BC/NW 2010; №2 (1):6.1

 

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ КЛАССА WiMAX/LTE

Широков В.Л.

(ЗАО «ЛАНИТ», Москва, Россия)

 

Рассмотрение методологии создания сетей класса WiMAX/LTE  приобретает все большую актуальность в связи с одобрением ITU-T стандарта WiMAX для IMT-2000 и перспективами использования WiMAX 2.0 (IEEE802.16m) в мобильных сетях LTE следующего поколения.

Трафик Интернет постоянно растет, возрастают и требования к качеству обслуживания. Простой доступ в Интернет и передача данных уже не удовлетворяют пользователей. Необходимо гарантированное качество и универсальное обслуживание: высокая скорость доступа в Интернет и передачи данных, мультисервисность (наряду с данными передача голосовой и видеоинформации), мобильность (обслуживание не только фиксированных, но и «кочующих», и быстро движущихся абонентов).

Учитывая огромные территории Российской Федерации, все еще сохраняется информационное неравенство центра и регионов. Преодолению этого неравенства, обеспечению универсального обслуживания способствует создание сетей WiMAX и LTE.

В настоящее время за рубежом и в нашей стране разворачиваются сети WiMAX: создаются малые, городские, региональные и корпоративные сети широкополосного доступа, использующие технологию WiMAX, крупные операторские сети мобильного и фиксированного WiMAX, на подходе создание сетей LTE.

Сети класса WiMAX/LTE  являются сложными системами: их разработка требует высокой квалификации, но создаются они, как правило, эмпирически. Поэтому необходима определенная методология, а именно: модели, методы, методики, средства разработки, оценки, обоснованного выбора параметров систем.

Стандарты определяют несколько профилей , а поскольку оборудование  выпускается множеством компаний, оно может иметь разные характеристики. Выбор моделей оборудования WiMAX/LTE уже является нетривиальной задачей. Поэтому приходится учитывать множество факторов, таких как:

·     выделенный (или доступный) частотный ресурс;

·     топология сети (в том числе распределение абонентов);

·     качество обслуживания (лимитированные скорости, виды услуг, приоритеты);

·     бюджетные ограничения на создание сети.

В данной статье рассматривается методология, которая основывается на практическом опыте автора в создании первых в России сетей широкополосного беспроводного доступа класса WiMAX. Первая такая сеть была спроектирована и введена в эксплуатацию в августе 2000 года в г. Новоуральске Свердловской области в диапазоне 2,5-2,7 и 2,3-2,4 ГГц. С тех пор предложенная методология использована автором для системной интеграции более десятка сетей класса WiMAX, устойчиво работающих по настоящее время.

При создании сети WiMAX/LTE решается несколько основных задач (см. диаграмму на рис.1):

·     сбор исходных данных;

·     выбор оборудования, определение топологии, структуры сети;

·     расчет радиопокрытия, выбор ресурсов, оценка бюджета сети;

·     разработка сценария развертывания, бизнес-плана, оценка производительности.

 

Рис. 1. Задачи, решаемые при создании сети WiMAX/LTE

 

Перечисленные задачи взаимосвязаны:

·     если меняются оборудование, структура, топология сети, меняются радиопокрытие, ресурсы, бюджет;

·     если меняется сценарий, меняются бизнес-план, производительность сети по мере ее развертывания.

Поэтому поставленные задачи решаются итерационно.

Но первостепенной и немаловажной задачей при создании WiMAX/LTE является сбор исходных данных о создаваемой радиосети. Сбор исходных данных выполняется по самостоятельной методике и включает:

·     виды предоставляемых услуг (данные, голос, видео);

·     карту покрываемой территории, плотность и распределение абонентов;

·     количество абонентов (фиксированных, пеших, мобильных, по видам услуг);

·     присутствие конкурирующих технологий доступа (xDSL, MetroEthernet, оптика, уличный Wi-Fi), % их проникновения на рынок.

