CC BY
35
ТРАФИК В СЕТЯХ РАДИОСВЯЗИ: ВОПРОСЫ УЧЕТА И ПЛАНИРОВАНИЯ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10198
Головской Василий Андреевич,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики (СКФ МТУСИ), Ростов-на-Дону, Россия, [email protected]
Ключевые слова: сеть радиосвязи, APCO Project 25, хэндовер, базовая станция, зона покрытия, перегрузка, трафик.
Сети связи специального назначения, предназначенные для нужд государственного управления, обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка, являются особым элементом единой сети электросвязи Российской Федерации. Для сетей связи специального назначения традиционно критически важными считаются следующие характеристики: оперативность, надежность и безопасность. Однако анализ результатов исследований и практика показывают, что сети подвижной радиосвязи служб обеспечения правопорядка, относящиеся к сетям связи специального назначения, не всегда в полной мере обладают требуемыми характеристиками. Достаточно часто причинами этого являются отсутствие или недостаточно качественный уровень исследований, предшествующих организации закупки оборудования радиосвязи для построения указанных сетей подвижной радиосвязи, недостаточное планирование закупки и приемочных испытаний. Приведены результаты проведенных автором исследований по определению уровня оперативности, как одной из критических характеристик сети подвижной радиосвязи стандарта APCO Project 25. В качестве объекта исследования была выбрана цифровая транкинговая многозоновая сеть подвижной радиосвязи стандарта APCO Project 25. Предмет исследования - механизмы хэндовера (роуминга) в указанной сети. Цель исследования - проверка достаточности уровня характеристики "оперативность" в рассматриваемой сети подвижной радиосвязи. Для определения уровня характеристики "оперативность" был применен классический аппарат математической теории телетрафика. Приведенные результаты элементарных расчетов позволяют описать условия, при которых сеть радиосвязи не будет обеспечивать требуемую оперативность.
Сформулированы предложения о целесообразности использования многолучевых антенн при построении сетей подвижной радиосвязи служб обеспечения правопорядка в больших городах с холмистым рельефом.
Предлагаемая статья отличается практической значимостью и может быть полезна в учебном процессе, а также специалистам, участвующим в построении сетей подвижной радиосвязи.
Информация об авторе:
Головской Василий Андреевич, Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
(СКФ МТУСИ), Старший научный сотрудник отдела научно-исследовательской работы и инновационного развития, к.т.н., Ростов-на-Дону, Россия
Для цитирования:
Головской В.А. Трафик в сетях радиосвязи: вопросы учета и планирования // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №12. С. 38-42.
For citation:
Golovskoy V.A. (2018). Traffic in radio networks: issues of accounting and planning. T-Comm, vol. 12, no.12, рр. 38-42. (in Russian)
Введение
Среди сетей профессиональной подвижной радиосвязи особого внимания заслуживают сети подвижной радиосвязи служб обеспечения правопорядка (СПРП), относящиеся к сетям связи специального назначения. Это объясняется важностью возлагаемых па них задач и критическими последствиями от невыполнения требований к таким их характеристикам, как оперативность, надежность и безопасность [1]. Одним из основных стандартов, на основании которого созданы СПРП в больших городах России и многих других стран, является стандарт АРСО Project 25 (Р25), разработанный ассоциацией АРСО специально для служб обеспечения правопорядка [2]. Достоинства стандарта Р25 достаточно подробно освещены [31 и не нуждаются в пояснениях. Критика же встречается в русскоязычных научно-технических источниках достаточно редко [4-7].
В работах [5-81 показано, как особенности стандарта становятся недостатками при построении сетей связи специального назначения по причине недостаточного планирования как закупки оборудования радиосвязи для построения СПРП так и приемочных испытаний. Предлагаемая статья имеет целью отразить некоторые проблемные вопросы, возникающие при развертывании и эксплуатации СПРП стандарта Р25 в болыних городах с холмистым рельефом.
