Исследование и разработка модели и алгоритмов MAC- и физического уровней сетей WiMAX тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат наук Артур Джозеф Квеку

• Артур Джозеф Квеку
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Артур Джозеф Квеку

ВВЕДЕНИЕ

1 КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ

1.1 Стандартизация качества

1.1.1 Международная стандартизация требований к качеству услуг связи

1.1.2 Ганская система стандартизации и контроля качества

1.1.3 Система показателей, применяемая в Ганской стандартизации качества

1.2 Обеспечение качества обслуживания в сетях 3-го поколения

1.3 Качественные показатели и их обеспечение в сетях LTE

1.4 Выводы

2 АНАЛИЗ АРХИТЕКТУРЫ СЕТЕЙ WIMAX И МЕХАНИЗМОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ

2.1 WIMAX как предмент исследования

2.2 Технология и архитектура сетей WiMAX

2.2.1 Общая модель стандарта широкополосного доступа IEEE

2.2.2 Структура фрейма стандарта IEEE

2.2.3 МАС-уровень стандарта IEEE

2.2.4 Физический уровень стандарта IEEE

2.3 Качество обслуживания в сетях WiMAX

2.3.1 Механизмы обеспечения качества обслуживания в сетях WiMAX для различных видов трафика

2.4 Планирование кадра и управление потоками обслуживания в сетях WiMAX

2.4.1 Механизмы планирования передачи пакетов

2.4.2 Механизмы распределения полосы

2.5 ВЫВОДЫ

3 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАДЕРЖКИ ДОСТУПА К ИНТЕРВАЛУ ЗАПРОСА ПОЛОСЫ В СЕТЯХ WIMAX

3.1 Спецификация беспроводных MAN-SC PHY

3.1.1 Обзор

3.1.2 Планирование кадра WiMAX

3.1.3 Поддерживаемая длительность кадра

3.2 DL PHY (Среда передачи вниз)

3.2.1 Технология OFDM и выделение канального ресурса

3.3 UL PHY (Среда передачи вверх)

3.3.1 Подкадр передачи вверх

3.4 Размещение полос диапазона и механизм запроса

3.4.1 Запросы

3.5 MAC поддержка среды (PHY)

3.5.1 Частотное дуплексирование (ЧД)

3.5.2 Временное дуплексирование (ВД)

3.6 Разределение состязательнного слота (СС) в UL-MAP

3.7 Алгоритм вычисления средной задержки доступа (access delay) в WiMAX

3.7.1 Описание схемы алгоритма для расчета задержки доступа

3.7.2 Анализ модели

3.7.3 Результаты

3.8 Влияние распределения СС на задержку доступа

3.8.1 Предлагаемый алгоритм

3.8.2 Результаты

3.9 Выводы

4 АЛГОРИТМ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ НА PHY-УРОВНЕ СЕТЕЙ WIMAX С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИКИ РЕТРАНСЛЯЦИОННОГО УЗЛА И СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКТРА

4.1 Повышение качества обслуживания в сетях WiMAX с использованием ретрансляционных узлов

4.1.1 Допущения

4.1.2 Описание схемы ретрансляционного сценария

4.2 Используемые метрики

4.2.1 Мощность

4.2.2 Мощность принимаемого сигнала

4.2.3 Мощность излучаемого сигнала

4.2.4 Расстояние от АС до базовой станции

4.2.5 Потери от затенения

4.2.6 Рэлеевское затухание (замирание вследствие многолучевого распространения)

4.2.7 Замирание с распределением Райса

4.2.8 Пропускная способность

4.2.9 Мощность ретрансляционного соединения

4.2.10 Вероятность блокировки

4.2.11 Результаты оценки потерь распространения в ретрансляционном и прямом соединениях

4.3 Повышение качества обслуживания в сетях WiMAX на основе совместного использования спектра

4.3.1 Понятие совместного использования спектра

4.3.2 Будущее совместного использования спектра

4.3.3 Совместное использование спектра в сетях WiMAX

4.3.4 Постановка задачи исследования

4.3.5 Схема сценария совместного использования спектра

4.4 Результаты и анализ

4.4.1 Результаты оценки вероятности блокировки в прямом соединении и в соединении с совместным использованием спектра

4.4.2 Результаты оценки пропускной способности для прямого соединения, соединения ALGOLINK и соединения с совместным использованием спектра.

4.4.3 Результаты оценки влияния различного процентного соотношения

совместного использования спектра

4.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Математический Анализ Задержки Доступа К Интервалу Запроса Полосы В Сетях WiMAX

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Алгоритм повышения качества обслуживания на PHY уровне сетей WiMAX с использованием техники ретрансляционного узла и совместного использования спектра

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность проблемы

Интенсивное развитие беспроводных сетей ставит задачи увеличения их производительности - и в том числе - разработки алгоритмов функционирования PHY- и МАС-слоев, обеспечивающих своевременную и надежную передачу информации, уменьшающих время на выделение ресурсов абонентским станциям и позволяющих эффективно управлять их мощностью и распределять пропускную способность сети между ними при соблюдении регламентированного уровня качества обслуживания различных видов трафика. Механизмы распределения ресурсов в сетях WiMAX становятся критически важными для обеспечения требуемого качества обслуживания и надежности функционирования этих сетей. Сети WiMAX, функционирующие на основе рекомендаций IEEE 802.16, реализуют механизм обеспечения, требуемого для различных видов трафика качества обслуживания путём предоставления определённого ресурса — полосы передачи — в соответствии с запросом абонентской станции. Для реализации механизма запроса полосы стандартом предусмотрен конкретный временной интервал в кадре восходящей связи, который может варьироваться по длительности, и величина которого отражается на общей длительности слотов для передачи пользовательских данных. Поэтому задача поиска эффективных методов управления величиной интервала запроса полосы и разработка алгоритма разделения частотного ресурса между двумя операторами сетей WiMAX представляется актуальной.

2. Личный вклад автора заключается в самостоятельном выполнении следующих этапов диссертационной работы:

- анализ показателей QoS для разных видов трафика, регламентируемого международными органами стандартизации и национальным регулятором Республики Гана;

- исследование проблемы обеспечения QoS в сетях WiMAX;

- разработка математической модели для оценки задержки доступа к сервису или услугам в сетях WiMAX;

- исследование влияния соотношения количества состязательных слотов и слотов передачи данных в МАС-кадре на качество обслуживания в сетях WiMAX;

- разработка алгоритма выбора энергоэффективных маршрутов с учетом вариации расстояний между абонентской и базовыми станциями собственной и сторонней WiMAX сетей;

- разработка алгоритма реализации разделения частотного ресурса между двумя операторами сетей WiMAX.

Соискателем лично получены следующие основные научные результаты, изложенные в диссертации:

a. Методы управления ресурсами MAC- и PHY-слоев сетей WiMAX.

b. Модель доступа к интервалу запроса полосы МАС-кадра в сетях WiMAX.

c. Алгоритмы выбора маршрутов соединения абонентской станции с базовыми, реализуемыми PHY-слоем сетей WiMAX.

3. Достоверность научных результатов подтверждается соответствием результатов теоретического анализа результатам имитационного моделирования, доказавшим преимущества предложенных в работе моделей и алгоритмов.

4. Научная новизна работы и практическая значимость.

Научная новизна работы состоит в:

- использовании математической модели вместо традиционной case- модели при решении задачи поиска рациональных управленческих решений по количеству слотов, позиционированию, ретрансляционной точке и частотам;

- разработке модели доступа с учетом требований к качеству обслуживания приложений в сетях WiMAX;

- предложенном алгоритме выбора энерго-эффективных маршрутов с учетом вариации расстояний между пользователем и базовыми станциями собственной и сторонней сети.

Практическая значимость результатов состоит в:

- определении пороговых значений показателей эффективности

функционирования PHY и MAC слоев для обеспечения QoS;

- появлении у операторов сетей WiMAX возможности определения размеров абонентской базы и/или величины интервала запроса полосы при обеспечении требуемого качества обслуживания конкретных приложений;

- повышении энергетической эффективности соединения на основе регулировки мощности при ретрансляции и за счет совместного использования частотного ресурса при сохранении требуемого качества обслуживания.

5. Ценность научных работ соискателя состоит в:

- установлении для сетей WiMAX зависимости качества обслуживания приложения от задержки доступа к регулятору распределения ресурса на уровне МАС-слоя;

- в создании модели рационального управления соотношением числа состязательных слотов и слотов данных МАС-кадра для сетей WiMAX;

- установлении возможности улучшения QoS на PHY-уровне в сетях WiMAX с помощью ретрансляции доступа абонентской станции и совместного использования частотного ресурса смежными операторами.