При выборе оборудования WiMAX/LTE учитываются его основные технические характеристики и стоимость, то есть его эффективность – отношение «цена/качество».

К основным техническим характеристикам WiMAX/LTE, которые необходимо учитывать в первую очередь, относятся:

·     ширина радиоканалов и частотные диапазоны;

·     чувствительность и мощность приемо-передатчиков;

·     особенности реализации радиотрактов: количество фидеров, антенн, параллельных радиоканалов, направленное формирование лучей.

Ширина радиоканалов, отношение сигнал/шум согласно пределу Шеннона лимитируют предельную пропускную способность радиооборудования.

Характеристики приемопередатчиков и радиотрактов определяют дальность передачи. При этом используются программы, которые по модели затухания радиоволн позволяют рассчитать дальность и скорость передачи в зависимости от технических характеристик WiMAX/LTE  оборудования, координат базовой и абонентской станций.

При выборе оборудования WiMAX/LTE  принимаются во внимание также характеристики базовых станций (БС):

·     количество радиоканалов (возможности по масштабированию, резервированию, горячей замене блоков);

·     конструктивное исполнение БС (внешнее, внутреннее, смешанное).

Поскольку WiMAX строится по сотовому принципу, обслуживаемая территория покрывается сетью базовых станций, связанных опорной сетью.

Максимально разрешенный радиус сот в километрах определяется категорией местности по максимальной численности населения города на обслуживаемой территории.

 

Имеется 4 категории территорий и городов по численности населения:

·     1-я категория (свыше 1 млн жителей) – максимальный радиус сот 3 км;

·     2-я категория (от 250 тыс. до 1 млн жителей) – радиус сот 6 км;

·     3-я категория (от 100 до 250 тыс. жителей) – радиус 10 км;

·     4-я категория (менее 100 тыс. жителей) – радиус 20 км.

Пропускная способность сектора базовой станции определяется шириной и количеством радиоканалов в секторе, которая должна быть достаточна для обслуживания определенного количества пользователей, находящихся на конкретной площади сектора на заданном удалении от базовой станции. Поэтому реальный радиус и структура соты (секторизация базовой станции) выбираются исходя из плотности абонентов, условий их обслуживания (необходимой скорости, активности, отсутствия/наличия прямой видимости).

При проектировании оценивается количество секторов в зависимости от диаграмм направленности, усиления антенн. В результате структура соты ‑  это, как правило, круг, треугольник, квадрат или шестиугольник. Наряду с выбором структуры сот осуществляется привязка антенн базовых станций к существующим зданиям и сооружениям, оценивается покрытие. Таким образом, после разбиения на соты, определяются координаты и высоты подвеса антенн базовых станций.

По координатам базовой станции и абонентских станций рассчитываются профили радиолиний, дальности, необходимое усиление абонентских антенн, высота их подвеса, максимальная скорость передачи.

С использованием модели системы массового обслуживания с конечным числом пользователей, находится максимально возможная (гарантированная) скорость передачи информации между БС и АС.

Для оценки радиопокрытия используется программное моделирование или натурное радиопланирование. При натурном радиопланировании проводятся базовые измерения в критически проблемных точках на местности. Для программного моделирования используются электронные карты местности, имеющие разное разрешение:

·     низкое (100-200м);

·     среднее (20-30м);

·     высокое (≤5м).

Оптимальное разрешение в диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц составляет ~50λ, где λ – длина радиоволны. Как правило, электронные карты высокого разрешения обычно имеют дискретность 2 м, в том числе учитывают:

·     застройку и габариты зданий;

·     рельеф и высоты местности;

·     растительность, свойства поверхности.

На электронной карте высокого разрешения численность населения, определяющая потенциальное число абонентов, учитывается с точностью до каждого дома. При этом учитывается материал зданий, сооружений (бетон, кирпич, металл), тип растительности (деревья, кустарники, их высота), свойства поверхности (грунт, дорога, водная гладь).

Также задается и используется топология сети:

·                    местоположение базовых станций;

·                    координаты абонентских станций.