Постановка задачи
В качестве объекта исследования была выбрана цифровая транкинговая многозоновая CI1РП стандарта Р25 со следующими параметрами [9]: диапазон рабочих частот 440470 МГц; режим работы - гранкинговый; типы поддерживаемых вызовов - широковещательный, групповой, индивидуальный; тип модуляции — ЧМ, C4FM; тип миогостаицион-ного доступа - с частотным разделением каналов; тип канала управления - выделенный. Предмет исследования - механизмы хэндовера (роуминга) в указанной СПРП. При создании СПРП в составе базовой станции (БС) наиболее часто используются коллинеарные или дипольные антенны [9-12]. Будем считать, что в состав каждой БС рассматриваемой СПРП, по аналогии с [9], входит коллинеарная антенна.
Цель исследований - проверка соответствия уровня характеристики «оперативность» в рассматриваемой СПРП предъявляемым требованиям.
Оперативность (как аналог своевременности) передачи сообщений по радиоканалам характеризуется временем их пребывания в системе радиосвязи, исчисляемым с момента передачи его для отправки до момента вручения адресату [1]. Реальное время пребывания сообщений в системе радиосвязи включает в себя время выполнения вспомогательных операций (доставки сообщений, их коммутации и обработки), время ожидания передачи и собственно время передачи сообщения по радиоканалу.
При имеющих место огрехах планирования СПРП [5-8| отсутствие некоторых опций может существенно ухудшить функциональную эффективность СПРП. Одной из таких опций является «хэндовер перегрузки», описание которого не приведено в спецификации стандарта [13], и, как показывает практика [1, 5, 8], не реализуется в разворачиваемых СПРП,
Под термином «хэндовер перегрузки» понимается процедура передачи обслуживания абонента (мобильной станции) от одной БС другой БС этой же СПРП при выполнении условия образования перегрузок [14]
^Мп^'-ММ). (!)
где А - интенсивность трафика, поступающего на ретрансляционное оборудование БС, Эрл; Д^ - максимальная
интенсивность трафика, Эрл, при которой заявка может быть обслужена ВС без постановки заявки в очередь.
Под трафиком в статье понимается нагрузка, создаваемая случайным потоком заявок только одного типа - голосовых вызовов. Такое допущение объясняется тем, что в СПРП голосовые вызовы составляют до 98% создаваемого абонентами трафика [14]. Реализация процедуры хэндовера, разумеется, возможна только при нахождении рассматриваемого абонента в области «перекрытия» зон покрытия обеих БС. Процедуры «хэндовер перегрузки» реализуются, например, сетями сотовой связи стандартов GSM и UMTS, а также СПРП стандарта TETRA.
Для пояснения потенциальной проблемной ситуации рассмотрим СПРП, обладающую определенными выше характеристиками и развернутую в городе с холмистым рельефом. Примерами могут служить города Владивосток, Ростов-па-Дону, Сочи [8]. Пусть ретранслятор каждой БС поддерживает количество частотных радиоканалов N = 4. Вследствие того, что стандарт Р25 предполагает наличие выделенного канала управления, каждая БС способна поддерживать одновременное функционирование трех информационных радиоканалов и канача управления. Типичный вид диаграммы направленности коллинеарной антенны, устанавливаемой на БС СПРП для организации радиосвязи с подвижными абонентами, приведен на рис. I [15]. Угол отклонения главных лепестков от горизонтальной плоскости {рис. 16) диаграммы направленности регулируется настройкой антенны.
а) б)
Рис. I. Диаграммы направленности антенны СХБ-70-5е
При оговоренных условиях может сложиться следующая ситуация. Одна из БС (далее - БС1) расположена на возвышении относительно других БС. Величина ослабления сигнала в рассматриваемом частотном диапазоне существенно зависит от высот расположения антенн, типа местности и городской застройки [16], и является приближенно определяемой величиной, каждый раз корректируемой с учетом конкретных особенностей местности [17]. Вследствие того, что антенна БС I расположена намного выше остальных и имеет постоянный коэффициент усиления в горизонтальной плоскости (рис. 1а), излучаемые ею радиоволны при прочих равных условиях будут иметь в точках приема наибольшую энергетику.
