)

БС

(BTS)

БСК

ЦКС

♦•ТФ ОП ТМгУ ТЗУ

Сети др сот.опер Интернет

Попьэоважпьсжии .. ГАПШИТ AT

-Транспортный сегмент—

сеть доступа сотового оператора

Обо мочения:

АТ абонсн 1СЮ1Й icpMitiuui (Subscriber terminal); БС (хлопая станция (Base transmitter Mai ion);

!>(.’К контроллер баювой станпнн (Base station controller);

ЦКС центр коммутации сотовой свя jii (mobile switch center): ТМгУ транзитный междугоролнын узел; Т1У ipamiiiiihiii чономмй у*сл; ТФ-OI I сеть телефонная общего нольюкання

Рис. 4. Существующая сеть доступа сотового оператора

Рис. 5. Структура реальной сети доступа оператора МТС (г. Воронеж)

Расстояния между базовыми станциями и контролерами (км)

Таблица 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 - 5.4 8.6 5.7 8.8 5.2 6.8 3.7 7.6 5.1

2 5.4 - 3.6 6.6 8.6 7.3 5.6 3.3 4.5 5.1

3 8.6 3.6 - 6.8 7.5 8.1 4 6.1 4.1 3.7

4 5.7 6.6 6.8 - 3.3 4.8 8 1.5 1.3 1.6

5 8.8 8.6 7.5 3.3 - 5.5 14.2 3.9 3.8 3.7

6 5.2 7.3 8.1 4.8 5.5 - 9.3 6.6 8.2 5.8

7 6.8 5.6 4 8 14.2 9.3 - 4.1 4.3 3.9

8 3.7 3.3 6.1 1.5 3.9 6.6 4.1 - 4.2 4.4

9 7.6 4.5 4.1 1.3 3.8 8.2 4.3 4.2 - 4

10 5.1 5.1 3.7 1.6 3.7 5.8 3.9 4.4 4 -

тоты, в таблице приведены средние значения. Стоимость строительства зависит от большого числа факторов, поэтому в табл. 3 приведены некоторые ориентировочные значения, которые носят характер примера.

Не останавливаясь на сущности алгоритма Прима, отметим, что для расчета сети по указанным критериям были разработаны программы расчета студентами 3 курса факультета информационных технологий (группы ВМ 0601, ВМ 0602, ПО 0602, ПО 0601, ПО 0602). Программы реализованы в различных средах, в том числе в среде Ре1рЫ 7 (Раэса!).

На рис. 6 показана сеть доступа минимальной длины. Общая длина составляет 27 км.

На рис. 7 показана сеть доступа минимального затухания.

Общее затухание равно 8,7 дБ.

На рис. 8 приведена сеть доступа минимального времени распространения. Время распространения равно 134,9 мкс.

На рис. 9 приведена сеть доступа минимальной неготовности.

Суммарный коэффициент неготовности равен 0,000025.

На рис. 10 приведена сеть доступа минимальной стоимости строительства.

Общая стоимость строительства равна 283,5 тыс. дол.

Так как все вышеуказанные параметры можно считать одинаково важными для сети доступа обшрго пользования (кроме затухания, которое компенсируется применением усилителей в различных точках сети) и выбор одного из них в качестве предпочтительного часто является трудной задачей для оператора, для выбранной модельной сети был разработан также обобщенный критерий (О), представляющий собой, по аналогии с производящей (производственной) функцией, произведение отдельных критериев, а именно:

О = X • Кнг • С (мкедол.), где К = 1- К.

нг г

Из формулы вццно, что О представляет собой произведение 3-х параметров, прямо возрастающих от длины ребра сети

і

і

Распределение сред передачи по ребрам сети

узлы 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

] - 3 3 1 2 1 2 3 3 3

2 3 - 3 2 2 1 2 1 1 1

3 3 3 - 3 3 3 2 1 1 1

4 1 2 3 - 1 3 2 3 3 1

5 2 2 3 1 - 3 2 2 2 2

6 1 1 3 3 3 - 2 2 3 2

7 2 2 2 2 2 2 - 2 1 1

8 3 1 1 3 2 2 2 - 2 1

9 3 1 1 3 2 3 1 2 - 1

10 3 1 1 1 2 2 1 1 1 -

Параметры сред передачи (километрические значения)

Параметр Среда передачи

Волоконнооптический кабель Коаксиальная система передачи Радиорелейная система передачи

Затухание (а) — дБ/км 0,2 3 1

Время распространения (т) — мкс/км 6 5 4,5

Надежность (Кг) -1/км 0,9999999 0.9999995 0,999999

Стоимость строительства (С) дол/км 2500 2000 1500

доступа. Поэтому для придания характера возрастающей функции вместо надежности ребер в О применена функция ненадежности Кнг, которая определяется известным способом через коэффициент готовности Кг.

Результаты оптимизации сети доступа по обобщенному критерию приведены на рис. 11.

Величина обобщенного критерия равна 3'10-5 мксдол..

Результаты оптимизации наряду с определением структуры сети доступа, исходя из заданного критерия оптимизации, дают возможность автоматически определить также оптимальное местоположение контролера сети. Для приведенных структур местоположением

Таблица 2 контролера являются точки: 8 или 4 (рис. 6), 10 (рис. 7), 4 или 8 (рис. 8), 2 или 3 (рис. 9), 4 (рис. 10), 10 (рис. 11).

Таким образом, для существующей сети доступа можно считать пригодной разработанную методику расчета сети по алгоритму Прима. Отметим еще одно достоинство предложенной методики: оптимизированная структура сети принципиально не содержит петель и при любом критерии может использоваться для организации сети синхрони-

Таблица 3 зации, которая всегда необходима для работы сети сотового оператора.

