Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена. Окончательное завершение: июнь 2021 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора после указанной даты.

Содержание

Введение

На сегодняшний день, в связи с постоянным развитием общества, необходимость в общении, передаче и хранении информации непрерывно возрастает. Клиентский спрос и технологические новинки – это основополагающие движущие силы развития телекоммуникаций. В свою очередь, развитие телекоммуникационных технологий тесно связано с возможностями каналов связи – от аналоговых к высокоскоростным цифровым волоконно-оптическим линиям связи – и компьютеризацией общества. Таким образом, можно выделить следующие этапы в развитии телекоммуникаций [1,2]:

  • телеграфные и телефонные сети (докомпьютерная эпоха);
  • передача данных между отдельными абонентами по выделенным и коммутируемым каналам с использованием модемов;
  • сети передачи данных с коммутацией пакетов: дейтаграммные или использующие виртуальные соединения (типа Х.25);
  • локальные вычислительные сети (Ethernet);
  • цифровые сети интегрального обслуживания (ISDN) – узкополосные, а затем широкополосные;
  • высокоскоростные локальные сети – Fast Ethernet;
  • высокоскоростные распределенные сети – АТМ;
  • информационные супермагистрали.

В современном обществе прослеживается тенденция замены проводных элементов оборудования более новыми беспроводными. Это намного удобнее не только по причине мобильности аппаратов, но и с точки зрения удобства в использовании.

Беспроводные технологии – это подкласс информационных технологий, служащий для переноса информации от одного устройства к другому, которые находятся на определенном расстоянии, без участия проводного подключения. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В зависимости от природы передающей среды различают четыре типа беспроводной передачи данных [3]:

  1. Радиоканалы сотовой связи. Передача данных осуществляется беспроводным путем от передатчика к приемнику. Передатчик формирует радиоимпульс определенной частоты и амплитуды, колебание излучается в пространство. Приемник фильтрует и обрабатывает сигнал, после этого происходит извлечение нужной информации. Радиоволны частично поглощаются атмосферой, поэтому такая связь может искажаться при повышенной влажности или дожде. Мобильная связь работает именно на основе радиоволновых стандартов, каналы беспроводной передачи данных отличаются скоростью передачи информации и диапазоном рабочих частот;
  2. Спутниковые каналы. Этот способ передачи информации заключается в использовании спутника, на котором установлена антенна со специальным оборудованием. Сигнал поступает от абонента на ближайшую наземную станцию, затем осуществляется переадресация сигнала на спутник. Оттуда информация отправляется на приемник, другую наземную станцию. Спутниковая связь используется для обеспечения телевидения и радиовещания. Спутниковым телефоном можно воспользоваться в любой отдаленной от станций сотовой связи точке;
  3. Инфракрасные каналы. Связь устанавливается между приемником и передатчиком, которые находятся на близком расстоянии друг от друга. Такой канал для беспроводной передачи данных работает посредством светодиодного излучения. Связь может быть двусторонней или широковещательной;
  4. Лазерные каналы. Принцип действия такой же, как в предыдущем варианте, только вместо светодиодов используется лазерный луч. Объекты должны находиться в непосредственной близости друг от друга.

В настоящее время наиболее перспективным наряду с другими глобальными сетями является стандарт LTE (Long-Term Evolution). Широкополосный мобильный доступ дает наивысшую скорость беспроводной пакетной передачи данных. В отношении полосы рабочих частот все неоднозначно. Стандарт LTE очень гибкий, сети могут базироваться в частотном диапазоне от 1,4 до 20 МГц.

