В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Методология создания беспроводных мультисервисных сетей класса WiMAX. Часть 2

Владимир Широков, эксперт, к.т.н.

Впервой части статьи были сформулированы общие задачи, решаемые при создании сети WiMAX, и рассмотрены задачи сбора исходных данных, выбора оборудования, топологии, структуры, расчета ресурсов, оценки покрытия.

Во второй части рассматриваются задачи разработки сценариев развертывания сети WiMAX, расчета и оценки производительности сети.

На каждом шаге сценарий развертывания определяет технические параметры сети WiMAX. В свою очередь, параметры определяют производительность сети, то есть возможность обслуживать определенное количество абонентов и сервисов.

Разработка сценариев развертывания WiMAX

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

• базовых станций (БС);
• кластеров сети WiMAX;
• секторов, прямых и обратных каналов БС;
• опорных каналов сети.

Под сценарием развертывания сети WiMAX подразумевается выбор конкретной последовательности установки сетевых элементов: секторов базовых станций, каналов БС, опорной сети. Поэтому реализация этапов сценария развертывания WiMAX определяет показатели производительности базовых станций и сети в целом.

Возможны различные сценарии развертывания сети WiMAX. Предлагается обобщенная методика генерации и реализации сценариев развертывания сети:

1. местность разбивается на перекрывающиеся соты сначала максимального радиуса для соответствующей категории местности. Причем территория может быть разбита на квадраты, треугольники, шестиугольники и т.д. (по числу секторов);
2. при разбиении местности на соты рассчитываются координаты и выбираются параметры: усиление, диаграммы направленности, высоты подвеса антенн при заданной мощности, структуре БС и дальности (например, на начальном этапе выбираются не секторные антенны, а с круговой диаграммой);
3. по мере роста количества подключенных абонентов наращивается пропускная способность базовых станций, чтобы не допускать их перегрузки. При этом производится замена круговых антенн секторными: увеличивается количество секторов и каналов БС (как правило, до 3, 4, 6 и т.д.).Соответственно возрастает пропускная способность системы, уменьшаются временные задержки при обслуживании, увеличивается количество пользователей и услуг;
4. увеличивается плотность размещения БС (количество на единицу площади): более крупные соты разбиваются на соты с меньшим радиусом, для которых также используется процедура, описанная в п. 2–3;
5. процедура повторяется итерационно до тех пор, пока не будет достигнута заданная производительность для покрываемой территории. Производительность сектора или БС должна соответствовать плотности и охвату абонентов, количеству предоставляемых услуг и пользователей, обслуживаемых одновременно.

В зависимости от выбранной последовательности, этапности, дискретности добавления сетевых элементов (узлов, каналов, секторов) получаем конкретный сценарий развертывания сети WiMAX. При этом сеть в целом и базовые станции на отдельных этапах развертывания имеют фиксированную структуру, обладая определенной производительностью, которая зависит от выбранных параметров базовых станций и каналов опорной сети. Соответственно при изменении структуры системы необходимо оперативно рассчитывать ее производительность. Для расчета необходимы интенсивности обслуживания трафика в узлах, входной нагрузки, пропускной способности каналов, период следования или размер пакетов.

Методики

Для расчета параметров БС WiMAX и оценки производительности используются математические модели и методы, разработанные для мультисер-висных систем обмена информацией (МСОИ).

Моделями объекта WiMAX класса МСОИ являются модели нагрузки, функционирования и производительности.

Сеть WiMAX как система МСОИ используется для передачи как минимум двух видов информации. Это могут быть либо данные и голос, либо данные и видео, либо данные, голос и видео одновременно. Каждая услуга имеет свои характеристики, создавая определенную нагрузку на элементы сети.

Поскольку время обслуживания в узле и время передачи в канале пропорциональны длинам пакетов, каждый пакет может рассматриваться как запрос или транзакция.

Согласно принципам независимости, возможности разделения и объединения сервисных потоков, расчет параметров сети может выполняться раздельно для разных видов нагрузки, услуг, узлов, каналов.

