Факультет:Комп'ютерні інформаційні технології та автоматики
Спеціальність: Телекомунікаційні системи та мережі
Тема випускної роботи:
Дослідження та оптимізація швидкісних характеристик мережі передачі даних стандарту CDMA2000
Науковий керівник: доцент, к.т.н., завідуючий кафедрой Бесараб Володимир Іванович
Автореферат
В умовах, коли існуючі мобільні мережі передачі даних, засновані на стандарті GSM перестають задовольняти сучасним потребам абонентів за своїми швидкісними характеристиками, виникає необхідність у побудові мереж мобільного зв'язку нового покоління, які, на відміну від своїх попередників, спочатку розроблялися з урахуванням пріоритету передачі даних. Ці мережі називають мережами 3-го покоління, до якого відносяться стандарти CDMA 2000 та WCDMA.
Для підвищення швидкості передачі даних у стандарті CDMA 2000 використовують надбудову, звану EVDO (Evolution-Data Optimized), що дозволяє досягати пікових швидкостей 2,4 Мбіт / с (при середніх близько 300-500 кбіт / с) в каналі «вниз» і до 153 кбіт / с у каналі вгору. При цьому досягається найбільш раціональне використання радіочастотного ресурсу - спектральна ефективність досягає 1,6 Мбіт / МГц. Виграш у швидкості передачі даних досягається за рахунок застосування тимчасового розділення в каналі від оператора до абонента. Однак підвищення швидкості передачі даних при використанні EVDO веде до неможливості надання послуг голосового зв'язку.
Метою даної магістерської роботи є вивчення і оптимізація швидкісних характеристик мережі передачі даних шляхом інтеграції в неї сегментів бездротових локальних мереж WLAN.
Завдання роботи:
- Розробка моделі двомірному CDMA2000/WLAN мережі;
- Дослідження характеристик розробленої моделі;
-Вибір методики оптимізації структури мережі;
В Україні широке розповсюдження отримав стандарт CDMA 2000. На даний момент на національному рівні в українському ринку мобільного зв'язку 3-го покоління присутні такі гравці, як CDMA Україна, PEOPLEnet, Велтон.Телеком, Інтертелеком і МТС. Причому, якщо перші три працюють у діапазоні 800 МГц, то МТС використовує подстандарт CDMA 450, відповідно в діапазоні 450 МГц, який раніше був задіяний під аналоговий стандарт NMT-450 і на даний момент є вільним.
В умовах жорсткої конкуренції, операторам необхідно шукати шляхи поліпшення якості і збільшення кількості надаваних ними послуг. У цьому плані найбільш перспективним представляється інтеграція сегментів WLAN (wireless local area network - бездротових локальних мереж) мереж в структуру мережі CDMA. Це дозволить усунути недоліки (низька швидкість CDMA і недостатня мобільність WLAN) і з'єднати гідності (велика мобільність CDMA і висока швидкість WLAN).
Дане рішення буде цікаво насамперед власникам ноутбуків, КПК та двухстандартних (CDMA2000/WI-Fi) мобільних телефонів, а також корпоративним клієнтам. Ще однією безсумнівною перевагою інтеграції WLAN і CDMA є можливість розвантажити проблемні зони мережі CDMA, в яких очікується скупчення великої кількості абонентів на одній локальній території (вокзали, аеропорти, стадіони, готелі).
Структура мережі CDMA 2000
Для початку розглянемо структуру мережі передачі даних стандарту CDMA 2000 [2]:
Рис.1 Структура мережі передачі даних стандарту CDMA 2000
Тут:
BS - Base Station, базові станції;
MSC - Mobile Switching Center, виконує функції комутації мобільних абонентів, розташованих в межах однієї географічної зони.;
VLR - Visitor Location Register, база даних, що містить відомості про абонентів-роумерах;
RNC - Radio Network Controller, відповідає за контроль передачі даних у мережі;
F-AAA - Гостьовий сервер аутентифікації, авторизації та обліку (Authentication,
Authorization, Accounting - AAA) дозволяють реалізувати функції
аутентифікації та авторизації абонентів для доступу до мереж пакетної передачі
даних, а також забезпечують облік споживаних послуг;
H-AAA - Домашній AAA;
PCF - Packet Control Function, виконує функції маршрутизації даних в мережі;
PDSN - Вузол обслуговування пакетної передачі даних PDSN (Packet Data Serving Node)
виконує функції шлюзу між мережею бездротового доступу і базовою мережею IP, дозволяє організувати доступ рухомих абонентів до послуг передачі пакетних даних у мережах Internet / Intranet;
HA - Home Agent, агент опорної мережі HA виконує функції інтерфейсу між системою 3G і мережею Internet, дозволяє організувати доступ рухомих IP-користувачів до мережі Internet;
HLR - Home Location Register, база даних, що містить інформацію про абонентів мережі.
