ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат по темі випускної роботи

Зміст

Вступ

В наш час в розвинених країнах світу спостерігається стійка тенденція до стрімкого розвитку телекомунікаційних послуг Triple Play. На перше місце для телекомунікаційних операторів виходять завдання надання абонентам послуг високошвидкісного доступу до мережі Інтернет, IP-телебачення, передачі даних, відеотелефонії та відеоконференцзв’язку.

1. Актуальність і новизна

Особливо актуально рішення цих задач для операторів бездротового мобільного зв’язку – при забезпеченні доступу до мережі з’являються додаткові складнощі, які відсутні в мережах проводового фіксованого зв’язку. До цих складнощів можна віднести багатопроменеве поширення сигналу, яке призводить до повільним і швидким завмирань, розсіювання енергії в атмосфері, поглинання кронами дерев, відображення від будівель, водних поверхонь та інших площин. Крім того, сам факт мобільності абонента ускладнює прийом сигналу, зокрема, при переміщенні абонента між сотами, коли потрібно зберегти якість надаваних послуг.

При розробці таких мереж невід’ємною частиною алгоритму проектування є застосування програмних засобів для перевірки правильності розрахунків кількості та типу обладнання для мережі. Наприклад, для перевірки розрахунку радіопокриття території застосовують спеціальні програмні комплекси, в яких можна задавати характеристики антен (тип діаграми спрямованості, її нахил, кількість секторів), фідерів, приемопередатчиков. Без застосування таких програмних комплексів складно розрахувати необхідну кількість базових станцій для покриття території.

Існують аналогічні програми для розрахунку обладнання з позиції забезпечення ємності мережі. Але таких програм набагато менше, крім того, питання про забезпечення параметрів QoS для послуг, що надаються вирішено частково або ж взагалі не вирішене. Тому моделювання ділянок мережі та всієї мережі в цілому з метою перевірки забезпечення параметрів QoS абоненту є актуальним завданням для розробників телекомунікаційного ПО. Крім того, в цих комплексах повинна бути також реалізована задача оптимізації мережі. Використання таких програм дозволить значною мірою прискорити процес розробки проекту мережі і оптимізувати кількість обладнання.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Мета магістерської роботи полягає в обгрунтуванні можливості побудови бездротової телекомунікаційної мережі мобільного зв’язку третього покоління для умов міста Донецька із застосуванням алгоритмів моделювання та оптимізації ділянок мережі.

Основні завдання дослідження:

  1. Розробка проекту бездротової мережі мобільного стільникового зв’язку для умов м. Донецька.
  2. Вивчення подання топології ділянки мережі (або всієї мережі) у вигляді мережі Петрі.
  3. Дослідження інструменту ідемпотентний алгебри для моделювання та оптимізації мережі.
  4. Аналіз можливих критеріїв оптимізації мережі.
  5. Моделювання та оптимізація ділянок мережі за обраними критеріями.

Об'єкт дослідження: бездротова телекомунікаційна мережа мобільного стільникового зв’язку для м. Донецька.

У рамках магістерської роботи планується отримання актуального наукового результату – в роботі будуть представлені алгоритми моделювання різних процесів у мережі, а також оптимізації ділянок мережі з метою їх поліпшення:

  1. Час очікування прийняття заявки на обслуговування абонента.
  2. Затримка при голосової і відеозв'язку.
  3. Пропускна здатність каналу зв'язку при перевантаженнях мережі (наприклад, для тимчасових перевантажень – під час проведення різних міських заходів).
  4. Час здійснення хендовер в мережі. Знаючи алгоритм роботи контролерів і базових станцій, можна оцінити, як швидко відбудеться передача обслуговування абонента, і як це відіб'ється на якості послуги, якої в момент хендовер користується абонент.

Для експериментальної оцінки отриманих теоретичних результатів і формування фундаменту наступних досліджень, як практичного результату буде представлений проект мережі бездротового мобільного зв’язку третього покоління для міста Донецька. Планується використання технології UMTS/WCDMA для реалізації мережі.

3. Огляд існуючих рішень

Бездротові мережі мобільного зв’язку третього і четвертого поколінь – актуальна тема для абонентів, операторів мобільного зв’язку, виробників обладнання, тому цій темі присвячено безліч розробок у всьому світі.

3.1 Огляд рішень на міжнародному рівні

Цілий ряд учених займався і займається дослідженнями мобільних мереж третього покоління. Багато таких досліджень проведено вченими на території СНД: А.І. Бабин “Проектування оптимальної підсистеми радіодоступу мережі 3G/UMTS/WCDMA на основі теорії монотонних систем” [1], С.М. Аксьонов “Дослідження впливу процедури хендовера на якість послуг у мережах UMTS” (2008 рік, м. Санкт-Петербург) [2].