6. Обоснованность научных положений определяется корректностью постановки научно-технической задачи исследования, строго обоснованной совокупностью ограничений и допущений, представительным библиографическим материалом (список использованной литературы содержит свыше 70 наименований); опорой на современную научную базу, корректным применением апробированных общенаучных и специальных методов исследования; и подтверждается соответствием результатов имитационного и аналитического моделирования, полученных разными методами, а также тем, что результаты имитационного моделирования не входят в противоречие с соображениями здравого смысла.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка модели и алгоритмов MAC- и физического уровней сетей WiMAX»

7. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на III и IV Международных научно-технических и научно-методических конференциях «Актуальные проблемы

инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2014,2015), III Международной конференции «The Future of Mobile ICT and New Media Africa» Ганский университет телекоммуникаций (Акра, 2014), 68 региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов молодых ученых «Студенческая весна - 2014» (Санкт-Петербург, 2014).

8. Полнота изложения материалов диссертации в публикациях.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы 8 работах объемом 7,6 п.л., из них 6 в перечне рецензируемых научны журналах и изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК); личный вклад автора составляет 5,2 п.л.

9. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 141 страницах, содержит 17 таблицы и 50 рисунков.

Краткое содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель работы, проблемы и задачи исследования, перечислены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость результатов, описана структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе проведен анализ повышения QoS в беспроводных системах с точки зрения органов стандартизации электросвязи (МСЭ, ETSI и IEEE), систем управления и операторов мобильной связи, а также поддержки QoS в беспроводных сетях, таких как UMTS и LTE.

Во второй главе диссертационной работы проанализированы технология и архитектура сетей WiMAX в уровне МАС, физический уровень стандарта IEEE 802.16, механизмы обеспечения качества обслуживания в сетях WiMAX для различных видов трафика, планирование кадра и управление потоками обслуживания в сетях WiMAX

В третьей главе диссертационной работы описана математическая модель

оценки задержки при оказании услуг за счет состязательного характера доступа к интервалу запроса полосы. Алгоритм вычисления средней задержки может быть использован для определения задержки в обслуживании приложения в зависимости от числа абонентских станций, размеров интервала запроса полосы и вероятности передачи запроса полосы каждой из абонентских станций

В четвертой главе описаны методы улучшения качества обслуживания на основе регулировки мощности и совместного использования определенного частотного ресурса смежными операторами, направленной на снижение энергопотребления и улучшения экологической обстановки. Выполнен анализ и проведено сравнение с целью оценки мощности, необходимой для установления прямой линии связи (то есть, соединения абонентского оборудования с базовой станцией собственной сети) и ретранслированной линии связи (то есть, использование внешней базовой станции сторонней сети в качестве ретрансляционной точки для связи с базовой станцией собственной сети). Параметром такой оценки является расстояние между абонентским оборудованием и базовыми станциями.

В заключении диссертации изложены полученные результаты и сформулированы основные выводы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доценту Коротину В.Е. за помощь при работе над диссертацией.

1 КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ 1.1 Стандартизация качества

Конкуренция между операторами связи на национальных и международных телекоммуникационных рынках выдвигает проблему качества услуг связи на одно из первых мест и, следовательно, появляется необходимость стандартизировать требования к качеству и методам его измерения. Важной задачей становится создание единых норм на показатели качества. Проверка их соответствия требованиям стандартов проводится путем сертификации и дает право на получение соответствующей лицензии. Оператор, получивший сертификат, может использовать это обстоятельство для повышения уровня конкуренции своей компании. Нарушение требований к качеству услуг - одна из причин, по которой лицензия на право операторской деятельности может быть отозвана или не выдана. Она заключается в несоответствии качества предоставляемых услуг уровню качества отечественных стандартов, международных требований и других нормативных документов.

Стандартизация систем управления качеством услуг связи необходима для контроля за качеством технологических процессов их предоставления и согласования возможностей сетей общего пользования, принадлежащих, как правило, разным операторам.

1.1.1 Международная стандартизация требований к качеству услуг связи

Впервые определение качества услуг связи (QoS) было дано Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (International Telegraph and Telephone Committee Consultative, CCITT) в Рекомендации E.800 [1] [2].

Под качеством услуг связи понимается суммарный эффект от параметров обслуживания, который определяет степень удовлетворения пользователя услугами связи. Высокое качество услуг обеспечивается системой качества, включающей административную и техническую составляющие.

Административная составляющая системы качества - это организационная работа по обеспечению качества услуг, подбор и обучение персонала, создание

нормальных условий труда, поощрение за достижение высокого качества работы, анализ итогов работы по повышению качества услуг, маркетинг и т. п.

Техническая составляющая системы качества включает определение

характеристик качества услуг, установление на них норм и доведение качества

услуг до нормативных показателей. Стандартизация технических требований к

качеству услуг в сетях связи осуществляется на глобальном уровне

Международным союзом электросвязи (ITU), на международном региональном

уровне - Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI),

Ассоциацией телекоммуникационной промышленности (TIA), Американским

национальным институтом стандартов (ANSI) и др. Все эти организации

взаимодействуют друг с другом при разработке стандартов, особенно когда речь

идет о стандартах глобального характера (например, для обеспечения соединения

абонентов различных сетей через Интернет). Важность проблем стандартизации

требований к качеству предоставляемых услуг связи предопределила создание

ряда исследовательских комиссий, рабочих и проектных групп в Международном

союзе электросвязи и Европейском институте телекоммуникационных

стандартов. Рассмотрим организационную структуру основных международных

органов, осуществляющих стандартизацию технологий и качества услуг связи.

1.1.1.1 Деятельность Международного союза электросвязи (ITU) в области стандартизации требований к качеству обслуживания

В ITU работы по стандартизации качества услуг связи проводятся

исследовательскими комиссиями (SG), главным образом в рамках сектора стандартизации (ITU-T) и сектора радиосвязи ITU-R (рисунок 1.1). Ведущей исследовательской комиссией ITU-T в вопросах качества услуг связи является SG 12 (Сквозные сетевые характеристики и качественные показатели для сетей и терминалов).

Вопросов качества касаются также и другие исследовательские комиссии ITU-T:

• SG 2 (Услуги и эксплуатация сетей);

• SG 4 (Управление телекоммуникациями, включая сеть управления телекоммуникациями - Telecommunications Management Network, TMN);

• SG 9 (Интегрированные кабельные сети широкого доступа, телевидение и звуковая передача);

• SG 11 (Требования к сигнализации, протоколы);

• SG 13 (Мультипротоколы и IP-сети; обеспечение межсетевого обмена);

• SG 15 (Оптические и другие виды транспортных сетей);

• SG 16 (Мультимедийные услуги, системы и терминалы);

• SG 17 (Сети для передачи данных и телекоммуникационное программное обеспечение);

• SSG (IMT-2000 и следующие поколения).

Рисунок 1.1 Исследовательские комиссии ITU, отвечающие за стандартизацию

качества услуг связи

• G1000 - «Качество обслуживания для связи: структура и определение терминов». Дается общее определение QoS, необходимое для установления единого подхода к проблеме качества услуг. Сформулированы четыре точки зрения на качество обслуживания: требования пользователя к качеству обслуживания; качество обслуживания, предполагаемое/планируемое поставщиком; качество обслуживания, воспринимаемое пользователем. Определена взаимосвязь между ними.

• G1010 - «Категории качества услуг мультимедиа для конечного пользователя». Определяет категории QoS мультимедиа, рассматриваются требования пользователя в отношении качества услуг по ряду мультимедийных приложений, основываясь на допустимых для пользователя задержках в передаче информации и в ее потерях.

• Е.800 - «Условия и определения, касающиеся качества услуг и работы сетей, включая их надежность». Формулирует качество услуг как «общий эффект от параметров обслуживания, который определяет степень удовлетворения пользователя услугами связи».

• Е.801 - «Структура соглашения о качестве обслуживания». Определяет соглашение о качестве услуг - SQA (Service Quality Agreement) как двух- или многостороннее соглашение между поставщиками услуг о выполнении программы регулярных измерений и анализа качества обслуживания в интересах конечного пользователя. Предписывает согласование методов измерений параметров качества услуг, а также обмен результатами измерений. При измерениях следует использовать подходящие рекомендации ITU-T, результаты опроса пользователей. Соглашение не обязывает стороны добиваться какого-то определенного целевого показателя в течение заданного времени, а лишь предусматривает мероприятия по непрерывному введению улучшений.

