METHODS TO CONTROL THE LOADING OF AN UPLINK LINE IN A MOBILE RADIO NETWORK

Full Text

Введение В [1] было показано, что реализация автоматизированной опорно-транспортной сети связи (АОТСС) для сети подвижной радиосвязи, является необходимым условием построения целостной взаимоувязанной сети, обеспечивающей потребителей качественными услугами. В то же время наличие в такой сети подсистемы радиосвязи ставит на этапе проектирования не менее важную задачу, заключающуюся в максимизации пропускной способности радиосегмента сети. Относительно высокий уровень помех может повлиять на зону покрытия сот и качество предоставляемых услуг (Quality of Service - QoS). Таким образом, параметры QoS, емкость и покрытие радиосегмента существенно ухудшается. Кардинальным решением этой проблемы могло бы быть использование на базовых станциях цифровых антенных решеток (smart-антенн) [2]. Однако такой путь требует обновления оборудования и определенных финансовых затрат. Поэтому в качестве альтернативного решения предлагается использовать особую функцию управления загрузкой, обеспечивающую управление трафиком в соте в случае использования технологии WCDMA [3]. Функция управления загрузкой стремится максимизировать пропускную способность сети, обеспечивая при этом зону покрытия и QoS, а также контролируя ключевые ресурсы, такие как мощность, число каналообразующих кодов нисходящей линии связи, число канальных элементов (CE), и количество ресурсов Iub-интерфейса, которые непосредственно влияют на работу пользователей. Каждая сота имеет свой собственный набор функций управления загрузкой, которые отвечают за мониторинг и контроль ресурсов соты. Функции управления загрузкой следят за состоянием нагрузки на соту через измерение уровня загрузки, и принимают решение о предоставлении услуги с помощью функций интеллектуального контроля доступа и управления принимаемым вызовом. Все это позволяет уменьшить перегрузки в соте. Целью данной работы является исследование функций управления загрузки соты, а также алгоритмов, позволяющих оптимизировать нагрузку на соту. Функции управления загрузкой соты при различных сценариях В зависимости от фазы доступа абонентского устройства (User Equipment - UE), используются различные функции управления загрузкой - см. рис. 1. Рис. 1. Функции управления загрузкой в зависимости от фазы доступа UE Управление загрузкой осуществляется в контроллере радиосети (Radio Network Controller - RNC) после получения отчета с измерениями от базовой станции (NodeB), см. рис. 2. Рассмотрим каждую функцию, представленную на рис. 1. Перераспределение пользователей (Potential User Control - PUC). Данная функция используется для балансировки трафика пользователей среди сот, работающих на разных частотах. RNC изменяет выбранную соту, перевыбирает параметры, и передает их по каналу сигнализации. Таким образом, абоненты распределяются на менее нагруженные соты. Рис. 2. Общий процесс управления загрузкой в сети Интеллектуальный контроль доступа (Intelligent Access Control - IAC) и контроль приема запросов (Call Admission Control - CAC). Функция IAC заключается в увеличении вероятности успешного соединения с текущим гарантированным QoS. Функция CAC в зависимости от состояния ресурсов соты решает, следует ли принимать новые запросы ресурсов от UE, такие как: доступ, реконфигурация и запрос хэндовера. Перераспределение загрузки: между частотами (Inter-Frequency Load Balancing Based on Configurable Load Threshold - CLB), между сотами на одной частоте (Intra-frequency Load Balancing - LDB), в состоянии, близком к перегрузке соты (Load Reshuffling - LDR), при перегрузке соты (Overload Control - OLC). Функция CLB инициирует процедуру балансировки загрузки между частотами, когда сота не перегружена, обеспечивая балансировку загрузки между сотами. Эта функция поддерживает внутричастотную и межчастотную балансировку загрузки. CLB может