Наукові групи світових розробників телекомунікаційного обладнання (Alcatel, Nokia, Siemens та ін) займалися дослідженнями питань побудови мереж стандартів UMTS.

У країнах СНД, як і в Україну, також спостерігається 3G–революція. У Росії три найбільших оператора отримали ліцензії на надання послуг стільникового зв'язку в стандарті UMTS: ВАТ “Мобильные ТелеСистемы” (МТС), ВАТ “Вымпелком” (торгова марка Білайн) і ВАТ “Мегафон”.

ВАТ ”Мегафон“ став першим російським оператором, що запустив мережу третього покоління в комерційну експлуатацію. На початку жовтня 2007 року компанія ввела в дію мережа з 30 базових станцій на території м. Санкт-Петербурга. У травні 2008 року компанія МТС запустила в комерційну експлуатацію мережу UMTS/HSDPA в м. Санкт-Петербург, а пізніше і в інших містах Російської Федерації: Сочі, Казань, Нижнєкамськ, Саратов та ін.

З вересня 2008 року компанія “Вымпелком” також почала розгортати мережі 3G UMTS/WCDMA по всій території Росії: Санкт-Петербург, Нижній Новгород, Самара, Челябінськ і т.д.

3.2 Огляд існуючих рішень на національному рівні

В Україну вже існують кілька рішень задач надання мобільного високошвидкісного доступу до мережі Інтернет:

  1. МТС – найбільший оператор мобільного зв’язку; мережу бездротового мобільного зв’язку побудована на стандарті GSM. В даний момент МТС надає послуги мобільного Інтернету за технологією 3G CDMA 450 EV-DO.
  2. Київстар – мережа цього оператора також побудована за технологією GSM, надає послуги доступу до мережі Інтернет та IP-TV за технологією 3G UMTS на базі оператора Utel.
  3. Life :) – основою мережі є GSM, надбудова над GSM – підмережа 3G UMTS/WCDMA.
  4. Beeline – мережа, аналогічна Life :) – основна мережа GSM з надбудовою 3G UMTS/WCDMA.
  5. Utel – окремий оператор мобільного зв’язку третього покоління, мережа якого побудована за технологією 3G UMTS/WCDMA.
  6. PEOPLEnet – оператор, мережа якого є повністю мережею третього покоління, побудована на стандарті CDMA2000 1x EV-DO Rev.A; надає послуги доступу до мережі Інтернет.

Всі основні оператори мобільного зв’язку використовують стандарти третього покоління для реалізації високошвидкісного доступу до мережі Інтернет. Але цей напрям буквально у всіх операторів не надто розвинене. Наприклад, мобільний Інтернет від МТС не дозволяє завантажувати великі файли, переглядати відеоконтент – фактично, є можливість тільки переглядати web-сторінки. Це пов'язано з тим, що кількість обладнання 3G недостатньо для обслуговування всіх бажаючих отримати доступ до 3G мережі абонентів, кількість яких постійно збільшується.

Крім того, ціна на послуги мобільного Інтернету залишається в більшості своїй ще дуже високою.

Українські оператори мають також проблеми іншого характеру. Наприклад, у оператора Utel слабо розвинене напрям голосового зв’язку – вартість дзвінків на інші оператори коштує занадто дорого. PEOPLEnet надає виключно послуги доступу до мережі Інтернет, а можливості голосового зв'язку відсутні взагалі.

3.3 Огляд існуючих рішень на локальному рівні

Останні кілька років магістри і спеціалісти ДонНТУ займаються вирішенням завдань реалізації бездротових телекомунікаційних мереж мобільного зв’язку третього і четвертого поколінь. Серед робіт магістрів-випускників можна виділити наступні роботи:

  1. Михайло Охріменко (ТКС-09м) “Дослідження особливостей та розробка методики побудови мереж нового покоління для операторів мобільного зв’язку” (розробка мережі за стандартом UMTS).
  2. Любов Шаповалова (ТКС-09м) “Дослідження і розробка моделі передачі даних в мережі радіодоступу за технологією WiMAX з урахуванням якості і безпеки”.
  3. Ольга Бордунова (ТКС-10м) “Розробка і дослідження методів оптимізації в мережах CDMA”.