• Е.860 - «Структура соглашения об уровне обслуживания». Соглашение об уровне обслуживания - SLA (Service Level Agreement) - формальное

соглашение между двумя и более объектами, достигнутое в результате согласования с целью определения характеристик услуг, распределение ответственности и приоритетов каждой стороны. С учетом действия соглашения между' поставщиком услуг и пользователем предложено употреблять определение качества услуг из Е.800.

• Е.430 - «Аспекты оценки качества обслуживания».

• I.350 - «Общие аспекты качества услуг и рабочих характеристик цифровых сетей».

• J.163 - «Динамическое QoS для услуг, предоставляемых в режиме реального времени в кабельных телевизионных сетях с использованием кабельных модемов».

• Х.140 - «Общие параметры качества услуг связи применительно к сетям передачи данных общего пользования». Определяет набор общих параметров QoS для общедоступных сетей передачи данных.

• X I46 - «Нормы на рабочие характеристики и классы качества услуг для служб с ретрансляцией кадров». Определяет 4 класса качества услуг, которые различаются по трем параметрам: коэффициенту потери обязательных кадров (FLRc); времени переноса кадра (FTD), дрожанию времени переноса кадра (FDJ). Основное внимание обращено на разработку норм для IP-сетей, которые являются сетями с ретрансляцией кадров.

• Y. 1514 - «Параметры работы сетей для предоставления услуг связи».

• Y.1540 - «Параметры качества переноса IP-пакетов и надежности».

• Y.1541 - «Нормы на сетевые рабочие характеристики для служб на основе протокола IP».

Вопросы стандартизации качества услуг мобильной связи в секторе радиосвязи ITU-R исследуются комиссией SG 8, в состав которой входят рабочие группы WP 8А (любительская связь), WP 8D (радиоопределение), WP 8F (мобильная связь) и рабочая подгруппа WG R-Tech.

Разграничение деятельности различных органов ITU и их полномочий представлено на рисунке 1.2. На схеме показано разграничение зон

ответственности и требования к различным параметрам QoS для каждого участка соединения на отрезке «конечный пользователь - сеть - конечный пользователь».

(ITU-T SG 12)

ITU-T SG 13 ITU-T SG 15

Рисунок 1.2 Требования к QoS в цепочке «конечный пользователь - сеть -

конечный пользователь»

Рекомендации ITU не являются обязательными техническими требованиями (спецификациями). По сути, это стандарты де-факто, на базе которых разработаны технические требования и стандарты с учетом национальных особенностей конкретных стран и регионов.

1.1.1.2 Деятельность Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) в области стандартизации требований к качеству обслуживания

Стандартизация требований к QoS в Европе проводится ETSI, который разработал и ввел в действие два базовых стандарта: ETR 003, определяющий общие требования к качеству услуг связи, и ETR 138, определяющий показатели QoS для сетей передачи речи и данных.

Структура ETSI, состоящая из комитетов и рабочих групп, приведена на рисунке 1.3. Вопросы стандартизации технических требований к качеству услуг в существующих и перспективных сетях связи разрабатывает технический комитет ТС STQ (Качество услуг связи при передаче речи и данных). Основная задача ТС STQ состоит в координации деятельности технических комитетов ETSI

по вопросам качества передачи речи между конечными пользователями. Комитет должен содействовать разработке оборудования передачи речи в существующих и перспективных сетях связи. Комитет был сформирован в 1997 году. Изначально он создавался как центр экспертизы по вопросам качества речи, однако сфера его деятельности была расширена за счет включения большего количества базовых вопросов, имеющих отношение к качеству услуг связи. В сферу его полномочий входят:

• разработка новых технологий обработки речи, методов измерений, соответствующего оборудования и видов контрольной аппаратуры;

• установление технических параметров оборудования и сетей передачи речевой информации;

• установление ограничений на такие параметры, как временная задержка, эхо, уровни полезного сигнала и шума, искажения (включая искажения при кодировании) и др.;

• определение взаимного влияния сигнальных и речевых сообщений на качество передачи речи;

• формирование технической политики при решении всех вопросов, связанных с передачей и оценкой качества речи, включая применение/внедрение всех новых технологий кодирования.

ТС БТр является головным комитетом БТ81 по вопросам, связанным с обработкой, передачей и качеством услуг голосовой связи (речи). Деятельность ТС STQ ведется по трем основным направлениям:

• минимально-необходимому уровню качества параметров услуг/обслуживания для фиксированных и подвижных сетей связи;

• алгоритмам распознавания передаваемой речи;

• качеству услуг голосовой связи и качеству передаваемой речи на участке «конечный пользователь - конечный пользователь»

Комитет ТС БТр координирует свою работу с деятельностью других комитетов (рисунок 1.3), стандартизирующих технические требования к качеству услуг связи. В частности, с проектным комитетом ЕР Т1РНОК (Гармонизация

протоколов сетевого обмена Интернета и систем радиосвязи), техническим комитетом ТС SPAN (Услуги и протоколы для перспективных сетей), а также с партнерским проектом 3GPP.

Рисунок 1.3 Технические комитеты ETSI, отвечающие за стандартизацию технических требований к качеству услуг связи

Целью проектного комитета ЕР TIPHON является разработка технических решений для передачи речевых сообщений и предоставления других услуг через Интернет. Вопросы качества услуг передачи голоса и данных в рамках проектного комитета ЕР TIPHON находятся в компетенции рабочей группы WG 5.

Технический комитет ТС SPAN отвечает за стандартизацию фиксированных сетей связи, эволюционное сближение настоящих и будущих сетей связи (включая мобильную составляющую сети фиксированной связи). В рамках комитета ТС SPAN вопросы качества услуг связи находятся в ведении рабочих групп SPAN 13 и SPAN 14.

Партнерский проект 3GPP (3rd Generation Partnership) занимается стандартизацией концепции QoS. Он был образован в 1998 г. с целью разработки глобальных спецификаций для GSM и ЗG-сетей. Проект объединяет ETSI, 5

региональных организаций, занимающихся вопросами стандартизации в Азии и США, ряд ассоциаций и более 450 компаний. Уже к концу 1999 г. проект 3 GPP выпустил первую серию документов (Release 99), полностью охватывающих систему мобильной связи. В нее входят около 300 технических спецификаций (TS) и технических отчетов (TR), касающихся UTRA-радиоинтерфейса, архитектурных аспектов концепции качества услуг связи (3G TR 23.907 версия 1.3.0, 1999) и при мерно 50 приложений, включая MMS. В 2001 г. проект 3GPP выпустил новую серию документов (Release 4), основанную на Release 99 и дополненную спецификациями для технологии TD-SCDMA, видеопотока, а также для элементов, необходимых при использовании GPRS и EDGE сетей. В 2002 г. Проект 3GPP опубликовал Release 5, содержащий спецификации, касающиеся использования инфраструктуры IP-сетей для пакетной передачи голоса и мультимедийных услуг.

Основными спецификациями на момент создан проекта 3GPP в этой области являются- ETSI TS 123 107: UMTS; качество услуг (QoS) - концепция и архитектура (3GPP TS 23.107 версия 5.4.0 Release 5); ETSI TS 129 208: UMTS; качество услуг в цепочке «конечный пользователь - конечный пользователь» (3GPP TS 29.208 версия 5.1.0 Release 5); ETSI TS 124 228: UMTS; сигнальные потоки для контроля мультимедийных вызовов на базе SIP и SDP (3GPP TS 24.228 версия 5.2.0 Release 5).

Появление новых технологий и изменение структуры сети заставляют стандартизировать качество услуг не только на уровне внедряемой сети, но и на уровне всей цепочки «конечный пользователь - сеть мобильной связи - конечный пользователь», которая включает, как правило, взаимодействующие сети связи, построенные на базе различных технологий и имеющие разную степень интеграции.

Единые процедуры и требования сертификации качества услуг связи, прошедшие стандартизацию, создают возможность добровольной сертификации для операторов сетей связи. В недалеком будущем QoS превратится в один из важнейших показателей конкуренции на рынке услуг связи.

1.1.2 Ганская система стандартизации и контроля качества

Контроль качества предоставления услуг связи в Гане осуществляет Национальный орган по связи (National Communications Authority - NCA). Важное место в его деятельности занимает контроль лицензируемой деятельности операторов связи. В процессе этого контроля оценивается качество предоставления услуг. Для этого необходимо иметь, во-первых, нормативные документы, устанавливающие номенклатуру показателей качества предоставления услуг, нормы на эти показатели и методики их оценки, а во-вторых, инструкции по контролю лицензируемой деятельности операторов связи, описывающие все конкретные процедуры проведения контроля (подготовительные работы, измерения и оформление документов по результатам контроля).