Базові станції підключаються по каналах T1/T3 до RNC, який керує паралельної передачею даних декількох абонентів. Вузол PDSN здійснює агрегацію трафіку декількох RNC, а також виконує функції підтримки сесії для кожного мобільного вузла в зоні свого впливу. Зв'язок PDSN з мобільними вузлами здійснюється за принципом точка-точка по протоколу PPP.
PDSN повинен підтримувати два режими IP-операцій: Simple-IP і Mobile-IP. У режимі Simple-IP, якщо мобільний вузол переміщується від одного до іншого PDSN, PPP з'єднання повинні відновлюватися, при цьому абоненту присвоюється новий IP-адресу. Це обривається сесію користувача і вимагає від нього відновити всі свої дані. У режимі Mobile-IP більшість функцій PDSN реалізує гостьової агент (FA) [4], завдяки чому абонент може переходити від одного PDSN до іншого без обриву сесії.
Структура мережі WLAN (Wireless Local Area Network)
Тепер розглянемо архітектуру WLAN мереж:
Рис. 2 Структура мережі WLAN в режимі інфраструктури
MN - Mobile Node, мобільний вузол;
AP - Access Point, точка доступу.
У мережах WLAN, відповідно до стандарту IEEE 802.11 [3], здійснюється підтримка двох режимів роботи: infrastructure mode (станції взаємодіють один з одним не прямо, а через точку доступу (Access Point), яка виконує в бездротової мережі роль своєрідного концентратора) і ad - hoc mode (станції безпосередньо взаємодіють один з одним). Режим інфраструктури, зображений на рис. 2 Напоминает побудова стільникових мереж і є найбільш цікавим для здійснення бездротових Інтернет-послуг (WISPs).
Цей режим включає в себе: точку доступу (AP), яка виконує три функції:
1) здійснює виконання одного або більше 802.11 протоколів радіо-інтерфейсів (частотного з розширеним спектром (FHSS), прямий послідовності з розширеним спектром (DSSS), або ортогональні частотного ущільнення (OFDM));
2) реалізує 802.11 CSMA / CA MAC протокол і прив'язує MN до конкретного Basic Service Set ID (BSSID);
3) є місцем підключення MN до мережі протоколу Ethernet.
Для доступу до локальної мережі 802.11, MN спочатку проходить автентифікацію на AP, а потім асоціюється з цією точкою доступу для подальшої роботи в мережі. При передачі інформації між AP і MN може використовуватися додатковий захист за допомогою симетричного ключа на основі RC4-шифрування, званого Wired Equivalence Privacy (WEP).
У стандарті 802.11i використовується так званий протокол Port Based Access Control [8] для аутентифікації MN і Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) для динамічного повторного введення ключів шифрування. Також опційно може застосовуватися протокол Wireless Robust Authentication Protocol (WRAP), який використовує більш надійне шифрування AES.
Взагалі кажучи, існують два підходи в об'єднанні CDMA і WLAN мереж, це «тісне» з'єднання (tightly-coupled) і «слабка» з'єднання (loosely-coupled), докладно описані в [7]. Зупинимося на кожному з них окремо.
«Тісне» з'єднання
При "тісному" поєднанні обидві мережі в максимальній мірі використовують одні й ті ж ресурси фіксованої мережі з пакетною передачею даних. Ці дві системи незалежні тільки в бездротової частини.
Доступ до мережі 3G з мережі WLAN тут здійснюється через шлюз локальної мережі "WLAN GATEWAY", який повністю приховує всю внутрішню структуру WLAN мережі та здійснює всі необхідні функції взаємодії (забезпечення мобільності, аутентифікація абонентів і т. д.)
