DonNTU   Masters' portal

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В настоящее время в развитых странах мира наблюдается устойчивая тенденция к стремительному развитию телекоммуникационных услуг Triple Play. На первое место для телекоммуникационных операторов выходят задачи предоставления абонентам услуг высокоскоростного доступа к сети Интернет, IP-телевидения, передачи данных, видеотелефонии и видеоконференцсвязи.

1. Актуальность темы

Особенно актуально решение этих задач для операторов беспроводной мобильной связи – при обеспечении доступа к сети появляются дополнительные сложности, которые отсутствуют в сетях проводной фиксированной связи. К этим сложностям можно отнести многолучевое распространение сигнала, которое приводит к медленным и быстрым замираниям, рассеяние энергии в атмосфере, поглощение кронами деревьев, отражение от зданий, водных поверхностей и других плоскостей. Кроме того, сам факт мобильности абонента усложняет прием сигнала, в частности, при перемещении абонента между сотами, когда нужно сохранить качество предоставляемых услуг.

При разработке таких сетей неотъемлемой частью алгоритма проектирования является применение программных средств для проверки правильности расчетов количества и типа оборудования для сети. Например, для проверки расчета радиопокрытия территории применяют специальные программные комплексы, в которых можно задавать характеристики антенн (тип диаграммы направленности, ее наклон, количество секторов), фидеров, приемопередатчиков. Без применения таких программных комплексов сложно рассчитать необходимое количество базовых станций для покрытия территории.

Существуют аналогичные программы для расчета оборудования с позиции обеспечения емкости сети. Но таких программ гораздо меньше, кроме того, вопрос об обеспечении параметров QoS для предоставляемых услуг решен частично или же вообще не решен. Поэтому моделирование участков сети и всей сети в целом с целью проверки обеспечения параметров QoS абоненту является актуальной задачей для разработчиков телекоммуникационного ПО. Кроме того, в этих комплексах должна быть также реализована задача оптимизации сети. Использование таких программ позволит в значительной степени ускорить процесс разработки проекта сети и оптимизировать количество оборудования.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель магистерской работы заключается в обосновании возможности построения беспроводной телекоммуникационной сети мобильной связи третьего поколения для условий города Донецка с применением алгоритмов моделирования и оптимизации участков сети.

Основные задачи исследования:

  1. Разработка проекта беспроводной сети мобильной сотовой связи для условий г. Донецка.
  2. Изучение представления топологии участка сети (или всей сети) в виде сети Петри.
  3. Исследование инструмента идемпотентной алгебры для моделирования и оптимизации сети.
  4. Анализ возможных критериев оптимизации сети.
  5. Моделирование и оптимизация участков сети по выбранным критериям.

Объект исследования: беспроводная телекоммуникационная сеть мобильной сотовой связи для г. Донецка.

В рамках магистерской работы планируется получение актуального научного результата – в работе будут представлены алгоритмы моделирования различных процессов в сети, а также оптимизации участков сети с целью их улучшения:

  1. Время ожидания принятия заявки на обслуживание абонента.
  2. Задержка при голосовой и видеосвязи.
  3. Пропускная способность канала связи при перегрузках сети (к примеру, для временных перегрузок – во время проведения различных городских мероприятий).
  4. Время осуществления хендовера в сети. Зная алгоритм работы контроллеров и базовых станций, можно оценить, как быстро произойдет передача обслуживания абонента, и как это отразится на качестве услуги, которой в момент хендовера пользуется абонент.

Для экспериментальной оценки полученных теоретических результатов и формирования фундамента последующих исследований, в качестве практического результата будет представлен проект сети беспроводной мобильной связи третьего поколения для города Донецка. Планируется использование технологии UMTS/WCDMA для реализации сети.

3. Обзор исследований и разработок

Беспроводные сети мобильной связи третьего и четвертого поколений – актуальная тема для абонентов, операторов мобильной связи, производителей оборудования, поэтому этой теме посвящено множество разработок во всем мире.

3.1 Обзор международных решений

Целый ряд ученых занимался и занимается исследованиями мобильных сетей третьего поколения. Много таких исследований проведено учеными на территории СНГ: А.И. Бабин «Проектирование оптимальной подсистемы радиодоступа сети 3G/UMTS/WCDMA на основе теории монотонных систем» [1], С.М. Аксенов «Исследование влияния процедуры хэндовера на качество услуг в сетях UMTS» (2008 год, г. Санкт-Петербург) [2].

Научные группы мировых разработчиков телекоммуникационного оборудования (Alcatel, Nokia, Siemens и др.) занимались исследованиями вопросов построения сетей стандартов UMTS.