Оценка показателей качества обслуживания надо проводить по единой шкале и для этого необходимо произвести унификацию параметров и методов измерений и сертификации. Таким образом, нужны национальные Ганские нормы качества услуг связи. Они должны разрабатываться с учетом гармонизации с международными нормами. Причем надо учитывать, как внешнюю (выход на внешние рынки), так и внутреннюю (для работы на внутреннем рынке) гармонизацию.

Действующая в Гане государственная система стандартизации предусматривает возможность установления обязательных требований к качеству услуг техническими регламентами и государственными стандартами. К национальным стандартам в области качества относятся приложения D1 и D2 «сотовой мобильной лицензии», содержащие полный перечень показателей для оценки качества услуг.

Сейчас контроль качества услуг проводится в рамках внутреннего аудита предприятия связи. Государственная служба по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций не имеет полных методик проверки качества услуг и проводит частичные выборочные проверки на основе существующих нормативных правовых актов (НПА).

Таким образом, в Гане целесообразно развивать нормативную базу качества услуг, включающую номенклатуру контролируемых показателей качества, важных с точки зрения пользователей, допустимые нормы на эти показатели и методы их измерения, единые для применения как операторами связи, так и контролирующими органами в области связи.

Очевидно, что качество услуг связи является важным фактором, влияющим на конкурентоспособность операторов связи и исследование вопросов обеспечения качества услуг подвижной радиотелефонной связи, является актуальной задачей. С целью повышения качества оказания услуг связи в условиях конкуренции на рынке телекоммуникационных услуг необходима разработка соответствующих регламентирующих документов в области качества услуг и придания им статуса НПА.

Разработанные номенклатура показателей качества предоставления услуг связи, нормы на показатели качества и методы их контроля (оценки) будут востребованы как операторами связи и государственными органами исполнительной власти, осуществляющими деятельности в области связи, так и гражданами и юридическим лицами, являющимися пользователями услугами связи.

Показатели качества услуг связи должны определяться на основе моделей, предложенных Международным союзом электросвязи (МСЭ) при определении которых следует учитывать цели применения данных показателей. Обеспечение эффективности системы зависит в первую очередь от наличия нормативной базы для проведения испытаний.

1.1.2.1 Классификация услуг в Гане

Классификация услуг радиотелефонного соединения, предоставляемых

сетями подвижной связи (СПС):

1. Предоставление радиотелефонного соединения (т.е. соединения с коммутацией каналов) в пределах сети связи одного и того же оператора;

2. Предоставление радиотелефонного соединения от/с абонентским устройством ТфОП;

3. Предоставление радиотелефонного соединения от/с абонентскими станциями абонентов других сетей подвижной связи одного и того же стандарта;

4. Предоставление радиотелефонного соединения от/с абонентскими станциями абонентов других сетей подвижной связи другого стандарта;

5. Круглосуточный вызов экстренных и аварийных служб по месту фактического нахождения пользователя в пределах Ганы.

6. Предоставление пакетного соединения по передаче данных;

1.1.2.2 Номенклатура показателей качества услуг в Гане.

Полная номенклатура показателей качества основных услуг приведена в

таблице 1.1.

Таблица 1. 1 Полная номенклатура показателей качества основных услуг

Услуга Показатель качества

Применимо ко всем услугам Время предоставления доступа по фиксированной сети; Время предоставления доступа в интернет; Доля проблем, связанных с процедурами переносимости номеров; Интенсивность сообщений об отказе по линиям фиксированного доступа; Время устранения отказа для линий фиксированного доступа; Время ответа для услуг оператора; Время ответа для справочных служб; Время ответа для запросов администрации/счета; Относительное (в процентах к общему числу абонентов) кол- во жалоб в отношении правильности выставления счетов; Относительное (в процентах к общему числу абонентов) кол- во жалоб в отношении правильности кредита счетов предварительной оплаты; Качество представления счетов; Частота поступления жалоб клиентов; Время принятия мер по жалобам клиентов;

Голосовая телефонная связь (и услуги в диапазоне тональных частот, такие как факс, передача данных и SMS) Доля неуспешных вызовов; Время установления вызова; Качество речевого соединения; Качество факсимильного соединения; Коэффициент успешно переданных SMS; Коэффициент полностью переданных SMS; Время сквозной доставки для SMS;

Услуги подвижной связи (Также применимы перечисленные выше параметры голосовой телефонной связи) Доля неуспешных вызовов; Показатель непрерывности связи; Площадь покрытия;

Доступ в интернет Время регистрации; Достигаемая скорость передачи данных; Коэффициент безуспешных передач данных; Коэффициент успешной регистрации; Задержка (время передачи в одном направлении);

1.1.2.3 Рекомендации к разработке норм на показатели качества услуг.

Для оценки качества голосовой связи СПС предлагается использовать

показатели качества услуг, приведенные в таблице 1.2. Для вычисления указанных показателей используются результаты, получаемые с помощью измерительных тестовых комплексов.

Таблица 1.2 Показатели качества голосовых услуг

Параметр Определение

Покрытие вне зданий Процент тестового пути, где уровень обслуживающей базовой станции выше или равен -95 дБм для сетей 20 -90 дБм для сетей 30

Покрытие внутри зданий Процент тестового пути, где уровень обслуживающей базовой станции на улице выше или равен -71 дБм для городских территорий, -85 дБм для сельских территорий

Доля вызовов, окончившихся разъединением установленного соединения не по инициативе абонента (СБЯ) И СБЯ = —* 100% N где Я - общее суммарное число контрольных вызовов с преждевременным разъединением за все сеансы испытаний, N - Общее суммарное число контрольных вызовов за все сеансы испытаний.

Доля неуспешных вызовов (CunSR) Q CunSß = - * 100% N где Q - общее суммарное число неуспешных контрольных вызовов за все сеансы испытаний, N - общее суммарное число контрольных вызовов за все сеансы испытаний.

Качество сигнала на линии вниз, от сети к абонентскому терминалу Процентная доля времени соединения с качеством сигнала на линии вниз (RX Qual DL) выше или равного 4

Качество речи на линии вниз Процентная доля времени соединения с качеством речи (SQI) меньше или равного 15, или средней разборчивости речи (MOS) меньше или равного 2,7

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Артур Джозеф Квеку, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] ITU-R Recommendation E.800 (08.94), «Terms and definitions, related to Quality of Service and network performance including dependability.».

[2] T. Dunnewijk и S. Hulten, «A Brief History of Mobile Telecommunication in Europe,» Telematics and Informatics, т. 24, № 3, pp. 164-179, August 2007.

[3] В. Ю. Бабков, П. В. Полынцев и В. И. Устюжанин, Качество Услуг Мобильной Связи, Москва: Горячая линия-Телеком, 2005.

[4] 3GPP TS 23.107., « Quality of Service (QoS) Concepts and Architecture».

[5] А. Н. Волков, Р. А. E и М. А. Сиверс, UMTS стандарт сотовой связи третьего поколония, 2010.

[6] D. Soldani, M. Li и R. Cuny, QoS and QoE Management in UMTS Cellular Systems, John Wiley & Sons, Ltd. , 2006.

[7] 3GPP TS 23.203 v10.0.0, «Policy and charging control architecture».

[8] В. О. Тихвинский и С. В. Терентьев, Сети Мобильной Связи LTE/LTE Advanced, Москва: Media publisher, 2014.

[9] А. Е. Рыжков, В. Воробьев, А. С. Слышков, М. А. Сиверс, А. С. Гусаров и Р. В. Шуньков, LTE and WIMAX стандарты и сети радиодоступа 4G, Санкт-Петербург: Издательство, 2012.

[10] IEEE 802.16-2004, IEEE standard for Local and Metropolitan Area Networks- Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Oct. 2004.

[11] K. Kahn, Evolution of WiMAX: Beyond Fixed Access Networks, Intel Corporation, January 27,2005.

[12] D. Pareek, WiMAX: Taking Wireless to the MAX, Auerbach Publications,Taylor & Francis Group, 2006.

[13] J. Chou, R. Reynold, V. Yanover, S. Eini, R. Selea и B. Moldoveanu, MAC and PHY MIB for WirelessMAN and WirelessHUMAN BS and SS, http://grouper.ieee.org/groups/802/16/mgt/contrib/C80216mgt-Q4 04.pdf.

[14] ETSI, Welcome to ETSI, http://vvww.etsi.org/, February 2006.

[15] IEEE 802.16, Working Group on Broadband Wireless Access, http://vvirelessman.org.