При цьому підході весь трафік WLAN мережі вводиться в мережу CDMA вже по протоколах останньої. Ці мережі будуть обмінюватися ідентичними сигналами аутентифікації, сигналізація, транспорту та білінгу, незалежно від протоколів, що використовуються на фізичному рівні і радіо-інтерфейсі.
Тим не менш, цей підхід має ряд недоліків. Перш за все, це необхідність повного володіння одним оператором як WLAN так і 3G мережею, оскільки при «тісному» з'єднанні буде зроблений великий рівень інтеграції мереж. В даному випадку, мережі WLAN не можуть бути інтегровані в CDMA мережі без явного фізичного підключення до основної мережі 3G. А в умовах, коли 3G мережі
розгортаються з використанням ретельних інженерних розрахунків та планування, а також можливостей зміни конфігурації кожного окремого елементу мережі з застосуванням тонких механізмів, що грунтуються на особливостях CDMA радіоінтерфейс, впровадження трафіку WLAN безпосередньо в 3G в ядро, потребують конфігурування мережевих елементів, таких, як PDSN.
обов'язкове використання 3G конкретних механізмів аутентифікації для
Також складність викликає побудова механізмів автентифікації в бездротових локальних мережах, змушуючи WLAN провайдерів приєднується до мережі SS7 3G оператора. Це робить можливим в цiй двомірному мережі роботу абонентів, які мають тільки дворежимний абонентські пристрої, крім всіх інших.
;«Слабке» з'єднання.
Як і в попередньому підході, тут передбачається введення нового елемента в локальну бездротову мережу - WLAN шлюзу. Тим не менш, у цій конструкції, шлюз підключається до Інтернету і не має прямого з'єднання з 3G мережею.
При «слабкого» з'єднанні до обох мережах можуть підключатися як абоненти з дворежимний кінцевими пристроями, так і звичайні абоненти CDMA або WLAN мереж. При цьому високошвидкісний трафік локальних мереж не буде інтегрований безпосередньо в мережу передачі даних 3G мережі, не впливаючи, тим самим, на її роботу.
При цьому підході використовуються різні механізми та протоколи, що виконують обробку аутентифікації, білінгу і хендовера в 3G і WLAN частинах мережі. Разом з тим, для забезпечення можливості безперебійної роботи, вони повинні взаємодіяти. У випадку взаємодія з CDMA2000, це припускає, що WLAN шлюз підтримує технологію Mobile-IP для здійснення переходу абонента між мережами, а також виконує взаємодію з AAA серверами 3G мережі. Це дозволить 3G провайдера зібрати з мережі WLAN повний бухгалтерський облік для створення єдиної платіжної системи з використанням різних цінових схем для обох (3G і WLAN) мереж.
У «слабкої» з'єднання є кілька переваг. По-перше, він дозволяє здійснити незалежне розміщення обладнання WLAN і 3G мереж. 3G оператори можуть скористатися послугами інших провайдерів WLAN, обійшовши, тим самим, без великих капітальних вкладень. У той же час, вони можуть продовжити розгортання 3G мереж, незалежно від того, якими темпами будуть розвиватися бездротові локальні мережі. Абонент більше не потребує створення окремих облікових записів у провайдерами, які розташовуються в різних регіонах і охоплюють різні технології доступу. Нарешті, на відміну від «тісного» з'єднання, даний підхід, що дозволяє використовувати Wi-Fi точки доступу в якості громадських, отримуючи додатковий прибуток.
Беручи до уваги все вищесказане, можна зробити висновок, що підхід «слабкого» з'єднання має ряд безперечних переваг у порівнянні з архітектурою «тісного» з'єднання, тому в якості побудови двомірних для мереж 3G оператора доцільно використовувати саме «слабка» з'єднання мереж.
Рис.3 «тісне» й «слабке» з'єднання мереж
частота кадрів - 12 кадров/с, анімація виконана в Macromedia Flash 8
Питання хендоверу CDMA2000 і WLAN.
ККрім питань взаємодії цих двох мереж, також великою проблемою на шляху їх інтеграції є забезпечення хендовера між ними.
В даному випадку, є можливість забезпечення як жорсткого (при використанні Simple IP), так і м'якого (Mobile IP) видів хендовера.
При використанні Simple IP, абонент при вмиканні пристрою спочатку реєструється в мережі (пріоритет віддається WLAN), одержує IP-адреса, що ідентифікує його саме з цією мережею і, при переході в іншу частину двомірному мережі абоненту необхідно заново реєструватися і отримувати новий IP-адресу. Перевагою цього рішення є його простота і універсальність.