предшествовать функции LDR, то есть контроллер может выполнять распределение загрузки между частотами, прежде чем сота будет перегружена. Функция LDB нужна, чтобы сбалансировать загрузку между соседними сотами одной частоты, чтобы обеспечить лучшее использование ресурсов. Когда загрузка соты увеличивается, покрытие соты уменьшается, чтобы не было перегрузки. Когда загрузка соты уменьшается, покрытие расширяется таким образом, чтобы принять часть трафика из соседних сот [4]. Функция регулировки LDR нужна для того, чтобы уменьшить загрузку сот, когда сота переходит в состояние перегрузки. Цель LDR состоит в том, чтобы увеличить процент успешных соединений путем следующих мер: перераспределение кодов, загрузка соседних сот с помощью межчастотных хэндоверов, снижение скорости обслуживания, пересмотр QoS для неконтролируемых услуг в режиме реального времени. Функция OLC быстро снижает загрузку соты, когда она перегружена. Целью OLC является обеспечение стабильности системы и QoS большинства UE, одним из следующих способов: - ограничение транспортного формата (TF) услуг класса Best Effort (BE); - переключение услуг BE на общие каналы; - регулировка максимальной мощности передачи; - освобождение некоторых каналов радиодоступа. Все функции работают на основе измерений загрузки соты. Процесс измерения мы рассмотрим в следующем разделе. Измерение загрузки соты Измерение загрузки реализуется в NodeB. Фильтрация измеряемых величин реализуется в NodeB и RNC. Основные измеряемые величины: - RTWP (Uplink Received Total Wideband Power) - полная принимаемая мощность в восходящей линии; - TCP (Downlink Transmitted Carrier Power) - мощность несущей в нисходящей линии; - Non-HSPA power - TCP, за вычетом мощности каналов высокоскоростной пакетной передачи HSPA (High Speed Packet Access); - PBR (Provided Bit Rate) - битрейт в канале транспортного уровня HS-DSCH (High-Speed Downlink Shared Channel) [5]; - PBR в улучшенном выделенном канале E-DCH (Enhanced Dedicated Channel); - RSEPS (Received Scheduled E-DCH Power Share) - мощность планировщика канала E-DCH в обслуживающей соте; - минимальная требуемая мощность необходимая для обеспечения GBR в канале HS-DSCH; - общая загрузка восходящей линии связи: сумма измерений по R99, HSUPA и каналов управления. Измерение этого параметра зависит от аппаратных характеристик NodeB; - минимальная загрузка восходящей линии связи: сумма измерений по R99, HSUPA GBR и каналов управления. Измерение этого параметра зависит от аппаратных характеристик NodeB. При помощи NodeB измеряют основные величины, связанные с управлением загрузкой. После фильтрации уровня 1 и уровня 3, измеренные значения передаются в RNC через сообщение «COMMON MEASUREMENT REPORT». Функция RNC выполняет фильтрацию измеренных значений, полученных из NodeB, а затем получает готовые значения, которые в дальнейшем служат в качестве входных данных для алгоритмов управления загрузкой [6-7]. RNC вычисляет фактическую загрузку восходящей линии связи на основе отфильтрованных значений RTWP, по общей загрузке восходящей линии связи (см. рис. 3, верхний график) и минимальной загрузке восходящей линии связи (рис. 3, нижний график). Текущая загрузка восходящей линии связи является одним из главных факторов для применения алгоритмов управления загрузкой. Рис. 3. Общая и минимальная загрузка восходящей линии связи Обработка результатов измерений На рис. 4 показана модель измерения на физическом уровне, в соответствии с 3GPP 25.302. Рис. 4. Модель измерения на физическом уровне Обозначения на рис. 4: A - значение выборки измерений; B - значение измерения после фильтрации на уровне 1; C - значение измерения после фильтрации на уровне 3; Cʹ - еще одно измеренное значение (если таковое имеется) для оценки измерения; D - итоговый результат измерения. Уровень 1 не стандартизирован протоколами и зависит от поставщика оборудования. Фильтрация 3 уровня