Для расчета покрытия при моделировании на электронной карте местности используются координаты абонентских станций, местоположение и параметры базовых станций.

При расчете покрытия определяются уровни полезных радиосигналов, интерференция, запас на замирания, отношение сигнал/шум на определенной дальности. Отношение сигнал/шум используется для оценки качества обслуживания пользователей (расчета максимальной скорости и временной задержки при передаче информации).

Зная радиопокрытие и структуру сети WiMAX/LTE, можно предварительно определить бюджет. Если бюджет не удовлетворительный, выполняется другая итерация:

·                    изменяется структура и топология сети;

·                    задается другой ценовой диапазон: выбираются другие модели оборудования или другой производитель.

Если результат удовлетворительный, переходят к следующему этапу разработки и создания сети WiMAX/LTE.

При развертывании сети класса WiMAX/LTE используются различные сценарии. Выбранный сценарий задает последовательность установки, дискретность наращивания, количество, параметры сетевых элементов WiMAX/LTE:

-       секторов и базовых станций (БС) системы;

-       прямых и обратных каналов БС;

-       каналов опорной сети.

Под сценарием развертывания сети WiMAX подразумевается выбор конкретной последовательности установки сетевых элементов: базовых станций, их секторов, каналов БС и каналов опорной сети. Отдельные этапы сценария развертывания сетевых элементов WiMAX определяют изменение производительности {БС} и сети в целом.

Поскольку возможны разные последовательности развертывания элементов сети, {БС}, опорной сети, предлагается следующая обобщенная методика генерации сценариев:

1)  покрываемая местность разбивается на макросоты (кластеры), например, предельного размера (радиуса) для соответствующей категории местности [1];

2)  при разбиении рассчитываются координаты и параметры {БС}: усиление и высота подвеса антенны при заданной мощности, структуре БС и дальности (например,  на начальном этапе выбираются не секторные антенны, а с круговой диаграммой);

3)  по мере роста числа подключенных абонентов необходимо наращивать пропускную способность сети как системы массового обслуживания. Для этого производится замена круговых антенн секторными, что пропорционально увеличивает количество секторов (каналов) БС (как правило, до 3, 4, 6 и т.д.), возрастает пропускная способность системы, увеличивается производительность, уменьшаются временные задержки при обслуживании транзакций. Тем самым увеличивается количество обслуживаемых одновременно пользователей сети (активных абонентов);

4)  далее увеличивают плотность размещения БС (их количество на единицу площади), а именно: устанавливают дополнительные БС, причем соты (кластеры) с большим радиусом (дальностью) обслуживания разбиваются на соты с меньшим радиусом, для которых так же используется подход, описанный пп. 2 и 3;

5)  процедура повторяется итерационно до тех пор, пока не будет достигнута заданная производительность по обслуживанию пользователей на покрываемой территории, которая соответствует характерной для нее плотности абонентов, количеству предоставляемых услуг, числу пользователей.

В зависимости от выбранной последовательности, этапности, дискретности добавления элементов сети (узлов, секторов, радиоканалов) получаем конкретный сценарий развертывания сети WiMAX/LTE.  При этом сеть в целом и {БС} на отдельных этапах развертывания имеют фиксированную структуру, обладая определенной производительностью, которая зависит от выбранных параметров {БС} и каналов сети. При изменении структуры необходимо оперативно рассчитывать и оценивать ее производительность.

Производительность БС должна быть достаточна для охвата определенного числа абонентов и предоставления заданного объема услуг на обслуживаемой территории. Для расчета параметров БС, оценки производительности, в том числе сети WiMAX/LTE в целом используются математические модели и методы [2, 3], разработанные для систем обмена мультисервисной информацией (МСОИ).

Сеть класса WiMAX/LTE, как система типа МСОИ, используется для передачи как минимум двух видов информации. Это могут либо быть данные и голос, либо данные и видео, либо данные, голос и видео услуги одновременно. Возможны другие комбинации услуг, например, видеонаблюдение, сбор телеметрии, потоковое видео и т.д. Каждая услуга имеет свои характеристики входящего/исходящего трафика, создавая определенную нагрузку на узлы сети.