Рішення Mobile IP [4] дозволяє абоненту отримати, так званий, домашню адресу (HoA), який буде використовуватися як домашнім агентом (HA) в його мережі, так і гостьовим агентом (FA) при переході в іншу мережу. Це рішення є більш складним для виконання, оскільки, крім того, що функціями Mobile IP повинні володіти такі вузли мережі, як PDSN і WLAN Gateway, також з'являється необхідність в застосуванні спеціальних кінцевих абонентських пристроїв.
Для математичного опису вибору кінцевим вузлом абонента тієї мережі, у якій він буде працювати в конкретний момент часу, задамося двома критеріями: швидкість передачі і вартості.
Введемо наступні змінні:
- I - інтерфейс (CDMA або Wi-Fi);
- DT - необхідна швидкість передачі даних;
- DS, i - підтримувана швидкість передачі даних у i-му інтерфейсі;
- Pi - вартість i-го інтерфейсу;
- - Критичний коефіцієнт пропускання i-го інтерфейсу;
Тоді функція швидкості передачі даних прийме наступний вигляд:
Вартісна функція:
Тепер побудуємо алгоритм підключення абонента при включенні кінцевого пристрою:
Далі слід оптимальний алгоритм вибору робочої мережі
Таким чином, за двома даними критеріями здійснюється вибір мережі, в якій в конкретний момент буде вести роботу абонент.
Висновок і перспективи дослідження
Комплексні послуги WLAN/CDMA2000 безсумнівно принесуть користь як операторам зв'язку, так і абонентам. А підхід «слабкого» взаємодії дозволить здійснити інтеграцію двох даних мереж найбільш безболісно і найменш матеріально затратно. При цьому, використання Mobile IP дозволить отримати вільний доступ і м'який перехід між обома мережами.
Для об'єднання мереж потрібно в мережі WLAN розмістити, що підтримує Mobile IP і
протоколи аутентифікації, що використовуються в мережах CDMA.
В подальшому, з уяетом всіх вищеописаних рекомендацій, буде створена модель даної двомірному мережі, а також будуть оцінені такі її характеристики, як пропускна здатність, вірогідність відмови при обслуговуванні та хендовере, оптимальне розташування базових станцій і сегментів мереж WLAN щодо розміщення абонентів.
Список літератури
1. “CDMA: Access and Switching: For Terrestrial and Satellite Networks (Hardcover)” by Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis 2001.
2. “CDMA systems capacity engineering” by Kiseon Kim, Insoo Koo 2005.
3. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)
specifications. ANSI/IEEE Std 802.11: 1999 (E) Part 11, ISO/IEC 8802-
11, 1999.
4. “IP Mobility Support for IPv4”, C. Perkins August 2002.
http://www.ietf.org/rfc/rfc3220.txt/
5. “An Strategy for interworking between WLAN and cdma2000” by Young J. Lee, Jin H. Lee,
Yeong M. Jang, Gi J. Jeon November 2003
http://www.ieee802.org/21/archived_docs/pre_nov03_documents/YeongMinJangcontribution.ppt
6. “Design, Implementation and Evaluation of Cellular IP” by A. Campbell. J. Gomez, S. Kim, A. Valko, C. Wan, Z. Turanyi, August 2000
http://nalab.icu.ac.kr/course/2002fall/material/cellular_ip.pdf
7. “Integration of 802.11 and third generation wireless data networks” by M. Buddhikot, G. Chandranmenon G., S. Han, Y. W. Lee, S. Miller S. and L. Salgarelli, April 2003.
http://www.comsoc.org/confs/ieee-infocom/2003/papers/13_01.PDF
8. Local and Metropolitan Area Networks: Standard for Port Based Network. Access Control. Technical report, IEEE P802.1x, January 2001.
9. “Seamless Handover between CDMA2000 and 802.11 WLAN using mSCTP” by Deng Feng and Professor Harsha R.Sirisena, December 2006.
http://ir.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/1174/1/thesis_fulltext.pdf
10. “Seamless Handoff of Mobile Terminal from WLAN to cdma2000 Network” by Hemant Chaskar, Dirk Trossen, Govind Krishnamurthi, 2004.
