5. Трафик и определение размеров соты
5.1. Базовый подход.
Цель развертывания сотовой сети состоит в обеспечении требуемого трафика. Под трафиком в данном случае будем понимать абонентскую нагрузку, которую должна предоставить сотовая сеть. Эта нагрузка может быть двух типов, в зависимости от принципа организации каналов связи. При использовании коммутируемых каналов канал связи предоставляют абоненту на все время сеанса связи. Этот способ использования каналов характерен для обычной телефонии, но его применяют и при передаче данных по коммутируемым каналам. При этом канал занят независимо от того, следует ли активный этап передачи информации или пауза. Другой подход типичен для пакетной передачи данных. В том случае трафик определяют объемом переданной информации VB бит, который характеризуют скоростью передачи информации В (бит/с) и временем передачи пакетов tпак (с). Так определяют трафик при использовании технологии GPRS (General Packet Radio Service). В рамках данного курса ограничимся рассмотрением трафика по коммутируемым каналам.
Так как трафик по коммутируемому каналу определен временем занятия канала, то его характеризует временная величина, выражаемая в эрлангах. (А.К. Эрланг – датский специалист в области телефонии, работавший в 20-х годах прошлого века). 1 Эрл – это трафик, при котором канал(ы) связи занят(ы) один час в течение часа времени (рис.5.1). На рис.5.1 показано несколько вариантов трафика, когда занят как один, так и несколько каналов.
При планировании сети используют взаимосвязь между тремя величинами:
число коммутируемых каналов Nc,
трафик в Эрлангах А,
вероятность отказа в предоставлении канала в час наибольшей нагрузки (ЧНН) ротк.
Последняя величина характеризует качество обслуживания (GoS – Grade of Service) абонентов в сетях с коммутируемыми каналами. Три вышеназванные величины связаны между собой статистически при следующих принятых допущениях (см. соответствующие разделы теории массового обслуживания):
число активных абонентов в любой момент времени гораздо меньше общего числа абонентов,
относительное время занятости абонентом канала связи мало,
трафик распределен по закону Пуассона,
все абоненты имеют одинаковый приоритет,
в системе отсутствуют очереди (ожидание) при занятости всех каналов; в этом случае вызов снимают.
Формула Эрланга
(5.1)
табулирована (табл.5.1), что позволяет легко определять результат.
Рис.5.1. К определению Эрланга.
5.2. Пример расчета трафика в соте и определения числа каналов управления.
Требуется найти число абонентов, которых можно обслужить при выделении в соте 3 частотных каналов. В стандарте GSM на 3 частотных каналах можно организовать 24 физических канала, из которых NT = 22 будут использованы для передачи трафика и 2 для передачи сигнализации (каналы управления). При ротк = 0,02 и Nс = 22 получаем Ас = 14,9 Эрл. Если считать, что средняя нагрузка одного абонента А1 в ЧНН составляет 0,025 Эрл (1,5 мин в час), то допустимое число абонентов в соте
Мс = Ас/А1 = 14,9 / 0,025 = 596.
Фактически при планировании приходится решать обратную задачу: по демографическим данным и статистике вызовов определяют число абонентов в соте и требуемое число каналов. При этом следует учитывать такие факторы, как сезонность нагрузки (день и ночь, дни недели, время года), ее всплески (праздники, спортивные соревнования) и т.п.
При планировании необходимо также произвести расчеты требуемого числа каналов управления SDCCH и PCH. Каналы SDCCH используют при выполнении процедур локализации абонентов, хэндовера, прохождения вызовов, SMS (коротких сообщений) и запроса дополнительных услуг. При расчете числа каналов SDCCH следует помнить, что в нулевом TS на частоте маяка (beacon frequency) можно организовать 4 канала SDCCH/4, а при выделении для каналов SDCCH одного TS 8 каналов SDCCH/8. Поэтому наращивание каналов SDCCH идет с кратностью 8 (4). Максимальное число каналов SDCCH, создаваемых в одной соте, не может превосходить 128.
Требуемое число каналов SDCCH определяют на основе статистики вызовов, локализаций, регистраций MS в сети. Алгоритм расчета числа каналов SDCCH следующий. Пусть основную нагрузку на каналы SDCCH составляют вызовы и локализация абонента. В течение часа в ЧНН происходит 2 вызова абонента и 2 процедуры локализации. Обслуживание одного вызова занимает 7с, а процедура локализации 5с. Суммарное время обслуживания одного абонента 2·7 + 2·5 = 24с. Если в соте находятся 596 (600) человек, то сигнальный трафик по каналам SDCCH
As = 24·600/3600 = 4 Эрл.
По табл. 5.1 при ротк = 0,02 имеем:
при Ns = 8 3,62 Эрл,
при Ns = 9 4,34 Эрл.
Таблица 5.1.
-
Число каналов
Вероятность блокировки
1%
2%
3%
1
0,01010
0,02041
0,03093
2
0,15259
0,22347
0,28155
3
0,45549
0,60221
0,71513
4
0,86942
1,09230
1,25890
5
1,36080
1,65710
1,87520
6
1,90900
2,27590
2,54310
7
2,50090
2,93540
3,24970
8
3,12760
3,62710
3,98650
9
3,78250
4,34470
4,74790
10
4,46120
5,08400
5,52940
11
5,15990
5,84150
6,32800
12
5,87600
6,61470
7,14100
13
6,60720
7,40150
7,96670
14
7,35170
8,20030
8,80350
15
8,10800
9,00960
9,65000
16
8,87500
9,82840
10,50500
17
9,65160
10,65600
11,36800
18
10,43700
11,49100
12,23800
19
11,23000
12,33300
13,11500
20
12,03100
13,18200
13,99700
21
12,83800
14,03600
14,88500
22
13,65100
14,89600
15,77800
23
14,47000
15,76100
16,67500
24
15,29500
16,63100
17,57700
25
16,12500
17,50500
18,48300
26
16,95900
18,38300
19,39200
27
17,79700
19,26500
20,30500
28
18,64000
20,15000
21,22100
29
19,48700
21,03900
22,14000
30
20,33700
21,93200
23,06200
31
21,19100
22,82700
23,98700
32
22,04800
23,72500
24,91400
33
22,90900
24,62600
25,84400
34
23,77200
25,52900
26,77600
35
24,63800
26,43500
27,69100
36
25,50700
27,34800
28,64700
37
26,37800
28,25400
29,58500
38
27,25200
29,16800
30,52600
39
28,12900
30,08100
31,46800
40
29,00700
30,99700
32,41200
Очевидно, что можно ограничиться 8 каналами SDCCH, для чего необходимо выделить 1 TS. Таким образом, первоначальное распределение физических каналов (из 24 один канал для общей сигнализации и 1 канал для индивидуальной по каналам SDCCH) подтверждено расчетом.
В приведенном расчете не учтена дополнительная нагрузка на каналы SDCCH в связи с передачей SMS. Современные контроллеры базовых станций позволяют при необходимости динамически увеличивать число каналов SDCCH за счет каналов трафика.
Расчет требуемого числа каналов пейджинга производят следующим образом. Одно сообщение пейджинга по каналу РСН содержит от 1 до 4-х сообщений (TMSI) на блок, в среднем, 3 сообщения. При каждом вызове абонента требуется в среднем 2 сообщения пейджинга. При вызове одного абонента дважды в час ему передают 4 сообщения. Тогда по одному каналу пейджинга в час можно обслужить
3600·3 / (0,235·4) = 11500 абонентов.
Если в соте находятся 600 абонентов, а зона состоит из 20 сот (12000 абонентов), то двух (а фактически 3-х) каналов пейджинга достаточно для передачи сигналов пейджинга и сигналов разрешения MS на доступ к системе.
В приведенном примере расчета не был учтен пакетный трафик, передаваемый по каналам GPRS. Фактически этот трафик увеличивает нагрузку сети, что требует выделения дополнительных каналов для обслуживания абонентов. Сейчас в большинстве сетей используют динамический алгоритм выделения канального ресурса для передачи пакетного трафика. Распределение каналов и их конфигурация показаны на примере (рис. 5.2). Здесь в соте используют 2 частотных канала. По первому (TRX1) передают только трафик с коммутацией каналов (телефонный) и сигнальный трафик, а по второму (TRX2) совместно трафик с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. По умолчанию для GPRS зарезервировано 4 канала (4 TS Default GPRS Capacity), подключение которых происходит без дополнительной задержки. Из них 2 канала (Dedicated GPRS Capacity) "держат" только для пакетного трафика и не используют для передачи трафика с коммутацией каналов. Кроме того, еще 3 TS могут быть выделены для передачи пакетного трафика дополнительно (Additional GPRS Capacity), если позволяет нагрузка по телефонному трафику. В любом случае телефонный трафик является более приоритетным по отношению к пакетному.
Рис.5.2. Распределение каналов в сетях с GPRS.
На рис.5.3. приведена диаграмма выделения канального ресурса во времени, когда 1 TS зарезервирован для GPRS, а 6 можно динамически использовать для передачи как трафика с коммутацией каналов, так и пакетного.
Рис.5.3. Адаптивное предоставление каналов в сетях с GPRS.