[16] ETS1TR 101 856 vl.1.1, Broadband Radio Access Networks (BRAN);Functional Requirements for Fixed Wireless Access systems below 11 GHz, Sophia Antipolis Cedex-FRANCE., 2001-03.

[17] IEEE Std IEEE 802.16a-2003, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Amendment 2: "Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz, IEEE, 1 April 2003.

[18] C. Hoymann, «Analysis and Performance Evaluation of the OFDM-based Metropolitan Area Network IEEE 802.16,» Comp. Net, т. 49, № 3, pp. 341363., Oct. 2005.

[19] IEEE 802.16a, Standards Committee. 802.16a IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society, 2004.

[20] П. Кочегаров и Ю. Писарев, «WiMAX - универсальное решение для последней мили. Частотный ресурс. Проблемы и стратегии внедрения,» Журнал Wireless Russia, 2005.

[21] IEEE Std 802.16c-2002, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems - Amendment 1: Detailed System Profiles for 10-66 GHz, IEEE, 15 January 2003.

[22] D. Sweeney, WiMAX Operator's Manual: Building 802.16 Wireless Networks, Berkeley California USA: Apress, 2004.

[23] И. Шахнович, «Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16 для диапазонов ниже 11 ггц,» ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, т. Бизнес 1, 2005.

[24] Ю. А. Семёнов и (. ИТЭФ)., Стандарт широкополосной беспроводной связи IEEE 802.16, book.itep.ru.

[25] R. Kamlesh и K. Lalit, Scalable Connection Oriented Mesh Proposal, IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Working Group, March 6, 2003.

[26] H. Shetiya и V. Sharma, «Algorithms for routing and centralized scheduling to provide QoS in IEEE 802.16 mesh networks,» в 1st ACM Workshop on Wireless Multimedia Networking and Performance Modeling, Montreal, Quebec, Canada, 2005.

[27] Intel Corporation, «Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions,» в White Paper, Wi-Fi and WiMAX solutions,http://www. rclicnt.com/PDFs/IntclPaper.pdf, 2004.

[28] F. De Pellegrini, D. Miorandi, E. Salvadori и N. Scalabrino, «QoS Support in WiMAX Networks: Issues and Experimental Measurements,» CREATE-NET, 2006.

[29] C. Muller, A. Klein и F. Wegner, «Coverage Extension of WiMAX Using Multihop in a Low User Density Environment,» в in Proc. of 11th International OFDM-Workshop, Hamburg, Germany, Aug. 2006.

[30] Media Informa Telecoms, «Mobile WiMAX,» 4G Americas, November 2012. [В Интернете]. Available: http://www.4gamericas.org/index.cfm?fuseaction=page&sectionid=259. [Дата обращения: August 2014].

[31] S. Ahmadi, Mobile WiMAX: A Systems Approach to Understanding IEEE 802.16m Radio Access Technology, Academic Press, 2010.

[32] A. Doha и H. Hassanein, «Access Delay Analysis in Reservation Multiple Access Protocols for Broadband Local and Cellular Network,» в Proceedings of the 29th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks, 2010.

[33] Y. Xiao, WiMAX/MobileFi : advanced' research and technology, Auerbach Publications, Taylor & Francis Group, 2008.

[34] S. Glisic и B. Lorenzo, Advanced Wireless Networks, Finland: Wiley, 2009.

[35] The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems, New York: The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2012.

[36] S. C. Yang, «OFDMA,» System Analysis and Design, 2010.

[37] V. Mehta и D. N. Gupta, «Performance Analysis of QoS Parameters for WiMAX networks,» International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) , т. 1, № 5, pp. 105-111, May 2012.

[38] H. Dahmouni, H. E. Ghazi, D. Bonacci, B. Sanso и A. Girard, «Imprvoing QoS of all-IP Generation of Pre-WiMax Networks Using Delay-Jitter Model,» JOURNAL OF TELECOMMUNICATIONS, т. 2, № 2, pp. 99-104, MAY 2010.

[39] C. Prabha и H. Prabha, «ENHANCEMENT OF QUALITY OF SERVICE PARAMETERS IN WIMAX MOBILE NETWORKS,» American Journal of Applied Sciences, т. 9, № 12, pp. 1906-1916, 2012.

[40] L. Korowajczuk, LTE, WiMAX and WLAN Network Design, Optimization and Performance Analysis, John Wiley & Sons, 2011.

[41] J. K. Arthur, «Analysis of different scheduling algorithms in WiMAX,» Информационные Технологии Телекоммуникации, т. 2, pp. 42-50, 2014.

[42] L. Nuaymi, WiMAX: Technology for Broadband Wireless Access, John Wiley & Sons,, 2007.

[43] C. X. Mavromoustakis, E. Pallis и G. Mastorakis, Resource Management in Mobile Computing Environments, Springer, 2014.

[44] M. D. Priya, M. Valarmathi и D. Prithviraj, «A dynamic contention resolution scheme or WiMAX Networks,» ICTACT JOURNAL ON COMMUNICATION TECHNOLOGY, т. 05, № 01, pp. 882-890, MARCH 2014,.

[45] J. Liu, S. Chan и H. L. Vu, A Unified Performance Model for Best-Effort Services in WiMAX Networks, InTech, 2012.

[46] Q. Ni, A. Vinel, Y. Xiao, A. Turlikov и T. Jiang, «Investigation of Bandwidth Request Mechanisms under Point-to-Multipoint Mode of WiMAX Networks,» IEEE Communications Magazine, 2007.

[47] J. Delicado, Q. Ni, F. M. Delicado и L. Orozco-Barbosa, «New Contention Resolution Schemes for WiMAX,» IEEE Communications Society, 2009.

[48] C. Limei, «An ns2-based dynamic system-level simulation platform for WiMAX with scheduling and resource allocation,» http://www.paper.edu.cn, pp. 1-9, 2010.

[49] N. Rathore, «Simulation of WiMAX 802.16e MAC Layer,» International Journal of Electronics & Communication Technology, т. 3, № 1, p. 187, 2012.

[50] K. M. Ahmed и K. O. Prakash, «Analysis of relay Stations in WiMax networks,» Int.J.Computer Technology & Applications, т. Vol 3, № 4, pp. 1431-1434, 2012.

[51] J. Mitola, «Cognitive radio,» An integrated agent architecture for software defined radio," Doctor of Technology, Royal Inst. Technol. (KTH),, 1999.

[52] Kim и Yongchul, «Capacity and Coverage Analysis for Multihop Relay-Enhanced WiMAX Networks,» North Corolina State University, North Corolina, 2011.

[53] Andrea Goldmith, Wireless Commmuications, Cambridge University Press, 2005, pp. 47-50.

[54] E. Grabianowski и B. Marshall , «Howstuff works,» 30 May 2012. [В Интернете]. Available: http://computer.howstuffworks.com/wimax2.htm. [Дата обращения: 11 March 2014].

[55] D. Poulin, «How much power do WiMAX netorwks need?,» 02 January 2009. [В Интернете]. Available: http://eetindia.co.in/ART_8800557707_1800006_NT_ebd64683.HTM#.U0 1w8BrzzhV. [Дата обращения: 08 March 2014].

[56] FCC Spectrum Policy Task Force (SPTF), «FCC Spectrum Policy Task Force,» FCC Spectrum Policy Task Force, pp. 02-135, November 2002.

[57] TeleGeography, «Linkem offers customers dual-mode Lte/WiMAX device,» Linkem, 11 March 2014. [В Интернете]. Available: http://www.telegeography.com/products/commsupdate/articles/2014/03/11/ linkem-offers-customers-dual-mode-ltewimax-device/. [Дата обращения: March 2014].

[58] K. Pahlavan и P. Krishnamurthy, Principles of Wireless Access and Localization, John Wiley & Sons, 2013.

[59] S. Haykin, « Cognitive radio:,» Brain-empowered wireless communications,, 2005.

[60] O. Masato, Z. Chenxi и V. Dorin, «Multihop Relay Extension for WIMAX Networls-Overview and Benefits of IEEE 802.16j standard",» Fujitsu Science technical journal, т. 44, № 3, pp. 292-302, 2008.

[61] J. Gerald и G. Holzmann, Data Communications, New Jersey: Murray hill, 2011.

[62] K. O. P. Khan Mubeen Ahmed, «Analysis of relay Stations,» In Wimax network.

[63] G. J. Holzmann, «Data Communications:The First 2500 Years,» New Jersey 07974, USA, Murray Hill, 2012.

[64] S. S. Jafar, «The throughput potential of cognitive radio,» A theoretical perspective, T. %1 h3 %2IEEE Communications Magazine vol. 45, no. 5,, pp. 73-79, May 2007.