стандартизирована. Эффект фильтрации контролируется на более высоком уровне. К уровню 3 применяется так называемая альфа-фильтрация, которая рассчитывается по следующей формуле: (1) где - новая величина измерения после фильтрации; - последнее значение измерения после фильтрации; - новое значение измерения с физического уровня; , - коэффициент фильтра, который задается в зависимости от выбранного алгоритма и изменяется в пределах от 0 до 19. Чем больше значение этого параметра, тем сильнее эффект сглаживания и выше способность борьбы с замираниями, но хуже способность отслеживать изменение сигнала. Более детально данный параметр рассмотрен в [8]. После того как RNC получает отчет об измерениях, он фильтрует значения измерений, используя метод окон сглаживания [9]. Если предположить, что сообщалось измеренное значение Qn и что длина окна сглаживания равна N, то измеренное значение фильтруется по формуле: . (2) Различную длину окна сглаживания и время измерения для PUC, CAC, LDR и OLC должен обеспечивать LDM, чтобы получить корректные отфильтрованные значения. Например, функция CLB имеет такую же длину сглаживающего окна, как и функция LDR. В таблице 1 показаны значения длины окна сглаживания в зависимости от применяемой функции. Таблица 1. Рекомендуемые значения длины окна сглаживания Функция Рекомендуемое значение длины окна сглаживания PUC 6 CAC 5 LDB 32 LDR, CLB 5 OLC 5 В следующем разделе рассмотрим один из возможных алгоритмов управления загрузкой соты. Автоматический адаптивный алгоритм обновления фонового шума В восходящей линии связи UL фоновые шумы чувствительны к условиям окружающей среды, и колебания фоновых шумов имеют негативное влияние на величину измерения RTWP. Как следствие, функция LDM запускает автоматический адаптивный алгоритм обновления для ограничения фонового шума в пределах указанного диапазона. Суть такого подхода описывается следующим образом: - если температура в помещении с оборудованием является постоянной, то фоновый шум изменяется незначительно. В этом случае фоновый шум не требует регулировки после начальной коррекции; - если температура в помещении с оборудованием изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, то фоновый шум существенно изменяется. В этом случае для ограничения фонового шума требуется автоматическое адаптивное обновление; - альфа-фильтрация рассчитывается по следующей формуле: (3) - расчет порогового значения вычисляется следующим образом: . (4) В предлагаемом автоматическом адаптивном алгоритме используется продолжительность воздействия фонового шума, значение которого устанавливается в RNC, см. рис. 5). Процедура автоматического адаптивного обновления фонового шума заключается в следующем. 1. RNC определяет счетчик и фильтр, которые используются для авто-адаптивного обновления и устанавливает начальное значение фильтра ( ) на параметр «BackgroundNoise». 2. RNC получает последнее значение измерения RTWP и общее значение загрузки восходящей линии связи с физического уровня. 3. RNC проверяет текущее время в период действия алгоритма, которое должно быть в промежутке между начальным (BGNStartTime) и конечным временем (BGNEndTime). Если текущее время находится в пределах этого интервала, то выполняется следующий условный переход: - если переключатель (BGNOptSwitch) установлен в положение OFF, Mn = {последнее значение измерения RTWP}, то алгоритм переходит к шагу 4а; - если переключатель (BGNOptSwitch) установлен в положение ON, Mn = {последнее значение измерения RTWP - общая величина загрузки восходящей линии связи}, то алгоритм переходит к шагу 4b. Если текущее время не находится в пределах вышеуказанного периода, RNC ожидает следующего значения измерения RTWP и общей величины загрузки восходящей линии связи. Измерение полной загрузки восходящей линии связи зависит от аппаратной возможности NodeB. Если нет возможности измерения общей загрузки восходящей