Из-за того, что для абонентских радиостанций критерием выбора БС является максимальная энергетика радиоканала «вниз», будет происходить «затягивание» радио средств абонентов СПРП под управление БС1, при условии их нахождения в зоне прямой видимости с указанной БС.
Т-Сотт Том 12. #12-2018
Л,Эрд J
Рис. 4. Зависимость вероятности задержки от величины трафика
—N-4 — 1— 1 I 1 « / 1 /
fx iEw f mm I " i * * Л™ / "
/ ! /
J 1 / j * 1 t 1 r / / / 0 / / У .У ---ttT- -----~ / / / t / s s * *
Рис. 5. Величина трафика при критических значениях />
Так для случая N = 4 величина Л-0,5545 Эрл может быть достигнута при обслуживании заявок от
А_ А..
0,5545 0,025
= 23
абонентов.
Так, становится ясно, что возможны ситуации, при которых по причине образования очередей не будет обеспечена требуемая оперативность связи, что недопустимо для СПРП.
Полученные вероятностные характеристики могут носить лишь ориентировочный характер по причине отсутствия полного набора статистических данных, необходимых для дальнейшего уточнения характеристик СПРП.
Нивелировать влияние указанных факторов возможно различными способами:
1. Введением аппаратной избыточности - увеличением количества ретрансляторов в составе БС. Однако этот экстенсивный путь не будет оптимальным, т.к. при повседневной деятельности загруженность ретрансляторов остается низкой.
2. Использованием многолучевых антенн е провалами в диаграмме направленности, в том числе, специально разработанных для функционирования в составе транкииговых сетей профессиональной подвижной радиосвязи [21], подробный обзор которых приведен в [22]. Данный путь сопряжен с рядом технических и организационных трудностей. Может иметь место проблема с недостаточной площадью покрытия, изменение зоны покрытия по причине строительной деятельности и т.д.
Заключение
На основании особенностей стандарта Р25, технических спецификаций СПРП проведен анализ условий, при которых могут быть нарушены требуемые характеристики СПРП. в частности - оперативность. Учет представленных негатив-пых моментов может быть полезен при планировании, построении, эксплуатации и модернизации СПРП.
Литература
1. А нал и; эффективности внедрения н интересах ГУ МВД России по Ростовской области и У МВД России по г. Ростову-на-Дону системы цифровой транкинговой радиосвязи стандарта ДPCO 25: отчет о МИР «Система-Р» (промежуточный) / ФКУ НПО «СТиС» МВД России ; рук. Крутой В.А.; не пол н.: Головской В.А, [и др.]. ФКУ НПО «СТиС» МВД России, 2013. 172 с. Ьиблиогрлс. 162. Гос. per. № 05133824.
2. Project 25 Organizational Overview [Электронный ресурс]. URL: https ://w ww .a peoín Li .oigfapectrura-mtmagement/spectnim-maragement- resources/
inlempcriib11ity/p25 p254>rgan:/iiLo:i;il-<ivLTview/ (дата обращения 16.08.18).
3. The Benefits of Project 25 [Электронный ресурс]. URL: http://www . proj ect2 5. org/i ni ages/stori e s.'pt i g/B enefi t s o f_ P2 5 i" i п а I _Ap r i 1201 RF.V_02_160407.pdf (дата обращения 17.03.17).
4. Бутеико B.B. Обеспечение безопасности информационною обмена государственных органов Российской Федерации в перспективных сетях подвижной радиосвязи / Материмы научно-практической конференции «Информационная безопасность в современном обществе РОСИНФОКОМ 2016». 2016. С. I о-11.