[65] D. Brodersen h R. W. Cabric, «Robust Spectrum Sensing Techniques for Cognitive Radio Networks,» Cognitive and Cooperative Wireless Networking:, pp. 373-394, 2007.

[66] N. Dusit h H. Ekram, «Competitive spectrum sharing in cognitive radio networks:"A dynamic game approach",» IEEE transactions on Wireless communications, t. 7, № 7, pp. 2651-2660, 2008.

[67] K. Jan h Q. Luke, Sharing RF Spectrum, New York: Springer Science+Business Media B.V., 2011.

[68] Y. Benker, «The commons as a neglected factor of Information Policy,» b

Telecommunications Policy Research conference, 1998.

[69] Y. Maruyama, K. Kinoshita, K. Murakami h K. Kawano, «A Spectrum Sharing Method based on Adaptive Threshold Management between,» ICN 2014: The Thirteenth International Conference on Networks, pp. 147-153, 2014.

[70] H. Karimi, L. Ho, H. Claussen h L. Samuel, «Evolution towards dynamic spectrum sharing in mobile radio communications,» IEEE 17th international symposium on wireless communication, pp. 1-5, 2006.

[71] K. Kinoshita, K. Kawano h K. Murakami, «Joint Spectrum Sharing and Routing for WiFi/WiMAX Interworking Mesh Networks,» International Journal of Multimedia Technology, t. 3, № 3, pp. 74-79, 2013.

[72] B. Sahana h R. Daruwala, «Performance Evaluation of QoS Parameters during WiMAX to WiMAX Handoff using NS2 and QualNet,» International Journal of Computer Applications, t. 64, № 9, pp. 30-35, 2013.

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

Рисунок 1. 1 Исследовательские комиссии ITU, отвечающие за стандартизацию

качества услуг связи................................................................................................13

Рисунок 1.2 Требования к QoS в цепочке «конечный пользователь - сеть -

конечный пользователь».........................................................................................16

Рисунок 1.3 Технические комитеты ETSI, отвечающие за стандартизацию

технических требований к качеству услуг связи..................................................18

Рисунок 1.4 Этапы использования услуги с точки зрения потребителя............29

Рисунок 1.5 Структуры организации сквозных каналов.....................................34

Рисунок 2.1 Временное разделение восходящего и нисходящего каналов.......43

Рисунок 2.2 МАС-уровень в стандарте IEEE 802.16............................................45

Рисунок 2.3 Пакет MAC -уровня IEEE 802.16......................................................47

Рисунок 2.4 Структура кадров OFDM при временном дуплексирования........49

Рисунок 2.5 Структура кадров OFDMA................................................................51

Рисунок 2.6 Модель авторизированной оболочки: а) статическая авторизация; б)

динамическая авторизация......................................................................................54

Рисунок 2.7 Объектная модель QoS.......................................................................55

Рисунок 2.8 Поток сообщения, а) инициировано SS (subscriber station-абонентская станция (АС)); б) инициировано BS (basestation- Базовая

станция(БС)).............................................................................................................58

Рисунок 3.1 Пример распределения пропускной способности ЧД....................69

Рисунок 3.2 Структура кадра ВД............................................................................70

Рисунок 3.3 Принцип технологии OFDM..............................................................72

Рисунок 3.4 Созвездие сигнала 16-КАМ...............................................................73

Рисунок 3.5 Две поднесущие на интервале 0 - Tb................................................74

Рисунок 3.6. Спектр фрагмента OFDM-сигнала...................................................75

Рисунок 3.7 К определению площади синусоиды................................................76

Рисунок 3.8. Созвездие сигнала 4-ФМ...................................................................76

Рисунок 3.9 OFDM-символ с циклическим префиксом.......................................77

Рисунок 3.10 Структура подкадра передачи наверх............................................78

Рисунок 3.11 Пример размещения полос при передаче в ЧД.............................81

Рисунок 3.12 Структура кадра временное дуплексирования..............................82

Рисунок 3.13 Алгоритм схемы процесса для расчета задержки доступа...........87

Рисунок 3.14. Влияние число СС на задержку доступа......................................92

Рисунок 3.15 Влияние количества абонентских станций на задержку доступа 93

Рисунок 3.16 Влияние вероятности передачи на задержку доступа..................94

Рисунок 3.17 Влияние числа абонентов на вероятность передачи.....................95

Рисунок 3.18 Схема алгоритма эффективного распределения СС.....................98

Рисунок 3.19 Влияние распределения СС на задержку доступа.........................99

Рисунок 3.20 Влияние числа АС на задержку доступа......................................100

Рисунок 3.21. Влияние числа СС на нормированную пропускную способность

..................................................................................................................................101

Рисунок 3.22. Влияние числа АС на нормированную пропускную способность

..................................................................................................................................102

Рисунок 4.1 Модель прямой видимости..............................................................105

Рисунок 4.2 Модель с ретрансляцией..................................................................106

Рисунок 4.3 Алгоритм для схемы доступа с ретрансляцией.............................108

Рисунок 4.4 Потери при распространении..........................................................109

Рисунок 4.5 Диаграмма процесса расчета в MATLab........................................112

Рисунок 4.6 Расстояние как переменный параметр пользовательского

оборудования..........................................................................................................112

Рисунок 4.7 Результаты оценки мощности в ретрансляционном соединении и

прямом соединении................................................................................................120

Рисунок 4.8 Сравнительная диаграмма потерь при прямом и ALGOLINK

соединениях............................................................................................................122

Рисунок 4.9 Совместное использование спектра для увеличения пропускной

способности............................................................................................................126

Рисунок 4.10 Совместное использование спектра для устранения перегрузки

..................................................................................................................................127

Рисунок 4.11 Схема алгоритма совместного использования спектра..............128

Рисунок 4.12 Алгоритм переключения на близлежащее ALGOLINK соединение

..................................................................................................................................129

Рисунок 4.13 Результаты алгоритма вероятности блокировки.........................131

Рисунок 4.14. Результаты оценки пропускной способности для прямого соединения, соединения с ретрансляцией и соединения с совместным

использованием спектра........................................................................................132

Рисунок 4.15 Изменение пропускной способности при различных вариантах совместного использования спектра....................................................................134

СПИСОК ТАБЛИЦ

Таблица 1.1 Полная номенклатура показателей качества основных услуг.......22

Таблица 1.2 Показатели качества голосовых услуг............................................23

Таблица 1.3 Требования к значениям принимаемого уровня сигнала для

различных условий РРВ..........................................................................................25

Таблица 1.4. Показатели качества услуг для передачи данных..........................27

Таблица 1.5 Технические показатели качества для различных услуг связи......30

Таблица 1.6. Классы обслуживания TREC............................................................33

Таблица 1.7 Требований к качественным показателям передач........................36

Таблица 2.1 Основные режимы в стандарте IEEE 802.16-2004..........................42

Таблица 2.2 Скорость физического потока данных в зависимости от вида

модуляции и ширины канала..................................................................................48

Таблица 2.3 Тип планирования и механизмы опроса............................................60

Таблица 3.1 Поддерживаемые длительности кадра.............................................68

Таблица 3.2 Кодировка вида дуплекса в PHY......................................................69

Таблица 3.3: Требования качества обслуживания приложений.........................85

Таблица 3.4: Параметры для расчета задержки доступа.....................................91

Таблица 3.5: Влияние число СС и вероятности передачи на задержку доступа96 Таблица 4.1 Показатель потерь распространения в соответствующей среде.. 110 Таблица 4.2 Данные по необходимым мощностям............................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Математический Анализ Задержки Доступа К Интервалу Запроса Полосы В Сетях WiMAX

Evaluation of Access delay versus number of CS Contents

■ Initialization

■ Probability of success

■ Initial Access Delay

■ Access Delay

■ Graphs

Initialization

Tcs=0.25*10A(-6); Tul_subframe= 10A(-3); p=0.06;

nj=linspace(1,4000,10000);

M1=150;

M2=250;

M3=270;

Probability of success

Psuc1=M1*p*(1 -p)A(M1 -1); Psuc2=M2 *p*(1 -p)A(M2-1); Psuc3=M3*p*(1-p)A(M3-1);

Initial Access Delay

Df=(nj./2)*Tcs;

Access Delay

d1=(1-Psuc1).Anj; d2=(1-Psuc2).Anj; d3=(1-Psuc3).Anj;

Daccess1=Df+(d1 ./(1-d1 ))*Tul_subframe; Daccess2=Df+(d2./(1-d2))*Tul_subframe; Daccess3=Df+(d3./(1-d3))*Tul_subframe;