Дальность действия сетей зависит от высоты расположения базовой станции и может достигать 100 км. Возможность подключения к сетям предоставляется большому количеству гаджетов: смартфонам, планшетам, ноутбукам, игровым консолям и другим устройствам, которые поддерживают данный стандарт. В аппаратах должен быть встроен модуль LTE, который работает совместно с имеющимися стандартами GSM и 3G. В случае обрыва связи LTE девайс переключится на имеющийся доступ к сетям 3G или GSM без обрыва подключения. Технологии централизованного управления сетевыми подключениями, высокое качество мобильной связи и доступа в мобильный Интернет, широкое территориальное покрытие постепенно становятся привычными параметрами инфокоммуникационных услуг. Абоненты перестают относиться толерантно к необходимости ожидания: они требуют мгновенного доступа, который и удобен, и эффективен.

Вышеперечисленное является предпосылкой для развития поставщиков услуг связи. В настоящий момент активно ведутся работы по внедрению и запуску стандарта 5G – пятого поколение мобильной связи, действующего на основе стандартов телекоммуникаций, следующих за существующими стандартами 4G/IMT-Advanced. Данный стандарт имеет множество преимуществ, таких как высокая средняя скорость до 1 Гб/с, количество подключений – миллионы на квадратный километр, сокращение задержки до 1 мс, энергоэффективность в 100 раз выше, мобильность до 500 км/ч. Однако, наравне с этим, существует и ряд недостатков: рост цен на услуги связи и смартфоны, проблемы в сфере безопасности и конфиденциальности, увеличение количества сотовых антенн, неблагоприятные последствия для здоровья [4].

В связи с этим целесообразным является усовершенствование стандарта LTE, а именно обеспечиваемого им качества обслуживания (скорость передачи информации, полоса пропускания сигналов, вероятность ошибок и т. п.). Одним из методов для достижения данной цели является имитационное моделирование – метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью, описывающей реальную систему (построенная модель описывает процессы так, как они проходили бы в действительности), с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе [5,6]. Такую модель можно проиграть во времени, как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.

Из всего вышеописанного можно сделать вывод, что для улучшения качества обслуживания LTE-сетей наиболее эффективным решением является анализ и исследование имитационных моделей радиоканалов.

1. Актуальность темы

Бесспорно, на современном этапе развития науки и техники радиотехнические системы в значительной мере воздействуют на жизнь общества. Радиотехническая система можно рассматривать как систему, состоящую из технических средств, выполняющих обработку радиосигналов. Предназначение такой системы в извлечения и передачи информации. Радиотехнических систем предоставляют следующие возможности:

  • передача информации (речь, изображения, различные виды данных);
  • исследование окружающей среды (обнаружение и определение координат объектов, определение свойств и состояния окружающей среды);
  • навигация (определение положения и ориентации в пространстве).

В независимости от целей применения радиотехнической системы, главным требованием к ней является качественное и надёжное выполнение своих функций.

При проектировании радиотехнических систем перед разработчиками встают важная задача обеспечение и поддержание высокого качества работы данных систем. Для достижения удовлетворительного результата требуются оптимальные для данной ситуации структура и параметры системы, а также приемлемые способы реализации и алгоритмы работы её составляющих. Принятия данного решения может быть основано на ряде экспериментальных исследований различных вариаций реализации радиотехнических систем. Однако при дальнейшей сборке и реализации различных вариантов системы возникает значительный препятствие в виде пропорционального увеличения длительности и стоимости работ по проектированию.

На основе вышеперечисленного можно сделать вывод, что наиболее эффективным путем поиска оптимальных решений при разработке радиотехнических систем является проведение исследований методом моделирования. Одним из преимуществ данный метода является возможность быстро и беспрепятственно влиять на структуру и параметры системы, благодаря чему отпадает необходимость в значительных финансовых затратах при исследованиях работы радиотехнических систем с учетом различные варианты их реализации. Для решения второй не менее весомой проблемы длительности проведения работ по проектированию достаточно внедрить в исследование высокопроизводительные вычислительные машины. Таким образом, моделирование является не только эффективным путем исследования и проектирования радиотехнических систем, обеспечивающим высокую надёжность и качество работы, но и позволяет сокращать сроки и стоимость проектирования и ввода в эксплуатацию.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является повышение точности моделирования LTE-сетей за счет разработки имитационной модели LTE-радиоканала.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

  • проанализировать проблемы, возникающие при моделировании сотовых систем связи;
  • проанализировать существующие имитационные модели радиоканалов;
  • разработать имитационную модель радиоканала LTE-сети;
  • проанализировать соответствия разработанной модели с имеющейся.