В странах СНГ, как и в Украине, также наблюдается 3G-революция. В России три крупнейших оператора получили лицензии на предоставление услуг сотовой связи в стандарте UMTS: ОАО «Мобильные ТелеСистемы» (МТС), ОАО «Вымпелком» (торговая марка Билайн) и ОАО «МегаФон».

ОАО «МегаФон» стал первым российским оператором, запустившим сеть третьего поколения в коммерческую эксплуатацию. В начале октября 2007 года компания ввела в действие сеть из 30 базовых станций на территории г. Санкт-Петербурга. В мае 2008 года компания МТС запустила в коммерческую эксплуатацию сеть UMTS/HSDPA в г. Санкт-Петербург, а позже и в других городах Российской Федерации: Сочи, Казань, Нижнекамск, Саратов и др.

С сентября 2008 года компания «Вымпелком» также начала разворачивать сети 3G UMTS/WCDMA по всей территории России: Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Самара, Челябинск и т.д.

3.2 Обзор национальных решений

В Украине уже существуют несколько решений задач предоставления мобильного высокоскоростного доступа к сети Интернет:

  1. МТС – самый крупный оператор мобильной связи; сеть беспроводной мобильной связи построена на стандарте GSM. В данный момент МТС предоставляет услуги мобильного Интернета по технологии 3G CDMA 450 EV-DO.
  2. Киевстар – сеть этого оператора также построена по технологии GSM, предоставляет услуги доступа к сети Интернет и IP-TV по технологии 3G UMTS на базе оператора Utel.
  3. Life:) – основой сети является GSM, надстройка над GSM – подсеть 3G UMTS/WCDMA.
  4. Beeline – сеть, аналогичная Life:) – основная сеть GSM с надстройкой 3G UMTS/WCDMA.
  5. Utel – отдельный оператор мобильной связи третьего поколения, сеть которого построена по технологии 3G UMTS/WCDMA.
  6. PEOPLEnet – оператор, сеть которого является полностью сетью третьего поколения, построенная на стандарте CDMA2000 1x EV-DO Rev.A; предоставляет услуги доступа к сети Интернет.

Все основные операторы мобильной связи используют стандарты третьего поколения для реализации высокоскоростного доступа к сети Интернет. Но это направление буквально у всех операторов не слишком развито. Например, мобильный Интернет от МТС не позволяет загружать большие файлы, просматривать видеоконтент – фактически, есть возможность только просматривать web-странички. Это связано с тем, что количество оборудования 3G недостаточно для обслуживания всех желающих получить доступ к 3G сети абонентов, количество которых постоянно увеличивается.

Кроме того, цена на услуги мобильного Интернета остается в большинстве своем еще очень высокой.

У украинских операторов есть также проблемы другого характера. Например, у оператора Utel слабо развито направление голосовой связи – стоимость звонков на другие операторы стоит слишком дорого. PEOPLEnet предоставляет исключительно услуги доступа к сети Интернет, а возможности голосовой связи отсутствуют вообще.

3.3 Обзор локальных решений

Последние несколько лет магистры и специалисты ДонНТУ занимаются решением задач реализации беспроводных телекоммуникационных сетей мобильной связи третьего и четвертого поколений. Среди работ магистров-выпускников можно выделить следующие работы:

  1. Михаил Охрименко (ТКС-09м) «Исследование особенностей и разработка методики построения сетей нового поколения для операторов мобильной связи» (разработка сети по стандарту UMTS).
  2. Любовь Шаповалова (ТКС-09м) «Исследование и разработка модели передачи данных в сети радиодоступа по технологии WiMAX с учетом качества и безопасности».
  3. Ольга Бордунова (ТКС-10м) «Разработка и исследование методов оптимизации в сетях CDMA».

4. Основная часть

Особенности стандарта UMTS

Ни для кого не секрет, что ситуация с распределением частотных полос в Украине крайне напряженная (впрочем, как и в любой другой стране). Поэтому покупка частотной полосы достаточной для формирования частотного плана системы с частотным разделением каналов сопряжена с необходимостью освобождать диапазоны или их перераспределять, чтобы получить цельную полосу. То есть, проектирование, например, сетей связи четвертого поколения (LTE или WiMAX) еще в самом начале встречается с серьезными препятствиями. Менее загруженные диапазоны выше 3,5 ГГц обладают другим недостатком – базовые станции в этом диапазоне имеют небольшой радиус действия, то есть, количество оборудования для такой сети необходимо больше.

Более простая ситуация с системами связи с кодовым разделением каналов (UMTS, CDMA2000). Здесь сигналы «абонент-базовая станция» передаются на одной частоте, а разделение каналов осуществляется с помощью технологии CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением каналов) (рисунок 1).