Graphs

plot(nj,Daccess1,'-r','LineWidth',2); hold on;

plot(nj,Daccess2,'-b','LineWidth',2); plot(nj,Daccess3,'-k','LineWidth',2); hold off;

grid on;

xlabel('Number of Contention Slots'); ylabel('Access Delay (s)'); axis([0 4000 0 0.5]);

legend('No. of SS=150','No. of SS=250','No. of SS=270');

Published with MATLAB® 7.14

Evaluation of Access delay versus number of SS Contents

■ Initialization

■ Calculating probability of success

■ Initial Access Delay

■ Access Delay

■ Graphs

Initialization

Tcs=0.25*10A(-6); Tul_subframe= 10A(-3); p=0.06; nj1=1000; nj2=2000; nj3=3000; M=linspace(1,400);

Calculating probability of success

Initial Access Delay

Df1=(nj1/2)*Tcs; Df2=(nj2/2)*Tcs; Df3=(nj3/2)*Tcs;

Access Delay

d1=(1-Psuc).Anj1; d2=(1-Psuc).Anj2; d3=(1-Psuc).Anj3;

Daccess1=Df1+(d1./(1-d1))*Tul_subframe; Daccess2=Df2+(d2./(1-d2))*Tul_subframe;

Graphs

plot(M,Daccess1,'-r','LineWidth',2); hold on;

plot(M,Daccess2,'-b','LineWidth',2); plot(M,Daccess3 ,'-k' ,'LineWidth' ,2); hold off; grid on;

xlabel('Number of Subcriber Stations (N)'); ylabel('Access Delay (s)'); axis([0 300 0 0.3]);

legend('No. of CS=1000','No. of CS=2000','No. of CS=3000');

Published with MATLAB® 7.14

Evaluation of Access delay versus number of prob S Contents

■ Initialization

■ Calculating probability of success

■ Initial Access Delay

■ Access Delay

■ Graphs

Initialization

Tcs=0.25*10A(-6);

Tul_subframe= 10A(-3);

p=linspace(0,1,1000);

nj1=1000;

nj2=2000;

nj3=3000;

M=250;

Calculating probability of success

Psuc1=(1-p).A(M-1); Psuc2=p.*M; Psuc=Psuc2.*Psuc 1;

Initial Access Delay

Df1=(nj1/2)*Tcs; Df2=(nj2/2)*Tcs; Df3=(nj3/2)*Tcs;

Access Delay

d1=(1-Psuc).Anj1; d2=(1-Psuc).Anj2; d3=(1-Psuc).Anj3;

Daccess1=Df1+(d1./(1-d1))*Tul_subframe; Daccess2=Df2+(d2./(1-d2))*Tul_subframe; Daccess3=Df3+(d3./(1-d3))*Tul_subframe;

Graphs

plot(p,Daccess1,'-r','LineWidth',2); hold on;

plot(p,Daccess2,'-b','LineWidth',2); plot(p,Daccess3,'-k','LineWidth',2); hold off; grid on;

xlabel('Transmission Probability of each SS'); ylabel('Access Delay (s)'); axis([0.03 0.065 0 0.2]);

legend('No. of CS=1000','No. of CS=2000','No. of CS=3000');

Published with MATLAB® 7.14

Evaluation of prob suc versus number of SS Contents

■ Initialization

■ Calculating probability of success

■ Probability of Success

■ Graphs

clear off

Initialization

Tcs=0.25*10A(-6);

Tul_subframe= 10A(-3);

p1=0.04;

p2=0.06;

p3=0.08;

N=linspace(1,250);

Calculating probability of success

Psuc 11=(1-p1). a(N- 1);

Psuc21=N.*p1;

Psuc 12=(1 -p2). a(N- 1);

Psuc22=N.*p2;

Psuc13=(1-p3).A(N-1);

Psuc23=N.*p3;

Probability of Success

Psuc 1 =Psuc21. *Psuc 11; Psuc2=Psuc22. *Psuc 12; Psuc3=Psuc23.*Psuc13;

Graphs

plot(N,Psuc 1,'-r' ,'LineWidth' ,2); hold on;

plot(N,Psuc2,'-b','LineWidth',2); plot(N,Psuc3,'-k' ,'LineWidth' ,2); hold off; grid on;

xlabel('Number of Subcriber Stations'); ylabel('Probability of Success');

legend('Transmission Probability=0.04','Transmission Probability=0.06',... 'Transmission Probability=0.08');

Published with MATLAB® 7.14

Excel sheet for access delay Contents

■ Initialization

■ Individual values of p(Probability a SS will transmit in that frame)

■ Number of contention slots)

■ Number of SS

■ Probability of success

■ Initial Access Delay

■ Access Delay

■ Graphs

■ Vector

Initialization

Tcs=0.25*10A(-6); Tul_subframe=10A(-3);

Individual values of p(Probability a SS will transmit in that frame)

p1=0.01; p2=0.02; p3=0.03;

p4=0.04; p5=0.05; p6=0.06; p7=0.07; p8=0.08; p9=0.09; p10=0.1;

Number of contention slots)

nj=linspace(2000,3800,10);

Number of SS

M1=230;

Probability of success

Psuc 1 =M1 *p1*(1-p1 )A(M1 -1); Psuc2=M1*p2*(1-p2)A(M1-1); Psuc3=M1 *p3 *(1-p3 )A(M1 -1); Psuc4=M1*p4*(1-p4)A(M1-1); Psuc5=M1 *p5 *(1-p5 )A(M1 -1); Psuc6=M1*p6*(1-p6)A(M1-1); Psuc7=M1 *p7*(1 -p7)A(M1 -1); Psuc8=M1*p8*(1-p8)A(M1-1); Psuc9=M1*p9*(1-p9)A(M1-1); Psuc 10=M1 *p10*(1-p 10)A(M1 -1);

Initial Access Delay

Df=(nj./2)*Tcs;

Access Delay

d1= 1-Psuc1).Anj;

d2= 1-Psuc2).Anj;

d3= 1-Psuc3).Anj;

d4= 1-Psuc4).Anj;

d5= 1-Psuc5).Anj;

d6= 1-Psuc6).Anj;

d7= 1-Psuc7).Anj;

d8= 1-Psuc8).Anj;

d9= 1-Psuc9).Anj;

d10=(1-Psuc10).Anj;

Daccess1=Df+(d1 ./(1-d1 ))*Tul_subframe; Daccess2=Df+(d2./(1-d2))*Tul_subframe; Daccess3=Df+(d3./(1-d3))*Tul_subframe;

Daccess4=Df+(d4./(1-d4))*Tul_subframe; Daccess5=Df+(d5./(1-d5))*Tul_subframe; Daccess6=Df+(d6./(1-d6))*Tul_subframe; Daccess7=Df+(d7./(1-d7))*Tul_subframe; Daccess8=Df+(d8./(1-d8))*Tul_subframe; Daccess9=Df+(d9./(1-d9))*Tul_subframe; Daccess10=Df+(d10./(1 -d10))*Tul_subframe;

Graphs

plot(nj,Daccess1,'-r','LineWidth',2); hold on;

plot(nj,Daccess2,'-g','LineWidth',2); plot(nj,Daccess3 ,'-b' ,'LineWidth' ,2); plot(nj,Daccess4,'-c','LineWidth',2); plot(nj,Daccess5 ,'-m' ,'LineWidth' ,2); plot(nj,Daccess6,'-y','LineWidth',2); plot(nj,Daccess7,'-k','LineWidth',2); hold off; grid on;

xlabel('Number of Contention Slots');

ylabel('Access Delay');

axis([2000 3800 0 200*10A(-3)]);

legend('No. of SS=100','No. of SS=120','No. of SS=140');

Vector

s1=Daccess1'; s2=Daccess2'; s3=Daccess3'; s4=Daccess4'; s5=Daccess5'; s6=Daccess6'; s7=Daccess7'; s8=Daccess8'; s9=Daccess9'; s10=Daccess10';

v=[s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10];

Published with MATLAB® 7.14

Effect of cs allocation on access delay Contents

■ MAIN CODE

■ Initialization

■ Calculation of noise in the channel

■ Algorithm for change in number of CS

■ Graphs

MAIN CODE Initialization

Tcs=0.25*10A(-6);%length of contention slot Tul_subframe= 10A(-3 );%uplink subframe p=0.06; Lamda=0.1;

Rs = 300; %Maximum number of users we have on our system Nj=1000; % Number of contention slot

Calculation of noise in the channel

To = 290;% absolute temperature noise_fig = 10A0.8;