Объект исследования: широкополосный LTE-радиоканал.

Предмет исследования: имитационное моделирование.

Результаты, полученные в ходе выполнения данной магистерской работы, могут быть использованы при создании моделей LTE-сетей, при работе с которыми можно получить более точные результаты моделирования.

3. Анализ проблем, возникающих при моделировании сетей сотовой связи

3.1 Классификация каналов связи

Каналом связи – это система технических средств, обеспечивающих независимую передачу сигналов с определенными свойствами между абонентами по общей линии связи. Каналы связи можно классифицировать следующим образом.

По назначению каналы бывают:

  • тональной частоты (ТЧ) или телефонный канал;
  • звукового вещания;
  • телевизионного вещания;
  • телеграфный;
  • передачи данных;
  • факсимильный;
  • передачи газет.

В зависимости от среды распространения сигнала:

  • проводные;
  • радио;
  • волноводные;
  • оптические.

В зависимости от характеристик сигналов, действующих на входе и выходе канала:

  • непрерывные (на входе и выходе канала действуют аналоговые сигналы);
  • дискретные (на входе и выходе канала действуют дискретные сигналы);
  • дискретно-непрерывные (на входе канала действуют непрерывные сигналы, а на выходе дискретные).

По способу разделения:

  • с частотным разделением (ЧРК);
  • временным разделением (ВРК).

В зависимости от ширины полосы:

  • узкополосные;
  • широкополосные;
  • сверхширокополосные.

На рис. 1 представлена обобщенная структурная схема системы связи.

Обобщенная структурная схема системы связи

Рис. 1 – Обобщенная структурная схема системы передачи информации (анимация: 6 кадров, 6 циклов повторений, 32 Кб)

Сообщение источника информации a кодируется в символ X и после модуляции превращается в сигнал U, поступающий в ЛС. В результате под воздействием на U помех Z на приемной стороне сигнал отличается от исходного U. Приемная часть содержит демодулятор, преобразующий z в символ Y и декодер, преобразующий символ Y в сообщение b, которое поступает к получателю информации.

Точное математическое описание любого реального канала связи обычно весьма сложное. Вместо этого обычно используют упрощенные математические модели, которые позволяют выявить важнейшие закономерности реального канала.

3.2 Процесс моделирования

Моделирование представляет собой такой метод исследования, при котором исследуемый объект заменяется моделью, воспроизводящей наиболее возможное близкое к оригиналу поведение в пределах некоторых допущений и приемлемых погрешностей. В общем случае моделирование состоит из разработки модели реального объекта и дальнейшему изучению его свойств за счет изучения самой модели. Также следует уточнить, что целесообразно проводить моделирования только в тех случаях, когда оно проще и дешевле создания самого оригинала или, когда последний по каким-либо причинам лучше вообще не создавать.

Моделью в общем случае является физический или абстрактный объект, свойства которого в определенном смысле копируют свойства оригинального объекта. При этом на постановку требований к модели влияют решаемая задача и имеющиеся в наличии средства.

Наличие схожести разработанной модели с реальным объектом предполагает соответствие данной модели ряду основных требований. Модель должна быть:

  • адекватной: достаточно полно отображать свойства оригинала;
  • полной: предоставлять пользователю всю необходимую информацию об оригинале;
  • гибкой: обеспечивать возможность воспроизведения различных ситуаций во всем диапазоне изменения условий и параметров [7].

В зависимости от способа реализации различают следующую классификацию: физические, математические и полунатурные модели.

Физические модели – это реальные физические объекты, которые дублируют характеристики и свойства оригинала путем сохранения либо применения аналогичной физической природы [8].