Технология кодового разделения каналов

Рисунок 1 – Пример передаваемого кода с использованием технологии кодового разделения каналов

У каждого приемопередатчика есть свой псевдослучайный код, поэтому приемника распознает «свой» сигнал с помощью комбинации принятого сигнала и кода с использованием операции XOR. Сигналы других приемопередатчиков при этом игнорируются.

Таким образом, за счет того, что приемопередатчики работают на одной частоте, системы CDMA имеют высокую пропускную способность. Кроме того, системы CDMA имеют другие преимущества. За счет того, что длительность импульса псевдослучайного кода Тс намного меньше длительности импульса передаваемых данных Tb, ширина спектра сигнала передатчика намного больше ширины спектра сигнала данных. Таким образом, полученный сигнал широкополосный, а значит – шумоподобный, поэтому помехи, моделью которых чаще всего выступает Гауссов белый шум, не могут существенно ухудшить качество сигнала.

Эти системы обладают высокой скрытностью передачи – без знания псевдослучайного кода расшифровать принятые данные невозможно.

Составление плана проектирования

Задача проектирования беспроводной телекоммуникационной сети мобильной связи – одна из наиболее сложных и ответственных задач разворачивания сети. Нужно определить количество оборудования, места его расположения, распределить частотные каналы, исходя из совокупного критерия эффективность-стоимость.

С одной стороны, чрезмерная расстановка базовых станций будет невыгодной, поскольку приведет к излишним затратам, с другой стороны слишком редкое расположение базовых станций может вызвать появление необслуживаемых зон или нехватку ресурсов для обслуживания абонентского трафика (что, видимо, и наблюдается в украинских сетях 3G).

Кроме того, функционирование этих сетей характеризуется следующим обстоятельством – при увеличении количества активных абонентов в ячейке радиус ее зоны уменьшается.

Таким образом, проектирование сети мобильной связи требует итерационного подхода в расчетах, в процессе которого используются математические методы и методы компьютерного моделирования.

Итак, план разработки сети мобильной сотовой связи таков:

  1. Расчет количества базовых станций с использованием математических моделей.
    Сначала необходимо рассчитать покрытие территории объекта проектирования – то есть, определить радиус соты исходя из требования покрытия территории сигналом достаточного уровня. На территории не должно быть участков со слабым уровнем сигнала, который меньше чувствительности абонентского устройства, затемненных участков (из-за высоких зданий, например), участков без покрытия. Многие модели распространения позволяют учесть различные особенности объекта. Целесообразно рассчитать покрытие по нескольким моделям.
    Далее необходимо оценить емкость полученной сети радиодоступа, причем для каждой технологии сети свои способы расчета. И, если требуется большее количество базовых станций, скорректировать расчет.
  2. Составление частотно-территориально плана сети.
  3. Использование специального программного обеспечения для оценки радиопокрытия сети с рассчитанным ранее количеством базовых станций. В итоге также скорректировать количество оборудования.
  4. Расчет емкости скорректированной сети. Существуют также программные комплексы, позволяющие задать параметры интенсивности трафика для различных услуг, и оценить емкость сети. Если заданное количество станций не может обслужить предполагаемую нагрузку, создаваемую абонентами, необходимо добавлять приемопередатчики или базовые станции. Или, возможно, будет достаточно перепланировки расположения станций.
    Если базовых станций получается слишком много для рассчитанной нагрузки, нужно уменьшить это количество, перепланируя места расположения базовых станций, изменяя высоту подвеса, угол наклона диаграммы направленности антенн и изменением других параметров. В данном разделе также планируется использовать модели идемпотентной алгебры для моделирования работы сети и их последующей оптимизации с целью обеспечения параметров QoS.
  5. Повторное проведение радиопланирования и последующая корректировка количества оборудования.
  6. Повторный расчет емкости сети.
  7. Процесс продолжается до тех пор, пока не удастся достичь оптимального решения.

Проектирование UMTS сети для делового центра города Донецка

Для условий делового центра Донецка спроектирована сеть UMTS. Проектирование проводилось согласно плана проектирования:

  1. По модели Окамуры-Хата рассчитан радиус соты при среднестатистических параметрах базовых станций UMTS, условий города Донецка и чувствительности абонентской станции –140 дБ (рисунок 2).
    Радиус соты, согласно расчетам, 1км. Необходимое количество базовых станций при этом 17.
    Расчет радиуса соты базовой станции

    Рисунок 2 – Расчет радиуса соты базовой станции для условий г. Донецка

  2. Исходя из условий обеспечения емкости [3], необходимо 40–50 базовых станций. В проекте принято максимальное количество N=50.
  3. Рассчитано остальное оборудование, составлена структурная схема сети (рисунок 3).
    4. Структуртная схема сети UMTS

    Рисунок 3 – Структурная схема сети UMTS для условий города Донецка

Применение моделей идемпотентной алгебры для моделирования и оптимизации

Идемпотентная алгебра или макс-плюс алгебра – это новая математика, основывающаяся на двух основных операциях – новое сложение, которое равно максимуму, и новое умножение, которое совпадает со сложением. Идемпотентная математика является естественным аппаратом для решения задач оптимизации и оптимального управления [4].

