Исследование и разработка метода расчета пропускной способности радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи

Актуальность проблемы. Одной из тенденций начала XXI века является перераспределение информационных потоков речевой информации в пользу сетей подвижной радиотелефонной связи (СПР). Предполагается, что к 2005 году в Европе будет 200 млн. мобильных абонентов при темпах роста 60% в год. К концу 2000 года в Российской Федерации насчитывалось 3,2 млн. мобильных абонентов, что соответствует 150% росту за год.

Особенностью существующих СПР общего пользования Российской Федерации является параллельная работа систем различного технологического уровня в отведенных полосах частотного диапазона, а также значительное тяготение к телефонным сетям связи общего пользования (ТФОП). Для реализации радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи предназначены транковые системы радиального действия. Отличием транковых систем от других систем мобильной связи является реализация таких специальных услуг как диспетчерский вызов, групповой вызов с возможностью изменения состава группы, вызов в чрезвычайных ситуациях, передача коротких сообщений, а также обеспечение связи между пользователями в полудуплексном режиме, что повышает эффективность использования радиодиапазона.

В последних разработках цифровых транковых систем обеспечивается сквозная защита информации, повышены конфиденциальность и качество воспроизводства речи, реализованы дополнительные услуги, увеличено число разговорных каналов (каналов трафика) в радиоинтерфейсе, что позволяет перейти к дуплексному режиму связи, рекомендованному Министерством связи Российской Федерации для взаимодействия с ТФОП. За последние два года цифровые транковые системы общего доступа (PAMR — Public Access Mobile Radio), помимо служб общественной безопасности и муниципальных служб, развернуты в зарубежных аэропортах и на крупных предприятиях. По уровню услуг и качеству связи цифровые транковые системы TETRAII признаны конкурентноспо-собными относительно сетей универсальной телекоммуникационной системы третьего поколения UMTS/IMT-2000.

Новые технические решения в оборудовании цифрового стандарта DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) существенно увеличили число каналов трафика в радиоинтерфейсе. Стандарт DECT предназначен для реализации офисных систем связи в условиях высокой плотности абонентов, обеспечивает мобильность пользователей в производственных и жилых помещениях, облегчает монтаж и изменение структуры компьютерных сетей.

Выход на ТФОП в аналоговых транковых системах имеет незначительное число абонентов, внутрисистемный трафик достигает 95%. Для сравнения — доля внутрисистемного трафика в сотовых системах мобильной связи лишь в исключительных случаях поднимается до 15% от общего объема трафика. Операторы связи, использующие оборудование цифровых транковых стандартов и стандарта DECT, конкурируют с сотовыми сетями, предоставляя своим абонентам услугу доступа к ТФОП. Внутренний трафик цифровых систем учрежденческой и диспетчерской связи может снижаться до 50% и менее.

Качество обслуживания в СПР традиционно определяется такими показателями как отношение сигнал/шум, разборчивость речи, вероятность искажений при передаче речи и данных. Общий ресурс каналов трафика в радиоинтерфейсе предоставляется пользователям в режиме ожидания. Представление радиотелефонных систем учреж-денческой и диспетчерской связи в виде систем массового обслуживания (СМО) позво-ляет оценить их пропускную способность, выявить причины отказов в обслуживании.

Целью диссертации является исследование и разработка метода расчета пропускной способности радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи, учитывающего особенности перехода к дуплексному режиму связи, дисциплину обслуживания с ожиданием, принципы организации управления, соотношение между внутренним и внешним трафиком, а также характеристики конкретных стандартов связи. Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи: анализ характеристик стандартов радиотелефонной связи, перспективных для реализации цифровых систем учрежденческой и диспетчерской связиразработка математической модели функционирования системы учрежденческой и диспетчерской связи, учитывающей ограниченное время ожидания обслуживания в радиоинтерфейсе и возможность отказа в пучке каналов связи, на который направляются вызовы к телефонной сети общего пользованияразработка компьютерных программ расчета вероятности потерь по вызовам и пропускной способности транковых систем связиразработка метода расчета пропускной способности учрежденческих и диспетчерских систем связи, учитывающего особенности обслуживания абонентов в полудуплексном и дуплексном режимах, различие в интенсивности обслуживания внутренних и внешних вызовов, степень замыкания внутренней нагрузкиразработка имитационной модели функционирования радиотелефонной системы связи, учитывающей особенности перспективного для транковых систем. дуплекс-ного режима обслуживания абонентов.

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, теории телетрафика, вычислительной математики и программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана математическая модель радиотелефонной системы учрежденческой и диспетчерской связи, представленной как двухфазная система массового обслуживания с разным числом прибором на каждой фазе, возможностью замыкания нагрузки в пределах первой фазы и ограниченным временем нахождения заявок на обслуживание в системе. Фазы соответствуют радиоинтерфейсу и интерфейсу с телефонной сетью общего пользования. Разработанная математическая модель отличается тем, что учитывает возможность отказа абонентов от обслуживания при продолжительном ожидании, степень замыкания внутренней нагрузки;

— разработан метод расчета пропускной способности учрежденческих и диспетчерских систем мобильной связи, учитывающий состав абонентов, особенности использования дуплексного и полудуплексного режимов связи, различие в интенсивности обслуживания внешних и внутрисистемных вызовов, особенности включения диспетчерских служб;

— разработаны рекомендации по обоснованию емкости радиоинтерфейса и емкости пучка каналов связи между радиотелефонной системой и телефонной сетью для широкого диапазона изменения замыкания внутренней нагрузки, учитывающие характеристики аналоговых и цифровых стандартов радиотелефонной связи.