линии связи, то обновление фонового шума не производится. Начальное значение фильтра устанавливается на текущий фоновый шум. 4а. RNC определяет, является ли текущее эквивалентное число пользователей ENU в соте больше, чем пороговое значение числа эквивалентных пользователей при использовании авто-адаптивного обновления фонового шума (BGNEqUserNumThd): - если текущий ENU больше, чем значение BGNEqUserNumThd, то RNC делает вывод, что Mn включает в себя другие шумы в дополнение к фоновому шуму, и, следовательно, не подает Mn на фильтр. Кроме того, контроллер RNC устанавливает счетчик в ноль, сохраняет текущий фоновый шум, и устанавливает начальное значение фильтра в текущее значение фонового шума. Процедура обновления фонового шума заканчивается. RNC ждет следующего значения RTWP и общую величину загрузки восходящей линии связи; - если текущее значение ENU в соте меньше или равно значению BGNEqUserNumThd, то RNC передает Mn на фильтр и выполняет следующий шаг. 4b. RNC определяет больше ли общее измеренное значение загрузки, восходящей лини связи, чем пороговое значение загрузки (BGNULLoadThd): - если последнее общее измеренное значение загрузки восходящей линии больше, чем значение BGNULLoadThd, то RNС устанавливает счетчик в ноль, сохраняет текущий фоновый шум, и устанавливает начальное значение фильтра в текущее значение фонового шума. Процедура обновления фонового шума заканчивается. RNC ожидает следующего значения RTWP и общей величины загрузки восходящей линии связи; - если последнее общее измеренное значение загрузки восходящей линии меньше или равно значению BGNULLoadThd, то RNС подает Mn на фильтр и выполняет следующий шаг. Рис. 5. Автоматический адаптивный алгоритм обновления фонового шума 5. RNC проверяет: разность |Мn - Fn - 1| меньше, чем критическое пороговое значение (BgnAbnormalThd) или нет. Если разность меньше, чем это пороговое значение, то RNC увеличивает счетчик на единицу, вычисляет Fn в соответствии с формулой альфа-фильтрации, и выполняет следующий шаг. В противном случае, RNC ожидает следующего значения RTWP. 6. RNC проверяет, достиг ли счетчик порогового значения подсчета. Если достиг, RNC выполняет следующий шаг. В противном случае, RNC ожидает следующего значения RTWP. 7. RNC проверяет: модуль разности (Fn - фоновый шум) меньше, чем значение BgnAbnormalThd или нет. Целью является избежание помех и предотвращение резкого изменения RTWP. Если данная разность меньше, чем значение BgnAbnormalThd, то RNC выполняет следующий шаг. В противном случае, RNC устанавливает счетчик в ноль и ждет следующего значения RTWP. 8. RNC проверяет: модуль разности (Fn - фоновый шум) больше, чем значение BgnUpdateThd или нет. Цель заключается в предотвращении частых обновлений фонового шума на интерфейсе Iub. Если разность больше, чем значение BgnUpdateThd, то RNC устанавливает текущий фоновый шум в Fn, устанавливает счетчик в ноль, и ждет следующего значения RTWP. В противном случае, RNC сразу устанавливает счетчик в ноль и ждет следующего значения RTWP. Заключение В данной работе были рассмотрены функции управления загрузкой соты, используемые на реальных сетях, работающих по технологии WCDMA. Был представлен и детально рассмотрен один из возможных алгоритмов управления загрузкой соты, а именно автоматический адаптивный алгоритм обновления фонового шума, обеспечивающий его ограничение в изменяющихся условиях окружающей среды. Дальнейшее направление исследований по данной тематике связано с модификацией представленного алгоритма [10]. Вектор исследования будет направлен на введение настраиваемых параметров, которые будут обеспечивать адаптивно-интеллектуальное поведение алгоритма в зависимости от состояния радиоканала [11].

About the authors

Andrey Mihailovich Severinenko

Povolzchskiy State University of Telecommunication and Informatics

Email: andrey.severinenko@gmail.com

References

Supplementary files