5. Головской H.A., Крутое В.А. Недостатки и перспективы развития транкииговых систем радиосвязи И Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики, 2014, Часть I, С. 37-40.
6. Путияин Н.В.. Головской В.Л., Крутое В.А. Комплексный подход к построению и модернизации сетей радиосвязи специального назначения // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики, 2017, Часть II, С. 140-145,
7. Головской В.А. Критика механизмов обеспечения безопасности информации сети радиосвязи // T-Comm; Телекоммуникации и транспорт, 2017. Том II.№8. С. 9-12.
8. Головской В.А. К вопросу учета трафика при планировании сетей подвижной радиосвязи / Материалы международной научно-практической конференции «Охрана, безопасность, связь - 2015», часть 3. Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2016. С. 7-13.
9. Сведения заказа [Электронный ресурс]. Официальный сайт Российской Федерации а сети Интернет для размещения информации о размещении заказов на поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг. URL: http://zakupki.gov .ni/pgs'publ ie/action/ordetVin fo/orderdoc umemJist_tnfb/sbow?so uree=epz¬ificationld=1749614 (дата обращения 11.03.17).
10. Сведения закаш [Электронный ресурс). Официальный сайг Российской Федерации в сети Интернет для размещения информации о размещении заказов на поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг. I IRL: http://zafcupki .gov. ru/pgz/publ ic/action/orders/ i n faterderdoctimentl i st_info/sho w7notificalioiild-1803134 (дата обращения 11.03.17).
11. Сведения зака;а [Электронный ресурс]. Официальный сайт Российской Федерации и сет и Интернет для размещения информации о размещении заказов иа поставки товаров, выполнение работ, оказание услуг. URL: http://zakupid.gov.ru/epz/order/notice/1 еа44/vie w/doc uments,htnü?regNum ЬегЮ
111100008314000097 (дата обращения 16,08.18).
12. Сведения закаш [Электронный ресурс). Официальный сайг Российской Федерации в сети Интернет для размещения информации о размещении заказов на поставки говоров, выполнение работ, оказание услуг. URL: http://zakupki .gov .пд/еpz/order/no t i ec/ea44/v iew /d ос и me п t s. htm l?rcgN u tube r=0
119100010114000108 (дата обращения 16.08.18).
13. Project 25 - System and Standards Definition. Number TIA-E1A TSB 102. Telecommunications Industry Association, Arlington, VA 22201, USA November, 1995.
14. Kenerling Ham-Peter A. Introduction to digital professional mobile radio. - Norwood, MA: AR'l ECH HOUSE, INC., 2004. 358 p.
15. Products [Электронный ресурс]. URL: http://www.procom.dk/ products/man ne-antcnnas/225-470-mh z/om nidi rec t i onal-amen nas/c к 1-70-5 с (дата обращения 12.08.15).
16. Saunders S R. Aragón-Zavata A. Antennas and propagation for wireless communication systems. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. 2007. 546 p.
17. Булычев Ю.Г.. Мозоль A.A.. Головской В.А. Оценка дисперсии ослабления радиосигнала в системах подвижной радиосвязи // Радиотехника, 2016. №3. С. 23-27.
18. Грачев Ю.А., Булик В.М. Траикшп овые сети радиосвязи в органах внутренних дел Российской Федерации // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. 2016. №2 (70). С. 112-115.
19. Баишрин Г П. Лекции по математической теории телетрафика: Учеб. пособие. Изд. 3-е, испр. и дои. М.: РУДН, 2009. 342 с.
20. /versen ViUy В. Teletrafñc engineering and network planning. Lyngby: Technical University of Denmark. 2010. 623 p.
21. Catalog_27-512_base_station_antcnnas [Электронный ресурс]. URL: httpt//www. selteq cor- Products/kathfein/catalog_27-jftí_bsee_statt0n_antennas,pdf
(дата обращения 16.08.18).