Основные положения, выносимые на защиту:

— формализация процесса поступления и обслуживания радиотелефонных вызовов в виде двухфазной системы массового обслуживания с разным числом прибором на каждой фазе, возможностью замыкания нагрузки в пределах первой фазы и ограниченным временем нахождения заявок на обслуживание в системе позволяет адекватно описать функционирование радиотелефонной системы учрежденческой и диспетчерской связи;

— метод расчета пропускной способности радиотелефонных систем учрежден-чес-кой и производственной связи, основанный на разработанной математической модели, позволяет рассчитать вероятность потерь по вызовам, обосновать емкость радиоинтерфейса и емкость пучка каналов для сопряжения с телефонной сетью;

— разработанный метод расчета пропускной способности радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи позволяет обосновать допустимое число абонентов в системе с учетом включения диспетчерских групп и использования различных режимов связи, обеспечивает решение задач проектирования новых систем связи и исследование функционирования действующих транковых систем;

— имитационное моделирование подтвердило достоверность и адекватность результатов математической модели для цифровой транковой системы.

Личный вклад. Теоретические и практические исследования, расчеты и проведенное моделирование на ЭВМ, а также полученные из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации математическая модель функционирования радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи позволяет исследовать зависимость вероятности потерь по вызовам от структурных параметров систем, используемых режимов связи и степени замыкания внутренней нагрузки. Метод расчета пропускной способности радиотелефонной системы связи может быть использован для определения допустимого числа абонентов в системе при заданной величине потерь. Разработанная методика позволяет обосновать выбор емкости пучка каналов для включения цифровой транковой системы в телефонную сеть общего пользования.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе кафедры СУ ГТС МТУСИ, а также в работе АО «Межрегиональный Транзит Телеком», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на Международном форуме информатизации МФИ-2000 «Коммуникационные технологии и сети» (Москва, ноябрь 2000 г.), на Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава МТУСИ (Москва, февраль 2001 г.), на заседаниях кафедры систем управления городских телефонных сетей МТУСИ.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 13 опубликованных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Она включает 97 страниц машинописного текста, 43 рисунка, 35 таблиц, 3 приложения.

Список литературы

включает 108 наименований.

— 1714.5. Выводы.

1. Разработана методика обоснования емкости пучка каналов на участке сопряжения цифровой транковой системы с городской телефонной сетью.

На основе расчетов различных цифровых транковых систем установлено, что: введение дуплексного режима обслуживания для всех абонентов системы снижает пропускную способность систем и допустимое число абонентов в 1,5−2,0 разадля систем с дуплексным режимом обслуживания следует проводить расчеты Идол для наименьших предполагаемых значений замыкания нагрузки (например, при величине к близкой к нулю) — для систем с полудуплексным режимом обслуживания следует проводить расчеты Ыдоп для наибольших предполагаемых значений замыкания нагрузки (например, при величине к близкой к единице).

2. Произведены расчеты и получены результаты для наиболее сложных условий работы системы ACTIONE!, когда она используется в качестве удаленного абонентского модуля для подключения обычных абонентов и их обслуживания в дуплексном режиме. Полученные результаты могут служить основой для разработки рекомендаций по включению транковой системы заданной емкости.

3. Произведены расчеты для офисных систем стандарта DECT. Для системы EUROTEL — 5000 к ГТС установлено, что: увеличение в два раза числа линий связи с ГТС (с четырех линий до восьми) позволяет увеличить допустимую удельную нагрузку на абонента в б разимеется область значений коэффициента замыкания нагрузки копт, в которой достигается наибольшее значение Nдoп при фиксированных потерях по вызовам в системе, не превышающих 0,005. Эта область близка к величине к =0,5.

Произведены расчеты для новых разработок систем связи стандарта DECT, которые могут включаться в городские телефонные сети по цифровым соединительным линиям с использованием потоков El. Полученные зависимости позволяют давать оценку изменения пропускной способности системы DECT в зависимости от изменения состава абонентов или от изменения степени замыкания нагрузки.

— 172.