В соответствии с принципами независимости и разделения сервисных потоков расчет параметров нагрузки может выполняться раздельно для каждой услуги.

Поскольку время обслуживания в узле и время передачи в канале пропорционально длинам пакетов, каждый пакет может рассматриваться как запрос. И поэтому в качестве модели нагрузки выбрана ступенчатая функция, имеющая только два состояния (есть пакет и нет пакета) и характеризующаяся интенсивностью γ по входу/выходу сети, длиной b пакетов, периодом T_s их следования, активностью услуги или пользователя.

С другой стороны, собственно объект WiMAX типа МСОИ как модель – это сеть очередей и систем массового обслуживания, состоящая, как минимум, из двух типов активных сетевых элементов (базовых и абонентских станций, узлов) и, как минимум, из двух типов пассивных сетевых элементов (каналов БС и опорных каналов).

Узлы в зависимости от типа, состава, структуры имеют различные интенсивности μ обслуживания пакетов. Интенсивность обслуживания μ зависит от длины пакетов b и, как правило, не известна, но может быть определена по специальной методике [2, 3].

Пассивные сетевые элементы (каналы) – это направленные каналы, отличающиеся  пропускной способностью С_k (Мбит/с) в зависимости от ширины H_k канала (МГц):

                                             С_k = H_kI_m (1 - α),                                       (1)

где I_m – информативность вида модуляции (бит/Гц); α – защитный интервал между смежными каналами.

Для расчета и оценки производительности базовых станций WiMAX, как моделей систем с конечным числом источников нагрузки N на входе, используются соотношения Шерра [4]:

                                         T₀ = (N/μ)/(1 - p₀) - 1/λ,                                  (2)

где T₀ – среднее время ответа, или время, проведенное пакетом (запросом) в узле (или системе); μ, λ – интенсивности обслуживания и трафика нагрузки соответственно; p₀ – вероятность того, что в системе нет требований:

                                      p₀ = 1/ ,                                (3)

                                                N_n = μ / λ + 1,                                         (4)

где N_n – предельное количество источников нагрузки или пользователей, находящихся в очереди и на обслуживании.

Как правило, интенсивность m  обработки трафика в узлах WiMAX величина неизвестная. Методика получения интенсивностей m обработки трафика узлами основывается на следующей методике:

1)  собирается схема, приведенная на рис. 2, которая состоит из 1-канальной базовой станции и одной или нескольких абонентских станций;

2)  к базовой станции и абонентским станциям подключаются компьютеры со специальными тестирующими программами;

3)  варьируется ширина H_k канала, модуляция M_k, скорость V_k кодирования, длина b пакетов, интенсивность γ=λ/n(1+o), имитирующая нагрузку, где o – коэффициент, учитывающий оверхед (избыточность), n – количество одновременных потоков;

4)  выполняется необходимое количество измерений, обеспечивающих требуемую точность и достоверность результата;

5)  фиксируются значения {m_j} в зависимости от длины {b} пакетов, интенсивности {γ,l} нагрузки, направления передачи.

Рис. 2. Схема измерений временных параметров базовых элементов МСОИ

Используя рассчитанные значения интенсивностей μ и λ, ограничения канала C_k по пропускной способности и предельной задержке T₀, с учетом структуры БС, рассчитываются и оцениваются параметры производительности N и T₀ узлов WiMAX/LTE.

Производительность сетевого элемента или канала системы определяется как количество n_a активных (обслуживаемых) пользователей или предоставляемых одновременно услуг за определенный временной период T.

Второй параметр производительности, временная задержка τ, определяется (2) при конкретных значениях параметра производительности N и временном ограничении T₀.

Максимальным ограничением является предельное время T_n обслуживания (задержки) пакетов/запросов.