22. Шишлов A.B.. Левитан Б.А., Топчиев С.А- Анпитгов BP.. Денисенко В В. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи // Журнал радиоэлекг-роники [электронный журнал]. 2018. № 7. URL: h ttp: 'J re, с p 1 i re. ni i u 11 Mv'text.pdf DOl 10.30898/1684-1719.2018.7.6 (дата обращения 16.08.18).
T-Comm Vol.12. #12-2018
7Тл
TRAFFIC IN RADIO NETWORKS: ISSUES OF ACCOUNTING AND PLANNING
Vasily A. Golovskoy, North Caucasus branch of Moscow Technical University of Communications and Informatics, Rostov-on-Don, Russia,
Abstract
Special purpose communication networks designed for the needs of public administration, national defense, state security and law enforcement are a special element of the unified telecommunication network of the Russian Federation. For special-purpose networks, the following characteristics are traditionally considered critical: speed, reliability and security. However, analysis of research results and practice show that mobile radio networks of law enforcement services related to special-purpose communication networks do not always fully possess the required characteristics. Quite often, the reasons for this are the lack or insufficient level of research prior to the organization of the purchase of radio equipment for the construction of these mobile radio networks, insufficient planning of procurement and acceptance testing. The article presents the results of the author's research on defining the level of efficiency, as one of the critical characteristics of the mobile radio network standard APCO Project 25. Digital trunking multizone mobile radio network of APCO Project 25 standard was chosen as the object of research. The subject of research is the mechanisms of handover (roaming) in this network. The purpose of the study is to check the adequacy of the level of performance "efficiency" in the considered network of mobile radio. To determine the characteristics of "efficiency" was applied by the classical mathematical theory of teletraffic. The results of elementary calculations allow us to describe the conditions under which the radio network will not provide the required efficiency. Proposals on the feasibility of using multipath antennas in the construction of mobile radio networks of law enforcement services in large cities with hilly terrain are formulated. The proposed article is of practical importance and can be useful in the educational process as well as professionals involved in the construction of mobile radio networks.
Keywords: radio network, APCO Project 25, handover, base station, coverage area, congestion, traffic.
References
1. Analysis of the implementation of the digital trunking radio communication system standard ARCO 25 in the interests of the Main Directorate of the Ministry of Internal Affairs of Russia for the Rostov Region and the Ministry of Internal Affairs of Russia in Rostov-on-Don: a report on the SISTEMA R (intermediate) / FGI SPA SET of the MIA RF; Hands. Krutov V.A.; Golovskoy V.A [and etc.]. FGI SPA SET of the MIA RF, 2013. 172 p. Bibliography: p. 162. State. Reg. №. 05133824. (in Russian)
2. Project 25 Organizational Overview [Electronic resource]. URL: https://www.apcointl.org/spectrum-management/spectrum-management-resources/interoperability/p25/p25-organizational-overview/ (viewed 16.08.18).
3. The Benefits of Project 25 [Electronic resource]. URL: http://www.project25.org/images/stories/ptig/Benefits_of_P25_Final_April20l6_REV_02_l60407.pdf (viewed
17.03.17).
4. Butenko V.V. (2016). The ensuring security of information exchange of state bodies of the Russian Federation in perspective networks of mobile radio communication.