В качестве таких моделей наиболее часто выступают макеты, которые базируются на основных принципах и алгоритмах работы системы. Физические модели широко применяются при исследованиях среды распространения радиосигналов, которая является неотъемлемой составляющей радиотехнических систем.

Математической моделью – это обобщенное описание объекта на базе функциональных или логических операторных соотношений, алгоритмов, алгебраических, интегродифференциальных или других уравнений, которые могут быть как в незамкнутой (неразрешённой), так и в замкнутой (разрешённой) формах.

Так как работа радиотехнических систем основана на применении радиосигналов, которые достаточно полно описываются функциональными зависимостями одной (обычно времени) или нескольких переменных, математическое моделирование получило широкое распространение при моделировании данных систем, причём как отдельных их составляющих, так и систем в целом. Следовательно, РТС легко поддаются математическому описанию. В свою очередь, математические модели делятся на аналитические и имитационные [9].

Аналитическими являются модели, в которых представление исследуемого объекта базируется на системе математических уравнений различного вида. Исследования с использованием аналитического моделирования осуществляется путем применения методов символьных или численных решений математических уравнений человеком или с использованием ЭВМ. Выполнение моделирования данным методом позволяет выявить общие теоретические зависимости поведения оригинального объекта.

Имитационной моделью называется логико-математическое описание, которое повторяет внутреннюю структуру системы, функции её отдельных элементов и наиболее существенные взаимосвязи между ними.

При данном методе моделирования созданная модель воспроизводит алгоритм функционирования системы во времени: имитируются элементарные явления с учетом их логической структуры и последовательности действий. За имитационных моделей возможно добиться высокого соответствия при описании функционирования реального объекта.

Одним из достоинств имитационного моделирования выступает возможность задания скорости протекания процесса: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Данная особенность оказывает значительное влияние при моделировании радиотехнических систем, поскольку радиосигналы представляют собой быстро меняющимися во времени процессы и при их исследованиях в естественных условиях возникает ряд затруднений.

Полунатурная модель – модель, при создании которой используются элементы реальной аппаратуры исследуемого объекта. Включение реальной аппаратуры в процесс моделирования сложных процессов позволяет добиться снижения трудоёмкости моделирования, а также повысить процент адекватности получаемых результатов.

Конечной целью моделирования является получение принципиально новой информация об изучаемом объекте, способной расширить и углубить его описание. Процесс моделирования можно считать завершенным в случае, если полученная информация достаточна для принятия определенного решения. Моделирования может протекать следующим образом [10]:

  1. постановка задачи;
  2. определение системы;
  3. решение о необходимости моделирования;
  4. формулирование модели;
  5. трансляция модели;
  6. проверка модели;
  7. планирование исследования;
  8. экспериментирование;
  9. интерпретация результатов;
  10. реализация и документирование.

Постановка задачи заключается в определение ряда вопросов, требующих ответа, а также обозначении новых сведений о системе, которых необходимо добиться в ходе исследования.

Определение системы – формально расстановка разграничений между изучаемой системой и окружающей средой, другими словами определение, что является элементом системы, а что нет. Отделение системы от внешнего мира, в свою очередь, приводит к обозначению ограничений и допущений, на которые будет опираться проектируемая модель. Также с учетом обозначенных границ определяются показатели эффективности, необходимых при дальнейшей численной оценки качества системы, её соответствия обозначенным задачам.

На основе первых двух этапов происходит принятие решения о необходимости продолжения моделирования. В некоторых случаев чёткая постановка и анализ проблемной ситуации способны дать понятие слабых мест исследуемого объекта. В таком случае дальнейшее моделирования является нецелесообразным. В противном случае работа по созданию модели продолжается.