Нагрузка характеризуется интенсивностью γ внешнего трафика, поступающего в систему или сеть в единицу времени.

Интенсивность λ внутреннего трафика сети больше интенсивности γ внешнего трафика (λ > γ), поскольку пакеты/запросы могут проходить несколько узлов.

Среднее количество узлов q, посещаемых пакетами, характеризует маршрут, или его контур. Поэтому интенсивность нагрузки λ = q^.γ, определяет интенсивность трафика нагрузки внутри сети, а коэффициент загрузки ρ элементов, каналов, базовых станций WiMAX/LTE, определяется стандартной формулой  ρ = λ/μ, или  ρ = q^.γ /μ.

Предельная производительность N_n характеризует максимальные возможности системы за определенный временной период T. Для расчета и оценки производительности W(N,t) сети WiMAX используется методика, базирующаяся на расчетных соотношениях математической модели сети типа МСОИ, разработанной в [3].

Определяющим параметром производительности W(N,t) МСОИ является суммарное число N_a=активных абонентов, обслуживаемых {БС} сети S. При этом учитывается ограничение на временную задержку t < T_o обслуживания пакетов/запросов или транзакций.

Результатами расчета W(N,t) производительности по предложенным методикам является оценка числа n пакетов и задержки t при обработке пакетов в контурах (без учета нахождения пакетов в очередях).  При этом рассчитывается необходимая пропускная способность C и число K обслуживающих каналов WiMAX/LTE как системы МСОИ.

Сначала на основании исходных данных задаются начальные условия и рассчитываются пропорции нагрузки между n_t:n_v:n_d для некоторого условного канала.

Затем производятся вычисления ресурсно-временных затрат на передачу пакетов голосового трафика для этого канала с учетом физического, канального и IP уровней.

Вычисляется интенсивность l_t пакетов телефонии на MAC-уровне. Далее определяется число n_t пакетов, которые передаются одновременно при условной загрузке b_t в этом канале.  Находится интенсивность C_t обслуживания, затрачиваемая на передачу n_t пакетов телефонии.

Аналогично находится число n_t "одновременных" (активных) телефонных разговоров, аудио/видео сессий n_v (прослушиваний, просмотров контента), активных пользователей Интернет n_d при рабочей нагрузке на систему WiMAX/LTE типа МСОИ.

Расчетные значения пиковой производительности МСОИ определяются как максимальная при пиковой нагрузке без учета ограничений на временные задержки.

Предельная производительность системы обмена находится при коэффициенте загрузки ρ одного или нескольких узлов или каналов, приближающемся к 1 и при ограничении на временную задержку.

Определяются интенсивности C_v, C_d. Рассчитывается доля пропускной способности C_v+d канала на передачу аудио/видео информации и обмен данными. Находится число n_v пакетов, которые могут быть переданы одновременно при условной загрузке b_v в рассматриваемом канале. Аналогично определяются значения n_v, b_v.

Основным параметром системы является ее временная задержка t обработки (и/или передачи) информации, причем без учета нахождения в очередях.  Задержка t  определяет параметры производительности МСОИ: рабочую, пиковую и предельную.

Полностью методики расчета и оценки параметров производительности систем типа МСОИ (сетей класса WiMAX/LTE) рассмотрены в [2-3].

Полученные результаты расчета параметров производительности, используются так же для оценки стоимости базовой инфраструктуры сети WiMAX/LTE.

В работе [2] разработан алгоритм расчета стоимости D(S) сети класса МСОИ. Расчет выполняется с учетом структуры S, изменяющейся в соответствии со сценарием развертывания {БС}, их преобразованием в структуру S', удовлетворяющую ограничению:

                                                 |B-D(S')|< e,                                           (5)

где B – бюджет; D – стоимость варианта структуры S'; e – требуемая точность.