Proceedings of the scientific-practical conference "Information security in modern society-ROSINFOCOM 2016", pp. 10-11. (in Russian)
5. Golovskoy V.A, Krutov V.A. (2014). Disadvantages and perspectives of development of trunking radio communication systems. Proceedings of the North Caucasian Branch of the Moscow Technical University of Communications and Informatics. Part I, pp. 37-40. (in Russian)
6. Putilin N.V. Golovskoy V.A, Krutov V.A. (2017). An Integrated approach to the construction and modernization of special purpose radio communication networks. Proceedings of the North Caucasus branch of the Moscow technical University of communications and Informatics. Part II, pp. 140-145. (in Russian)
7. Golovskoy V.A. (2017). Criticism of information security mechanisms in the radio network. T-Comm, vol. 11, no. 8, pp. 9-12. (in Russian)
8. Golovskoy V.A. (2016). To the issue of traffic accounting in the planning of mobile radio networks. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference "Protection, Security, Telecommunications -2015", part 3. Voronezh: Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, pp. 7-13. (in Russian)
9. Order details [Electronic resource] // Official website of the Russian Federation on the Internet for posting information on placing orders for the supply of goods, works, services. - URL: http://zakupki.gov.ru/pgz/public/action/orders/info/order_document_list_info/show?source=epz¬ificationId=l7496l4 (viewed 11.03.17). (in Russian)
10. Order details [Electronic resource] // Official website of the Russian Federation on the Internet for posting information on placing orders for the supply of goods, works, services. - URL: http://zakupki.gov.ru/pgz/public/action/orders/info/order_document_list_info/show?notificationId=l803l34 (viewed 11.03.17). (in Russian)
11. Order details [Electronic resource] // Official website of the Russian Federation on the Internet for posting information on placing orders for the supply of goods, works, services. - URL: http://zakupki.gov.ru/epz/order/notice/ea44/view/documents.html?regNumber=0llll000083l4000097 (viewed l6.08.l8). (in Russian)
12. Order details [Electronic resource] // Official website of the Russian Federation on the Internet for posting information on placing orders for the supply of goods, works, services. - URL: http://zakupki.gov.ru/epz/order/notice/ea44/view/documents.html?regNumber=0ll9l000l0ll4000l08 (viewed l6.08.l8). (in Russian)
13. Project 25 - System and Standards Definition. Number TIA-EIA TSB l02. Telecommunications Industry Association, Arlington, VA 2220l, USA November, l995.
14. Ketterling Hans-Peter A. (2004). Introduction to digital professional mobile radio. Norwood, MA: ARTECH HOUSE, INC. 358 p.
15. Products [Electronic resource]. URL: http://www.procom.dk/products/marine-antennas/225-470-mhz/omnidirectional-antennas/cxl-70-5c (viewedl2.08.l5).
16. Saunders S R., Aragon-Zavala A. (2007). Antennas and propagation for wireless communication systems. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. 546 p.
17. Bulychev Yu.G., Mozol' A.A., Golovskoy V.A. (20l6). Estimate of the variance of attenuation of radio signals in mobile radio systems. Radiotekhnika. No. 3, pp. 23-27.
(in Russian)
18. Grachev Yu.A., Bulik V.M. (20l6). Trunking radio networks in the internal Affairs bodies of the Russian Federation. Bulletin of the St. Petersburg University of the MIA of Russia. No.2 (70), pp.ll2-ll5. (in Russian)
19. Basharin G.P. (2009). Lectures on the mathematical theory of teletraffic: Proc. benefit. Ed. 3, Rev. and add. Moscow: RUDN. 342 p. (in Russian)
20. Iversen Villy B. (20l0). Teletraffic engineering and network planning. Lyngby: Technical University of Denmark,. 623 p.
21. Catalog_27-512_base_station_antennas [Electronic resource]. URL: http://www.selteq.com/Products/kathrein/catalog_27-5l2_base_station_antennas.pdf (viewed
16.08.18).
22. Shishlov A.V., Levitan B.A., Topchiev S.A., Anpilogov V.R., Denisenko V.V. (20l8). Multibeam antenna systems for radar and communications. Journal of radio electronics [Electronic resource]. No. 7. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jull8/6/text.pdf DOI l0.30898/l684-l7l9.20l8.7.6 (viewed l6.08.l8). (in Russian)
Information about author:
Vasily A. Golovskoy, North Caucasus branch of Moscow Technical University of Communications and Informatics, (NCB MTU CI), Senior researcher at the Department of research and innovation development, Rostov-on-Don, Russia
T-Comm ^м 12. #12-2018