Общий подход к оптимизации процессов в телекоммуникациях заключается в расчете оптимального значения некоторого параметра, который в данной задаче является критерием оптимизации.

Пусть есть сеть, представленная в виде ациклического графа, где вершины графа – узлы сети, дуги – маршруты, по которым заявки могут передаваться по сети. В каждом узле есть устройство обработки заявок и буфер, в котором может происходить ожидание обработки в очереди. В структуре сети есть особые узлы – источники и приемники заявок.

В начальный момент времени все устройства обработки заявок в сети свободные, очередь заявок в каждом узле-источнике имеет бесконечную длину, а очереди всех других узлов i содержат по некоторому количеству заявок, которые готовы к обслуживанию устройствами. Для формализации процесса вводятся следующие обозначения переменных:

Предусматривается, что τik – неотрицательные случайные величины с некоторым математическим ожиданием для всех i=1…n и k=1,2….

Для определённости задают дополнительные начальные условия процесса [5]: xi(0)=0, xi(k)=–∞ для k<0 и i=1,2…n;

С учётом принятых обозначений и предположений, динамика любого узла сети описывается в терминах макс-плюс алгебры, как

xi(k)=τik⊗ai(k)⊕τik⊗xi(k–1)

Так будет рассчитываться время завершения обслуживания k-той заявки в i-м узле сети при различных маршрутах прохождения этой заявки. Это позволит, во-первых, провести моделирование процесса обслуживания заявки разными маршрутами, а во-вторых, оптимизировать это время, выбрав наименьший маршрут.

Применение идемпотентной алгебры и аппарата сетей Петри позволит решить задачи моделирования и оптимизации важных параметров обслуживания абонентов мобильной сети связи 3G [6].

Приведенный выше алгоритм моделирования времени обслуживания заявки может быть использован для оценки времени ожидания принятия на обслуживания абонента [7], а также для его последующей оптимизации с целью минимизации.

Кроме этого, можно оценивать и оптимизировать такие параметры:

  1. Задержка при голосовой и видеосвязи.
  2. Пропускную способность канала связи при перегрузках сети (к примеру, для временных перегрузок – во время проведения различных городских мероприятий).
  3. Время осуществления хендовера в сети. Зная алгоритм работы контроллеров и базовых станций, можно оценить, как быстро произойдет передача обслуживания абонента, и как это отразится на качестве услуги, которой в момент хендовера пользуется абонент.

Выводы

При внедрении или наращивании сети удобно составить ее модель и оценить характеристики услуг, которые предоставляются абонентам, а потом, в случае необходимости, оптимизировать сеть по определенному критерию. Это позволит значительно упростить процесс построения сети, так как можно будет избежать ошибочных или неоптимальных решений.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Проектирование оптимальной подсистемы радиодоступа сети 3G/UMTS/WCDMA на основе теории монотонных систем [http://www.rae.ru/snt/]. – Бабин А.И. // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 2 – С. 52–56.
  2. Исследование влияния процедуры хендовера на качество услуг в сетях UMTS [http://www.pandia.ru/384505/]. – С.А. Аксенов, – Телекоммуникационные системы и компьютерные сети, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 2008.
  3. Исследование особенностей и разработка методики построения сетей нового поколения для операторов мобильной связи [http://masters.donntu.ru/2010]. – Автореферат квалификационной работы магистра.
  4. Компьютерные инструменты в образовании. – СПб.: Изд-во ЦПО «Информатизация образования», 2000, № 6, С.12–18.
  5. Применение сетей Петри для моделирования механизмов обеспечения QoS в компьютерных сетях // Механов В.Б. – Материалы международного симпозиума «Новые информационные технологии и менеджмент качества» (NIT&MQ 2010) ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика». – М.: ЭГРИ, 2010.
  6. Математичні основи теорії дискретно-безперервних систем: монографія // В.І. Бессараб. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011.
  7. Colored Petri Nets: modeling and validation of concurrent systems // Jensen A., Kristensen L. – Springer-Verlag, 2009.