Задержка t обработки информации может быть снижена за счет уменьшения длины b пакетов.  Однако при этом увеличиваются удельный вес накладных расходов, связанный с передачей служебной информации, в результате снижается интенсивность m обслуживания трафика. Длинные пакеты b, напротив, увеличивают задержку t обработки других пакетов. Поэтому максимальная задержка t_max обслуживания пакетов может быть превышена и превышено допустимое время T_o отклика (ответа, реакции) системы.

Анализ параметров и выбор результатов расчета по выбранному варианту структуры S' осуществляется по максимуму производительности max W(N,t) и минимуму задержки t_min (6).  Чем выше коэффициент загрузки системы ρ, тем производительность W(N,t) ближе к предельной N_n, но тем выше и временные задержки τ. Они возрастают и могут превысить предельную величину τ > T_n.

По общей пропускной способности C, ширине H полосы радиочастот определяется количество K_n, K_o прямых и обратных каналов, необходимых для квазиодновременной передачи пакетов через систему обмена WiMAX/LTE типа МСОИ.

Производится перерасчет функциональных ресурсно-временных параметров производительности, находятся фактические значения: количество N=|_q=U(d,t,v) обслуживаемых абонентов и задержки Θ=|_q=U(d,t,v) пакетов/запросов или транзакций в сети.

Структура оборудования WiMAX/LTE типа МСОИ определяет количество необходимых аппаратных элементов системы в зависимости от их исполнения:

-       количество периферийных узлов (абонентских модемов, или абонентских станций);

-       число канальных интерфейсных карт {БС} (станций);

-       количество вспомогательных канальных элементов (антенн, кабелей или фидеров).

Для различных вариантов структуры рассчитывается стоимость оборудования (капитальные затраты, CAPEX), оцениваются параметры производительности и сравниваются показатели стоимость/произво-дительность полученных вариантов.  В целом минимизация стоимости сети WiMAX/LTE типа МСОИ выполняется путем оценки стоимости оборудования в зависимости от вариантов структурного построения S_c каналообразующего и распределительного оборудования системы.

Формат доклада не позволяет рассмотреть все аспекты методологии более подробно. Детально можно ознакомиться по материалам, представленным в списке литературы.

 

Выводы по предложенной методологии

1.   Модель сетевой нагрузки и модель производительности, а также расчетные соотношения, использованные в отдельных методиках, позволяют сформировать общие этапы методологии создания сети WiMAX/LTE, расчета пропускных способностей, выбора вариантов структуры, параметров МСОИ.

2.   Предлагаемая методология базируется на методе контуров, что позволяет при расчете учитывать влияние нескольких видов трафика мультисервисной нагрузки на каналы МСОИ (WiMAX/LTE), на базовые и абонентские станции.

3.   Разработанная методология позволяет рассматривать выбранную среду передачи между множеством {N} абонентов сети и множеством {Y} узлов, соединенных каналами, как один модельный узел с заданными характеристиками.  Производительность такого узла зависит от временной задержки t  и числа K каналов МСОИ.

4.   Возможность представления многопараметрического объекта WiMAX/LTE типа МСОИ одним модельным узлом доказывает универсальность и переносимость методологии, базирующейся на разработанных моделях и методах.

5.   Разработанная методолгия показывает, что соотношения математической модели [2] можно выстроить в логически непротиворечивую последовательность, в которой результат вычисления одного блока обеспечивает все необходимые исходные данные для выполнения расчетов в последующем блоке (блоках).

6.   Оптимизация структуры и параметров базовых станций и опорных каналов WiMAX/LTE обеспечивает минимизацию общей стоимости владения (TCO – Total Cost Owner), устойчивость функционирования сети, необходимую производительность, достаточную для облуживания заданного числа абонентов и услуг.

 

ЛИТЕРАТУРА

1.     Широков В. Методология создания сетей класса WiMAX.
Части 1, 2 // Технологии и средства связи. 2010. № 1 и 2.

1.     Широков В.Л. Разработка моделей и методов для оценки и выбора параметров мультисервисных систем обмена информацией: Автореф. и дис. на канд. техн. наук – М.: МЭИ (ТУ), 2006.