Формулирование модели – переход от реального объекта к некоторой логической схеме. В связи с необходимостью обеспечения сходства модели с оригиналом, построение модели, как правило, начинается с анализа исследуемой системы – выделения отдельных составных частей. В процессе такого анализа обозначается структура исследуемого объекта, определяется связь компонентов системы между собой и внешней средой.

Трансляция модели – процесс описание модели при помощи языка, понятного вычислительной машине, при помощи которой будет реализовываться модель.

Проверка модели – это проверка правильности перехода модели на язык вычислительной машины и проверке соответствия разработанной модели исследуемому объекту (оценка адекватности).

Планирование исследования – разработка предполагаемого хода эксперимента, результатом которого должна стать необходимая информация, определение способа проведения каждой серии испытаний.

Экспериментирование представляет собой сам процесс проведения экспериментов с моделью, целью которых является получение желаемых данных об исследуемом объекте.

В виде интерпретации результатов выступают выводы о функционировании объекта, построенные на основе данных, полученных ранее в результате моделирования. Если результаты моделирования полезны, то их можно использовать для принятия решения, в противном случае необходимо провести ревизию всех предыдущих этапов моделирования. В случае, если результаты моделирования полезны, но полученная информация недостаточна для принятия решения, необходимо продолжить моделирование.

Реализация и документирование представляет собой использование модели и результатов моделирования на практике, а также создание документации всего процесса создания и использования модели.

Процесс моделирования схематически представлен на рис. 2.

Процесс моделирования

Рисунок 2 – Схема процесса моделирования

3.3 Проблематика моделирования сетей сотовой связи

Организация системы сотовой связи является трудоемким процессом, включающим в себя ряд этапов, из которых одним из наиболее сложных и ответственных является проектирование. Данный этап является таковым по причине необходимости обеспечения наиболее близкого к оптимальному построения сети по критерию эффективность-стоимость. В процессе проектирования выполняются такие виды работы, как определение мест для размещения базовых станций и последующего распределения имеющихся частотных каналов между ячейками по такому принципу, чтобы обслуживаемая территория имела доступ к сотовой связи с требуемым качеством при минимальном числе базовых станций. Дополнительное осложнение вносит трудность аналитической оценки характеристики расположения сигналов и расчета напряженности поля, а также необходимость учета неравномерности трафика в пределах обслуживаемой территории.

На протяжении всего процесса организации мобильная сеть постоянно подвергается корректировке – в уже разработанную схему сети вносятся правки на основе обязательных экспериментов по измерению характеристик электромагнитного поля, после чего на этапе эксплуатации сети, учитывая произведённую на данном этапе окончательную оценку проекта, сеть снова подвергается доработке. В дальнейшем, по мере эксплуатации и развития сеть также не редко подвергается различным доработкам, направленных на повышение качества работы сети.

На качество услуг, предоставляемых пользователю, напрямую влияют характеристики подсистемы базовой станции. К базовой станции ставятся следующие требования:

  • обеспечение радиопокрытия территории, на которой должны предоставляться услуги связи;
  • обеспечение достаточной для создаваемого абонентами трафика с учетом уровня перегрузок емкости;
  • оптимизация выбранных ранее решений с использованием минимального числа сетевых подсистем и элементов на протяжении всего цикла сотовой сети.

Без обеспечения перечисленных требований предоставление услуг высокого качества не является возможным.

Под качеством обслуживания следует понимать совокупное влияние предоставленных услуг на пользователей, на основе которого определяется степень удовлетворения ими абонентов. В данное определение стоит включать как технические сторону, ответственную за качество работы сети, так и аспекты, связанные непосредственно с дополнительными услугами, стоимостью обслуживания, ценой и качеством работы мобильных терминалов и т.д.

Число абонентов мобильной сети, объем трафика и его распределение по обслуживаемой сетью территорией – данные факторы не являются статичными и постоянно изменяются на протяжении всего жизненного цикла сотовой сети. По этой причине конфигурация сети базовой станции должна адаптироваться к происходящим изменениям, вследствие чего ее планирование является непрерывный процесс, в котором можно выделить несколько этапов:

  • планирования радиопокрытия;
  • планирование емкости;
  • частотное планирование;
  • анализ работы и оптимизация сети.

Помимо вышеописанных трудностей, значительной проблемой для передачи сигнала являются помехи искусственного и естественного происхождения.

Под помехой в общем случае стоит понимать случайное воздействие на сигнал в канале связи, которое затрудняет или полностью препятствует правильному приему. Стоит выделить, что наибольшие затруднения вызывают воздействия именно случайного характера, так как теоретически борьба с регулярными помехами не представляет затруднений.

Среди помех естественного происхождения наиболее часто возникают шумы приемника и атмосферные шумы, которые образуют электрические разряды во время гроз. Кроме того, помехи могут вносить такие явления как статическое электричество, космические и солнечные шумы. В общем случае, такие помехи классифицируют как аддитивный шум.

Не менее важным является тот факт, что радиолинии в мобильной связи часто проходят по неровным местностям. В таких случаях необходимо учитывать реальный профиль трассы, который может претерпевать сильные изменения на протяжении всей своей протяженности: от гладкой до сильно пересеченной местности. Также следует учесть наличие зданий, деревьев и других препятствий в условиях города.

Для создания работоспособной сети сотовой связи, обеспечивающей и поддерживающей высокое качества работы, на этапе проектирования необходимо учитывать все выше перечисленные факторы.

Выводы

Дано определение канала связи. Приведена классификация каналов связи по назначению (тональной частоты (ТЧ) или телефонный канал, звукового вещания, телевизионного вещания, телеграфный, передачи данных, факсимильный, передачи газет), в зависимости от среды распространения сигнала (проводные, радио, волноводные, оптические), в зависимости от характеристик сигналов, действующих на входе и выходе канала (непрерывные, дискретные, дискретно-непрерывные), по способу разделения (с частотным разделением, временным разделением), в зависимости от ширины полосы (узкополосные, широкополосные, сверхширокополосные). Представлена обобщенная структурная схема системы передачи информации.

Даны определения понятий моделирования и модель. Поставлены требования к модели и перечислены этапы моделирования. Перечислены проблемы, возникающие при моделировании сетей сотовой связи. Обозначена главная проблема для любого канала при передаче сигнала, которой являются помехи. Приведены примеры искусственных и естественных помех.

Список источников

    1. Тенденции и стратегии развития телекоммуникаций [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.huawei.com/ru/industry-insights/outlook/perspectives/HW_147027 – Загл. с экрана.
    2. История развития телекоммуникационных систем и компьютерных сетей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studfiles.net/ – Загл. с экрана.
    3. Романчева, Н.И. Базовые Интернет-технологии [учебное пособие] / Н.И. Романчева. – М.: МГТУГА, 2008. – 96 с
    4. Tafazolli, R. Technologies for the Wireless Future.Vol.2. Wireless World Research Forum, 2006.
    5. Имитационные модели [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studme.org/190916/ekonomika/imitatsionnye_modeli – Загл. с экрана.
    6. Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis CDMA: Access and Switching: For Terrestrial and Satellite Networks (Hardcover) Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis, 2001.
    7. Васильев, К. К. Математическое моделирование систем: учебное пособие / К. К. Васильев, М. Н. Служивый. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 170 с.
    8. Галкин, А. П. Моделирование каналов систем связи / А. П. Галкин, А. Н. Лапин, А. Г. Самойлов. – М.: Связь, 1979. – 100 с.
    9. Борисов, Ю. П. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств / Ю. П. Борисов, В. В. Цветнов. – М.: Радио и связь, 1985. – 176 с.
    10. Jeruchim, Michel C. Simulation of Communication Systems Modeling, Methodology and Techniques / Michel C. Jeruchim, Philip Balaban, K. Sam Shanmugan. – 2-nd ed. – N. Y.: Kluwer Academic Publishers, 2002. – 937 p.