K = 1.3803*10A(-23);% BOLTZMAN'S CONSTANT No=2;% ambient noise j = 0; i= 0;

Daccess1 =(1:30); Grade_of_Service 11=(1:30); System_troughput = (1:30); zz=10; % Traffic load (USERS) delay_thres = 0.2; ks = 300; R = 10;

Algorithm for change in number of CS

while j< ks; i=i+1;

N_data = 4000-Nj; delta = N_data*Tcs; %%Evaluation of the Grade of service

%%%% Calculating probability of success

Psuc1=(1 -p).A(zz-1);

Psuc2=zz.*p;

Psuc=Psuc2.*Psuc 1;

%%%% Initial Access Delay

Df1=(Nj/2)*Tcs; %%%%%% Access Delay d1=(1-Psuc).ANj;

Daccess1(1,i) = Df1+(d1./(1-d1))*Tul_subframe; %Grade_of_Service 11(1 ,i) = GoS_Sharing1(zz,N); zz= zz + 10; j= j+10;

if Daccess1(1,i) >= delay_thres; Nj= Nj+1000; if Nj >= 3000;

Nj = 3000; end end

System_troughput(1,i) = ((Lamda. *zz)*(1-(1 -Psuc)AR))./((Tul_subframe/delta)); end

Graphs

zz=[0:10:290]; Nj = [100:100:3000]; figure

plot(zz,Daccess1,'-r','LineWidth',2)

%axis([0 300 0 0.2])

xlabel ('Number of Subscriber Stations')

ylabel ('Access delay (s)')

grid on

figure

plot(zz,System_troughput,'-g','LineWidth',2) xlabel ('Number of Subscriber Stations') ylabel ('System throughput') grid on figure

plot(Nj,System_troughput,'-g','LineWidth',2) xlabel ('Number of Contention Slots') ylabel ('System Throughput') grid on figure

plot(Nj,Daccess1,'-r','LineWidth',2) xlabel ('Number of Contention Slots') ylabel ('Access delay (s)') grid on

Published with MATLAB® 7.14

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Алгоритм повышения качества обслуживания на PHY уровне сетей WiMAX с использованием техники ретрансляционного узла и совместного использования спектра

Contents

■ MAIN CODE

■ Algorithm for choosing relay path

■ SHARED-SPECTRUM THROUGHPUT EVALUATION

■ BLOCKING PROBABILITY EVALUATION

■ Graphs

clear

clc

clf

MAIN CODE

Y = 15.848;% shadowing effect value(12dB) Lamdaone = 5;%path loss in complex environment Lamdatwo = 2; Lamda=5;

BW1 = 4000;% OPERATOR BANDWIDTH BWS = 500;% SHARED BANDWIDTH BW=4000;

Rs = 10000; %radius of the coverage area:twice the distance between HBS and FBS

N = 1000; %number of channels

N1= 500;%operator channels

N2= 200;% shared channels

m = 1000; %number of user

add = 1000;

To = 290;% absolute temperature noise_fig = 10A0.8;

K = 1.3803*10^-23);% BOLTZMAN'S CONSTANT Thr=0.8;% threahold value No=2;%anbient noise(look for the true value) Pr= 5011.872336;

BW2 = (BWS*75)/100;% AVAILABLE SHARED BANDWIDTH

BW_S = BW1+BW2; %NEW BANDWIDTH WHEN SWITCH TO THE SHARED BANDWIDTH BW3 = (BWS*50)/100;% second scenario BW4 = (BWS*30)/100; % third scenario BW_S1 = BW3+BW1; BW_S2 = BW4+BW1; i = 0; j = 0;

mean_Relay_link_power = (1:10);

mean_Direct_Link_power = (1:10); ALGO_LINK_POWER = (1:10); mean_Relay_Link_Throughput = (1:10); mean_Direct_Link_Throughput= (1:10); ALGO_LINK_THROUGHPUT= (1:10); mean_Blocking_Proba_Direct_Link =(1:10); mean_Blocking_Proba_Shared_Link = (1:10); ALGO_LINK_BLOCKING_PROBA = (1:10); zz=1000;

ALGORITHM FOR CHOOSING RELAY PATH

while i< Rs; j = j+1;

H = abs(RAY_model2(N)'); Hr= abs(RICIAN_model2(15,N)');

Xone = H.*(1.12+0.8*randn(1,m)');%fading value between MS and FBS mean and standard deviation for mean purpose Yone = (12*ones(1,m)');%shadowing value put into matrix form

Xtwo = Hr.*(1.12+0.8*randn(1,m)');%Fading value between BSs; mean and stardard deviation for mininum purpise

x= randi([i,(i+add)],m,1);

y= randi([i,(i+add)],m,1);

Z= complex(x,y);

d = abs(Z);

dtwo= Rs/2;

done= sqrt((x-dtwo).A2+y.A2);

%**************POWER EVALUATION************************ Relay_Link_Power= RELAY_LINK_POWER2(Pr,Yone,Lamdaone,Xone,done); Direct_Link_Power= DIRECT_LINK_POWER(Pr,Lamda,d,Yone,Xone); mean_Relay_Link_Power(1j) = mean(abs(sum(Relay_Link_Power)./m)); mean_Direct_Link_Power(1 j)=mean(abs(sum(Direct_Link_Power)./m)); ALGO_LINK_POWER(1 j)= min(mean_Relay_Link_Power(1 ,j),mean_Direct_Link_Power(1,j)); Pt1= 10*log10(Pr)+ 10 *Lamda*log 10(done)- 10*log10(Xone)- 10*log10(Yone); Pt= 10*log 10(Pr)+10*Lamda*log 10(d)-10*log(Xone);% power between MS and HBS Pt_algo = min(Relay_Link_Power,Direct_Link_Power);

SNR1 = (mean(RELAY_LINK_POWER2(Pr,Yone, Lamdaone,Xone,done)./Noise_Power(K,To,BW,noise_fig))); SNR2 = (mean(DIRECT_LINK_POWER(Pr,Lamda,d,Yone,Xone)./Noise_Power(K,To,BW,noise_fig))); SNR_ALGO = (mean(Pt_algo)./Noise_Power(K,To,BW,noise_fig));

SNR_SHR = (mean(DIRECT_LINK_POWER(Pr,Lamda,d,Yone,Xone)./Noise_Power(K,To,BW_S,noise_fig)));

Relay_Link_Throughput= RELAY_LINK_THROUGHPUT2(SNR1,BW); Direct_Link_Throughput=DIRECT_LINK_THROUGHPUT2(SNR2,BW); mean_Relay_Link_Throughput( 1 j)= abs(Relay_Link_Throughput)./m; mean_Direct_Link_Throughput(1,j)= abs(Direct_Link_Throughput)./m; ALGO_LINK_THROUGHPUT( 1 ,j)= abs(ALGO_THROUGHPUT(SNR_ALGO,BW ))./m;

%ALGO_LINK_THROUGHPUT(1,j) = max(mean_Relay_Link_Throughput(1 ,j),mean_Direct_Link_Throughput( 1,j)); %end

SHARED-SPECTRUM THROUGHPUT EVALUATION

BLOCKING PROBABILITY EVALUATION

ALGO_LINK_BLOCKING_PROBA= GoS_Sharing 1 (zz,N1); Blocking_Proba_Shared_Link= Grade_of_Service2(zz,N1 ,N2);

mean_ALGO_LINK_BLOCKING_PROBA(1 j)= abs((ALGO_LINK_BLOCKING_PROBA)./m);%do i need to devid by

m?

mean_Blocking_Proba_Shared_Link(1,j)= abs((Blocking_Proba_Shared_Link)./m);%do i need to devid by m? %ALGO_LINK_BLOCKING_PROBA(1 j)= min(mean_Blocking_Proba_Direct_Link(1 ,j), mean_Blocking_Proba_Shared_Link(1,j)); i= i+add; zz= zz + 1000; end

TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING = horzcat(mean_THROUGHPUT_IN_SHARING1,mean_THROUGHPUT_IN_SHARING_TWO);

TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING(TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING==0)= []; TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING1 = horzcat(mean_THROUGHPUT_IN_SHARING1,mean_THROUGHPUT_IN_SHARING_THREE);

TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING1(TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING1 ==0)= []; TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING2 = horzcat(mean_THROUGHPUT_IN_SHARING1,mean_THROUGHPUT_IN_SHARING_FOUR);

TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING2(TOTAL_THROUGHPUT_IN_SHARING2==0)= [];

Graphs

t=(0:add:Rs-1000);

plot(t,mean_Relay_Link_Power,'. -b')

grid on

hold on