Существуют области значений коэффициента к, для которых функционирование системы будет оптимальным, а именно Ыдоп будет максимально возможным в данных условиях использования. При к =0,1 величина Мдоп прямо пропорционально зависит от числа линий на стыке с ГТС и. Это объясняется тем, что качество обслуживания всей системы определяется, в основном, второй фазой обслуживания, то есть числом линий на стыке «система связи — ГТС». При к =0,5 прямо пропорциональная зависимость Мдоп от числа линий на стыке с ГТС и имеет место при и < 60. Если и =90 или 1) =120, при к =0,5 величина Мдоп практически не зависит от числа линий на стыке с ГТС и. При к =0,9 величина Ндоп практически не зависит от числа линий на стыке с ГТС и, то есть качество обслуживания вызовов в системе определяется только первой фазой. Соответственно, продолжительность ожидания обслуживания будет влиять на качество обслуживания только при значениях коэффициента замыкания нагрузки, близких к единице. 4. Результаты статистического моделирования, выполненные на персональном компьютере, и их сравнение с результатами теоретических расчетов показали, что расчетные значения хорошо согласуются с результатами эксперимента, их отклонения друг от друга не превышают 10% с доверительной вероятностью 0,95.

Заключение

.

Диссертация посвящена разработке и исследованию метода расчета пропускной способности радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи в условиях перехода к дуплексному режиму связи на базе цифровых транковых систем.

1 .Анализ тенденций развития систем и стандартов радиотелефонной связи показал, что современные цифровые транковые системы согласованы с новой концепцией сетей третьего поколения иМТ5/1 МТ-2000, отличаются повышенной емкостью радиоинтерфейса, поддерживают широкую номенклатуру услуг для учрежденческой и диспетчерской связи, позволяют перейти от традиционного полудуплексного режима связи к дуплексному режиму. Актуальной проблемой является разработка метода расчета пропускной способности радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи в условиях включения в транковые системы коммерческих пользователей, имеющих доступ к телекоммуникационным сетям общего пользования.

2. Для описания функционирования радиотелефонной системы связи была разработана математическая модель, учитывающая ограниченное время ожидания обслуживания вызова, степень замыкания внутрисистемной нагрузки, различие в интенсивности обслуживания внешних и внутрисистемных вызовов. Радиотелефонная система связи представлена в виде совокупности двух последовательно расположенных систем массового обслуживания: радиоинтерфейсу соответствует полнодоступная СМО вида М/МЛ/ЛЛ/1 с ограниченным ожиданием вызовов в системепучку каналов связи с телефонной сетью поставлена в соответствие полнодоступная СМО вида М/М/и с отказами. Модель позволяет решать задачи определения пропускной способности радиотелефонных систем различных стандартов с учетом их характеристик, а также с учетом возможного регулирования продолжительности разговоров и времени ожидания.

3.Разработан метод расчета пропускной способности транковых радиотелефонных систем учрежденческой и диспетчерской связи. Разработанный метод отличается тем, что позволяет учесть особенности перехода от полудуплексного режима связи, обеспечивающего высокую эффективность использования радиодиалазона транковыми системами, к дуплексному режиму связи, перспективному для цифровых транковых систем TETRA и систем цифрового стандарта DECT, ориентированных на взаимодействие с телефонной сетью общего пользования.

4. Расчет аналоговых и цифровых транковых систем позволил установить: дисциплина обслуживания вызовов с ожиданием является неотъемлемой особенностью радиотелефонных систем, однако продолжительное ожидание не обеспечивает гарантированного обслуживания. Допустимое число абонентов Ыдоп возрастает прямо пропорционально росту числа каналов трафика в радиоинтерфейсе и практически не зависит от интенсивности ухода вызовов из системы v =1/ 1ож. Значительные задержки в обслуживании вызовов являются признаком выхода из стационарного режима и определяют необходимость анализа характеристик всей системывведение дуплексного режима обслуживания для всех абонентов радиотелефонной системы снизит ее пропускную способность в 1,5−2,0 раза. Аналоговые транковые системы не припособлены к дуплексному режиму связи. По сравнению с аналоговыми транковыми системами, допустимая абонентская емкость цифровых систем может даже снижаться, если переход от полудуплексного режима к дуплексному режиму будет сопровождаться ростом продолжительности разговоровдоля внешних вызовов при коммерческом использовании цифровых транковых систем неуклонно растет. Внешние вызовы проходят две последовательные фазы обслуживания — радиоинтерфейс и интерфейс выхода на телефонную сеть. Для обслуживания внутрисистемных и внешних вызовов с одинаковым качеством следует соблюдать соотношение: потери на второй фазе (выход к ТФОП) должны быть существенно меньше потерь в радиоинтерфейсе.

5. Разработана методика обоснования емкости пучка каналов на участке сопряжения радиотелефонной системы с городской телефонной сетью. Применительно к аналоговой транковой системе ACTIONET, рассчитанной на коммерческое использование (к:<0.50), выделение двух цифровых линий ИКМЗО является обязательным условием высокой пропускной способности системы. При к=0,8.0,95 достаточно выделять одну линию ИКМ. Если число каналов трафика в радиоинтерфейсе меньше.

— 175.

30, следует рассматривать возможность использования цифровых средств удаленного доступа.

Анализ офисных систем стандарта DECT показал, что имеется область значений коэффициента замыкания нагрузки копт*0,5, в которой достигается наибольшее значение Мдоп. Пропускная способность таких систем определяется только емкостью пучка каналов для выхода на телефонную сеть общего пользования.