В то же время следует отметить, что в связи с переходом операторов сотовой сети к новым технологиям, к новому поколению (3Э и выше) структура сети доступа претерпит существенные изменения и это ставит новые задачи по оптимизации ее структуры, что крайне актуализирует задачу в связи с тем, что новые технологии влекут за собой большие новые инвестиции и капитальные затраты. Т. е. можно сказать, что работы по оптимизации структуры сети доступа должны быть продолжены с учетом новых обстоятельств.

Ниже приводятся особенности построения новых сетей доступа. Влияние на перспективную структуру транспортного сегмента сети доступа оказывает развитие сервисов для предоставления услуг широкополосного доступа в Интернет и мобильного телевидения.

Транспортной сегмент сети доступа между базовой станцией и контроллером является в силу своей масштабности самым массовым и поэтому одним из самых дорогостоящих компонентов мобиль-

Рис. 10. Сеть доступа, оптимизированная по стоимости строительства

ной сети как при ее создании, так и в процессе эксплуатации. Промышленная статистика показывает, что стоимость оборудования этого сегмента составляет 25% сотовой сети

В настоящее время большинство современных зарубежных операторов СПС используют сети пакетной коммутации в сетях доступа, сети с коммутацией каналов фактически не используются.

В России сложилась противоположная ситуация в связи с задержкой развертывания мобильньх широкополосных сетей 3G.

Трудности на транспортном сегменте сети доступа по существующим каналам возникают при размещении сотового оборудования 3G на существующей сети 2G оператора СПС, так как требуется совместить различные виды транспортных технологий — технологию с коммутацией каналов для 2G ГГОМ)и технологию пакетной коммутации для 3G (ATM, Gigabit Ethernet/1P/ MPLS). Данная ситуация ставит новые экономические и технические задачи, в том числе по оптимизации структуры сети доступа.

Высокая производительность технологии 3G по предоставлению услуг широкополосной связи (данные) требует увеличения пропускной способности канала для передачи транзитного трафика на участке от базовой станции до сетевого контроллера (контроллера беспроводной сети).

Для сети GSM, где имеется большое число базовых станций и контроллеров базовых станций, соединенных интерфейсами A-bis и A-ter, наиболее эффективны методы оптимизации голосовых каналов, основанные на оптимизации данных интерфейсов путем удаления пауз и незначащих фреймов (удаление пустых TRAU фреймов, пустых сигнальных, О&М и GPRS слотов, пустых 64 kbps слотов), что дает экономию 20-40% полосы пропускания.

При совмещении технологий GSM и UMTS на транзитном участке транспортного сегмента сети доступа используется технология "Backhaul" с организацией участка агрегации для передачи трафика по сети пакетной коммутации. В области мобильной связи он означает способ соединения базовых станций или сотовых узлов с базовой сетью оператора через разнообразные среды доступа (TDM, ATM, IP MPLS и др.).

Самым простым решением представляется создание параллельных транспортных сетей сегментов, однако это

Использование отдельной транспортной сети для каждой сети связи нового поколения не столь экономически эффективно, как интеграция различных потоков трафика в рамках единого транзитного канала.

В процессе развертывания стандарта UMTS и совмещения оборудования 2G к 3G возникает целый ряд новых технических вопросов, а именно:

— согласование различных протоколов сигнализации (ОКС №7 и SIP);

— невозможности предоставления полного перечня услуг, предусмотренного сетями 3G в сети 2G, ввиду ограниченных пропускных способностей сетей с коммутацией каналов;

— строительство собственных или аренда широкополосных транспортных сетей;

Рис. 11. Сеть доступа, оптимизированная по обобщенному критерию

— обеспечения отказоустойчивости сети IP;

— поддержка оборудованием интерфейсов как IP/ Ethernet/MPLS, так и TDM и одновременная поддержка трафика 2G и 3G;

— сложность в управлении сетевыми элементами в рамках системы O@M, которая производится из единого центра и требует присутствия высококвалифицированного персонала.

В части оптимизации структуры сети доступа это означает необходимость организации узлов концентрации трафика, где должна проходить агрегация сигналов голоса и данных с последующей передачей их по сети с коммутацией пакетов по базовой сети, операторы междугородной связи либо по собственной сети сотового оператора.

Заключение

Быстрое развитие сотовых сетей в России привело к определенному хаосу в строительстве сотовых сетей доступа, которые создавались без определенных методик, особенно в части строительства транспортного сегмента (участок БС-БСК). В результате существующая структура сетей доступа обладает определенной структурной избыточностью, неэффективным использованием технических средств и недостаточной управляемостью и нуждается в оптимизации структуры и модернизации. Задача усложняется переходом к новым поколениям 3G и 4G аппаратуры и новым технологиям передачи сообщений.

Все это делает вопрос оптимального построения сетей доступа сотового оператора очень актуальным и злободневным.

Авторы выражают благодарность за выполнение расчетов Масловой Надежде, студентке 3 курса МТУСИ гр. ПО-0601.

Литература

1. Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. Сводный курс. — М.: Постмаркет, 2001.

2. Столингс В. Современные компьютерные сети. — СПб., 2003.

3. Громаков ЮА Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Международный центр научной и технической информации, 1996.

4. Сети доступа//Телеинком. ПК. Специальный выпуск. — 2008. — № 2.

5. MPLS in Mobile Backhaul Networks 1 .Framework and Requirements Technical Specification IP/MPLS Forum 20.0.0 IP/MPLS Forum Technical Committee October 2008.

6. Бакланов И.Г. NGN: принципы построения и организации. — 2008.

7. Шнепс-Шнеппе МА Лекции по NGN. — М., 2005.

8. Bfnnister P., Coope S. Convergece Technologies for 3G Networks" IP, UMTS, EGPRS and ATM , 2004.