В качестве модели нагрузки выбрана ступенчатая функция, имеющая только два состояния (есть пакет или нет пакета) и характеризующаяся интенсивностью трафика на входе, длиной пакетов, периодом их следования, активностью услуги или пользователя.

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

Узлы в зависимости от состава, структуры, характеристик обладают различной интенсивностью обслуживания, которая запрашивается у производителя или определяется по специальной методике.

Пассивные сетевые элементы (линии, или направленные каналы) в зависимости от ширины в МГц, информативности (бит/сек/Гц) схем модуляции, защитных интервалов для радиосигналов характеризуются своей пропускной способностью (Мбит/с).

Для расчета и оценки производительности узла как модели с конечным числом источников нагрузки на входе используются соотношения А.А. Шерра:

где T₀ – среднее время ответа, или время, проведенное пакетом в узле; N – число источников нагрузки; μ, λ – интенсивности обслуживания пакетов и трафика нагрузки соответственно; p₀ – вероятность того, что в узле нет запросов, причем

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

Интенсивность (λ) внутрисетевого трафика вычисляется через интенсивность внешней нагрузки. Интенсивность (μ) обработки пакетов узлами можно получить у производителя оборудования или самостоятельно по специальной методике.

Используя полученные или рассчитанные значения интенсивностей обслуживания и трафика нагрузки, ограничения пропускной способности каналов и предельной временной задержки, можно рассчитать и оценить параметры производительности сетевых элементов WiMAX (узлов, или базовых станций, каналов).

Основной параметр производительности сетевого элемента, узла и канала определяется как количество активных пользователей, обрабатываемых пакетов (определенной длины) или предоставляемых одновременно услуг за конкретный временной период.

Параметр производительности - временная задержка - определяется при конкретных значениях количества пользователей и временном ограничении.

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

Соответственно у систем различают рабочую, пиковую и предельную производительность.

Рабочая производительность определяет среднее количество пользователей или услуг, предоставляемых системой или сетью в течение временного периода.

Пиковая производительность определяет производительность системы, базовой станции, сетевого элемента или сети в целом при пиковой нагрузке.

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, или запросы, могут проходить несколько узлов и изменять свою длину (b).

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

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

Определяющим параметром производительности (W(N,τ)) системы МСОИ является суммарное число активных абонентов, обслуживаемых базовыми станциями сети S (WiMAX)

При этом учитывается ограничение на временную задержку (τ < T₀) обслуживания пакетов, запросов или транзакций.

Результатами расчета производительности – W(N,τ) – по предложенным методикам является вычисление числа (n) пакетов и задержки (τ) при обработке пакета в типовом контуре (без учета стояния пакета в очередях). При этом по суммарной нагрузке также рассчитывается необходимая и достаточная пропускная способность (C) и число (K) обслуживающих каналов WiMAX как системы МСОИ.

Таким образом, сначала на основании полученных исходных данных задаются начальные условия и рассчитываются пропорции (β_t:β_v:β_d) нагрузки между nt:nv:nd для некоторого условного канала. Затем производятся вычисления ресурсно-временных затрат на передачу пакетов голосового трафика для этого канала с учетом канального и сетевого уровня.

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

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

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

Предельная производительность системы обмена находится при коэффициенте загрузки (ρ → 1) для одного или нескольких узлов и/или каналов при временной задержке τ>T_n – больше предельного ограничения.

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

Основным параметром системы является ее временная задержка (τ) обработки (передачи) информации. Этот параметр рассчитывается без учета нахождения в очередях. Задержка (τ) определяет функциональные параметры производительности МСОИ (WiMAX): рабочую, пиковую и предельную.

В заключительной части статьи будет представлена методика стоимостной оценки инфраструктуры сети класса WiMAX.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #3, 2010
Посещений: 7396

Автор Владимир Широков Эксперт, к.т.н. Всего статей:  3

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций