Факультет: Компьютерные информационные технологии и автоматика
Специальность: Телекоммуникационные системы и сети
Тема выпускной работы:
Исследование и оптимизация скоростных характеристик сети передачи данных стандарта CDMA2000
Руководитель: доцент, к.т.н., заведующий кафедрой Бессараб Владимир Иванович
Автореферат
В условиях, когда существующие мобильные сети передачи данных, основанные на стандарте GSM перестают удовлетворять современным потребностям абонентов по своим скоростным характеристикам, возникает необходимость в построении сетей мобильной связи нового поколения, которые, в отличие от своих предшественников, изначально разрабатывались с учётом приоритета передачи данных. Эти сети называют сетями 3-го поколения, к которому относятся стандарты CDMA 2000 и WCDMA.
Для повышения скорости передачи данных в стандарте CDMA 2000 используют надстройку, называемую EVDO (Evolution-Data Optimized), которая позволяет достигать пиковых скоростей 2,4 Мбит/с (при средних около 300-500 кбит/с) в канале «вниз» и до 153 кбит/с в канале вверх. При этом достигается наиболее рациональное использование радиочастотного ресурса – спектральная эффективность достигает 1,6 Мбит/Мгц. Выигрыш в скорости передачи данных достигается за счёт применения временного разделения в канале от оператора к абоненту. Однако повышение скорости передачи данных при использовании EVDO ведёт к невозможности предоставления услуг голосовой связи.
Целью данной магистерской работы является изучение и оптимизация скоростных характеристик сети передачи данных путём интеграции в неё сегментов беспроводных локальных сетей WLAN.
Задачи работы:
- разработка модели двухмерной CDMA2000/WLAN сети;
- исследование характеристик разработанной модели;
- выбор методики оптимизации структуры сети;
В Украине широкое распространение получил стандарт CDMA 2000. На данный момент на национальном уровне в украинском рынке мобильной связи 3-го поколения присутствуют такие игроки, как CDMA Украина, PEOPLEnet, Велтон.Телеком, Интертелеком и МТС. Причём, если первые три работают в диапазоне 800 МГц, то МТС использует подстандарт CDMA 450, соответственно в диапазоне 450 МГц, который ранее был задействован под аналоговый стандарт NMT-450 и на данный момент является свободным.
В условиях жёсткой конкуренции, операторам необходимо искать пути улучшения качества и увеличения количества предоставляемых ими услуг. В этом плане наиболее перспективным представляется интеграция сегментов WLAN (wireless local area network – беспроводных локальных сетей) сетей в структуру сети CDMA. Это позволит устранить недостатки (низкая скорость CDMA и недостаточная мобильность WLAN) и соединить достоинства (большая мобильность CDMA и высокая скорость WLAN).
Данное решение будет интересно прежде всего владельцам ноутбуков, КПК и двухстандартных (CDMA2000/WI-Fi) мобильных телефонов, а также корпоративным клиентам. Ещё одним несомненным преимуществом интеграции WLAN и CDMA является возможность разгрузить проблемные зоны сети CDMA, в которых ожидается скопление большого числа абонентов на одной локальной территории (вокзалы, аэропорты, стадионы, гостиницы).
Структура сети CDMA 2000
Для начала рассмотрим структуру сети передачи данных стандарта CDMA 2000:
Рис.1 Структура сети передачи данных стандарта CDMA 2000
Здесь:
BS – Base Station, базовые станции;
MSC – Mobile Switching Center, выполняет функции коммутации мобильных абонентов, расположенных в пределах одной географической зоны.;
VLR – Visitor Location Register, база данных, содержащая сведения об абонентах-роумерах;
RNC – Radio Network Controller, отвечает за контроль передачи данных в сети;
F-AAA - Гостевой сервер аутентификации, авторизации и учета (Authentication,
Authorization, Accounting - AAA) позволяют реализовать функции
аутентификации и авторизации абонентов для доступа к сетям пакетной передачи
данных, а также обеспечивают учет потребляемых услуг;
H-AAA – Домашний AAA;
PCF – Packet Control Function, выполняет функции маршрутизации данных в сети;
PDSN - Узел обслуживания пакетной передачи данных PDSN (Packet Data Serving Node)
выполняет функции шлюза между сетью беспроводного доступа и базовой сетью IP, позволяет организовать доступ подвижных абонентов к услугам передачи пакетных данных в сетях Internet / Intranet;
HA – Home Agent, агент опорной сети HA выполняет функции интерфейса между системой 3G и сетью Internet, позволяет организовать доступ подвижных IP-пользователей к сети Internet;
HLR - Home Location Register, база данных, содержащая информацию об абонентах сети.
Базовые станции подключаются по каналам T1/T3 к RNC, который управляет параллельной передачей данных нескольких абонентов. Узел PDSN осуществляет агрегацию трафика нескольких RNC, а также выполняет функции поддержания сессии для каждого мобильного узла в зоне своего влияния. Связь PDSN с мобильными узлами осуществляется по принципу точка-точка по протоколу PPP.
PDSN должен поддерживать два режима IP-операций: Simple-IP и Mobile-IP. В режиме Simple-IP, если мобильный узел перемещается от одного к другому PDSN, PPP соединения должны восстанавливаться, при этом абоненту присваивается новый IP-адрес. Это обрывает сессию пользователя и требует от него восстановить все свои данные. В режиме Mobile-IP большинство функций PDSN реализует гостевой агент (FA) [9], благодаря чему абонент может переходить от одного PDSN к другому без обрыва сессии.
Структура сети WLAN (Wireless Local Area Network)
Теперь рассмотрим архитектуру WLAN сетей:
Рис. 2 Структура сети WLAN в режиме инфраструктуры
MN – Mobile Node, мобильный узел;
AP – Access Point, точка доступа.
В сетях WLAN, согласно стандарту IEEE 802.11 [1], осуществляется поддержка двух режимов работы: infrastructure mode (станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора) и ad-hoc mode ( станции непосредственно взаимодействуют друг с другом). Режим инфраструктуры, изображённый на рис. Напоминает построение сотовых сетей и является наиболее интересным для осуществления беспроводных Интернет-услуг (WISPs).
Этот режим включает в себя: точку доступа (AP), которая выполняет три функции:
1) осуществляет выполнение одного или более из 802.11 протоколов радио-интерфейсов (частотного с расширенным спектром (FHSS), прямой последовательности с расширенным спектром (DSSS), или ортогонального частотного уплотнения (OFDM));
2) реализует 802.11 CSMA / CA MAC протокол и привязывает MN к конкретному Basic Service Set ID (BSSID);
3) является местом подключения MN к сети протокола Ethernet.
Для доступа к локальной сети 802.11, MN сначала проходит аутентификацию на AP, а затем ассоциируется с этой точкой доступа для дальнейшей работы в сети. При передаче информации между AP и MN может использоваться дополнительная защита с помощью симметричного ключа на основе RC4-шифрования, называемого Wired Equivalence Privacy (WEP).
В стандарте 802.11i используется так называемый протокол Port Based Access Control [3] для аутентификации MN и Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) для динамического повторного ввода ключей шифрования. Также опционно может применяться протокол Wireless Robust Authentication Protocol (WRAP), использующий более надёжное шифрование AES.
Вообще говоря, существуют два подхода в объединении CDMA и WLAN сетей, это «тесное» соединение (tightly-coupled) и «слабое» соединение (loosely-coupled), подробно описанные в [8]. Остановимся на каждом из них отдельно.
«Тесное» соединение
При «тесном» соединении обе сети в максимальной степени используют одни и те же ресурсы фиксированной сети с пакетной передачей данных. Эти две системы независимы только в беспроводной части.
Доступ к сети 3G из сети WLAN здесь осуществляется через шлюз локальной сети «WLAN GATEWAY», который полностью скрывает всю внутреннюю структуру WLAN сети и осуществляет все необходимые функции взаимодействия (обеспечение мобильности, аутентификация абонентов и т. д.)
При данном подходе весь трафик WLAN сети вводится в сеть CDMA уже по протоколам последней. Эти сети будут обмениваться идентичными сигналами аутентификации, сигнализация, транспорта и биллинга, независимо от протоколов, используемых на физическом уровне и радио-интерфейсе.
Тем не менее, этот подход имеет ряд недостатков. Прежде всего, это необходимость полного владения одним оператором как WLAN так и 3G сетью, поскольку при «тесном» соединении будет произведён большой уровень интеграции сетей. В данном случае, сети WLAN не могут быть интегрированы в CDMA сети без явного физического подключения к основной сети 3G. А в условиях, когда 3G сети
развертываются с использованием тщательных инженерных расчётов и планирования, а также возможностей изменения конфигурации каждого отдельного элемента сети с применением тонких механизмов, основывающихся на особенностях CDMA радиоинтерфейса, внедрение трафика WLAN непосредственно в 3G в ядро, потребует конфигурирования сетевых элементов, таких, как PDSN.
Также сложность вызывает построение механизмов аутентификации в беспроводных локальных сетях, вынуждая WLAN провайдеров подсоединяться к сети SS7 3G оператора. Это делает возможным в данной двухмерной сети работу абонентов, которые имеют только двухрежимные абонентские устройства, исключая всех остальных.
«Слабое» соединение
Как и в предыдущем подходе, здесь предусматривается введение нового элемента в локальную беспроводную сеть – WLAN шлюза. Тем не менее, в этой конструкции, шлюз подключается к Интернету и не имеет прямого соединения с 3G сетью.
При «слабом» соединении к обеим сетям могут подключаться как абоненты с двухрежимными конечными устройствами, так и обычные абоненты CDMA либо WLAN сетей. При этом высокоскоростной трафик локальных сетей не будет интегрирован непосредственно в сеть передачи данных 3G сети, не влияя, тем самым, на её работу.
При данном подходе используются различные механизмы и протоколы, выполняющие обработку аутентификации, биллинга и хэндовера в 3G и WLAN частях сети. Вместе с тем, для обеспечения возможности бесперебойной работы, они должны взаимодействовать. В случае взаимодействие с CDMA2000, это предполагает, что WLAN шлюз поддерживает технологию Mobile-IP для осуществления перехода абонента между сетями, а также выполняет взаимодействие с AAA серверами 3G сети. Это позволит 3G провайдеру собрать из сети WLAN полный бухгалтерский учет для создания единой платежной системы с использованием различных ценовых схем для обоих (3G и WLAN) сетей.
У «слабого» соединения есть несколько преимуществ. Во-первых, он позволяет осуществить независимое размещения оборудования WLAN и 3G сетей. 3G операторы могут воспользоваться услугами других провайдеров WLAN, обойдясь, тем самым, без больших капитальных вложений. В то же время, они могут продолжить развертывание 3G сетей, независимо от того, какими темпами будут развиваться беспроводные локальные сети. Абонент больше не нуждается в создании отдельных учетных записей у провайдерами, располагающихся в различных регионах и охватывающих различные технологии доступа. Наконец, в отличие от «тесного» соединения, данный подход, позволяет использовать Wi-Fi точки доступа в качестве общественных, получая дополнительную прибыль.
Беря во внимание всё вышесказанное, можно сделать вывод, что подход «слабого» соединения имеет ряд несомненных преимуществ по сравнению с архитектурой «тесного» соединения, поэтому в качестве построения двухмерных сетей для 3G оператора целесообразно использовать именно «слабое» соединение сетей.
Рис. 3 «Тесное» и «слабое» соедиение сетей
(частота кадров - 12 кадров/с, размер 45 кб, анимация выполнена в Macromedia Flash 8)
Вопросы хэндовера CDMA2000 и WLAN
Кроме вопросов взаимодействия этих двух сетей, также большой проблемой на пути их интеграции является обеспечение хэндовера между ними.
В данном случае, имеется возможность обеспечения как жёсткого (при использовании Simple IP), так и мягкого (Mobile IP) видов хэндовера.
При использовании Simple IP, абонент при включении устройства сначала регистрируется в сети (приоритет отдаётся WLAN), получает IP-адрес, идентифицирующий его именно с этой сетью и, при переходе в другую часть двухмерной сети абоненту необходимо заново регистрироваться и получать новый IP-адрес. Преимуществом данного решения является его простота и универсальность.
Решение Mobile IP [9] позволяет абоненту получить, так называемый, домашний адрес (HoA), который будет использоваться как домашним агентом (HA) в его сети, так и гостевым агентом (FA) при переходе в другую сеть. Это решение является более сложным для исполнения, поскольку, помимо того, что функциями Mobile IP должны владеть такие узлы сети, как PDSN и WLAN Gateway, также появляется необходимость в применении специальных конечных абонентских устройств.
Для математического описания выбора конечным узлом абонента той сети, в которой он будет работать в конкретный момент времени, зададимся двумя критериями: скорости передачи и стоимости.
Введём следующие переменные:
- i – интерфейс (CDMA или Wi-Fi);
- DT – требуемая скорость передачи данных;
- DS,i – поддерживаемая скорость передачи данных в i-ом интерфейсе;
- pi – стоимость i-го интерфейса;
- ai - критический коэффициент пропускания i-го интерфейса;
Тогда функция скорости передачи данных примет следующий вид:
Стоимостная функция:
Теперь построим алгоритм подключения абонента при включении конечного устройства:
Далее следует оптимальный алгоритм выбора рабочей сети
Таким образом, по двум данным критериям осуществляется выбор сети, в которой в конкретный момент будет вести работу абонент.
Заключение и перспективы исследования
Комплексные услуги WLAN/CDMA2000 несомненно принесут пользу как операторам связи, так и абонентам. А подход «слабого» взаимодействия позволит осуществить интеграцию двух данных сетей наиболее безболезненно и наименее материально затратно. При этом, использование Mobile IP позволит получить свободный доступ и мягкий переход между обеими сетями.
Для объединения сетей требуется в сети WLAN разместить, поддерживающий Mobile IP и
протоколы аутентификации, используемые в CDMA сетях.
В дальнейшем, с уяётом всех вышеописанных рекомендаций, будет создана модель данной двухмерной сети, а также будут оценены такие её характеристики, как пропускная способность, вероятность отказа при обслуживании и хэндовере, оптимальное расположение базовых станций и сегментов сетей WLAN относительно размещения абонентов.
Список литературы
1. Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis CDMA: Access and Switching: For Terrestrial and Satellite Networks (Hardcover) Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis 2001.
2. Kiseon Kim, Insoo Koo СDMA systems capacity engineering 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. C. Perkins IP Mobility Support for IPv4 August 2002.
http://www.ietf.org/rfc/rfc3220.txt/
5. Young J. Lee, Jin H. Lee, Yeong M. Jang, Gi J. Jeon An Strategy for interworking between WLAN and cdma2000 November 2003
http://www.ieee802.org/21/archived_docs/pre_nov03_documents/YeongMinJangcontribution.ppt
6. A. Campbell. J. Gomez, S. Kim, A. Valko, C. Wan, Z. Turanyi Design, Implementation and Evaluation of Cellular IP August 2000
http://nalab.icu.ac.kr/course/2002fall/material/cellular_ip.pdf
7. M. Buddhikot, G. Chandranmenon G., S. Han, Y. W. Lee, S. Miller S. and L. Salgarelli, Integration of 802.11 and third generation wireless data networks 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. Deng Feng and Professor Harsha R.Sirisena Seamless Handover between CDMA2000 and 802.11 WLAN using mSCTP December 2006.
http://ir.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/1174/1/thesis_fulltext.pdf
10. Hemant Chaskar, Dirk Trossen, Govind Krishnamurthi Seamless Handoff of Mobile Terminal from WLAN to cdma2000 Network 2004.