4. Основна частина

Особливості стандарту UMTS

Ні для кого не секрет, що ситуація з розподілом частотних смуг в Україну вкрай напружена (втім, як і в будь-якій країні). Тому покупка частотної смуги достатньою для формування частотного плану системи з частотним поділом каналів пов'язана з необхідністю звільняти діапазони або їх перерозподіляти, щоб отримати цілісну смугу. Тобто, проектування, наприклад, мереж зв'язку четвертого покоління (LTE або WiMAX) ще в самому початку зустрічається з серйозними перешкодами. Менш завантажені діапазони вище 3,5 ГГц володіють іншим недоліком – базові станції в цьому діапазоні мають невеликий радіус дії, тобто, кількість обладнання для такої мережі необхідно більше. Більш проста ситуація з системами зв'язку з кодовим поділом каналів (UMTS, CDMA2000). Тут сигнали “абонент – базова станція” передаються на одній частоті, а поділ каналів здійснюється за допомогою технології CDMA (Code Division Multiple Access – множинний доступ з кодовим поділом каналів) (рисунок 1).

Технології кодового розподілу каналів

Рисунок 1 – Приклад коду з використанням технології кодового розподілу каналів

У кожного приемопередатчика є свій псевдовипадковий код, тому приймача розпізнає “свій” сигнал за допомогою комбінації прийнятого сигналу і коду з використанням операції XOR. Сигнали інших приймачів при цьому ігноруються.

Таким чином, за рахунок того, що приймачі працюють на одній частоті, системи CDMA мають високу пропускну здатність. Крім того, системи CDMA мають інші переваги. За рахунок того, що тривалість імпульсу псевдовипадкового коду Тс набагато менше тривалості імпульсу переданих даних Tb, ширина спектра сигналу передавача набагато більше ширини спектру сигналу даних. Таким чином, отриманий сигнал широкосмуговий, а значить – шумоподібний, тому перешкоди, моделлю яких найчастіше виступає Гаусів білий шум, не можуть суттєво погіршити якість сигналу.

Ці системи мають високу скритністю передачі – без знання псевдовипадкового коду розшифрувати прийняті дані неможливо.

Складання плану проектування

Задача Завдання проектування бездротової телекомунікаційної мережі мобільного з’язку – одна з найбільш складних і відповідальних завдань розгортання мережі. Потрібно визначити кількість обладнання, місця його розташування, розподілити частотні канали, виходячи з сукупного критерію ефективність-вартість.

З одного боку, надмірна розстановка базових станцій буде невигідною, оскільки призведе до зайвих витрат, з іншого боку дуже рідкісне розташування базових станцій може викликати появу необслуговуваних зон або брак ресурсів для обслуговування абонентського трафіку (що, мабуть, і спостерігається в українських мережах 3G).

Крім того, функціонування цих мереж характеризується наступним обставиною – при збільшенні кількості активних абонентів в комірці радіус її зони зменшується.

Таким чином, проектування мережі мобільного зв’язку вимагає ітераційного підходу в розрахунках, в процесі якого використовуються математичні методи та методи комп'ютерного моделювання.

Отже, план розробки мережі мобільного стільникового зв’язку такий:

  1. Розрахунок кількості базових станцій з використанням математичних моделей.
    Спочатку необхідно розрахувати покриття території об’єкта проектування – тобто, визначити радіус стільники виходячи з вимоги покриття території сигналом достатнього рівня. На території не повинно бути ділянок зі слабким рівнем сигналу, який менше чутливості абонентського пристрою, затемнених ділянок (через високі будівель, наприклад), ділянок без покриття. Багато моделей поширення дозволяють врахувати різні особливості об’єкта. Доцільно розрахувати покриття по декількох моделях. Далі необхідно оцінити ємність отриманої мережі радіодоступу, причому для кожної технології мережі свої способи розрахунку. І, якщо потрібна більша кількість базових станцій, скоригувати розрахунок.
  2. Складання частотно-територіально плану мережі.
  3. Використання спеціального програмного забезпечення для оцінки радіопокриття мережі з розрахованим раніше кількістю базових станцій. У підсумку також скорегувати кількість обладнання.
  4. Розрахунок ємності скоригованої мережі. Існують також програмні комплекси, що дозволяють задати параметри інтенсивності трафіку для різних послуг, і оцінити ємність мережі.
    Якщо задану кількість станцій не може обслужити передбачувану навантаження, створювану абонентами, необхідно додавати приймачі або базові станції. Або, можливо, буде достатньо перепланування розташування станцій. Якщо базових станцій виходить занадто багато для розрахованої навантаження, потрібно зменшити цю кількість, переплануємо місця розташування базових станцій, змінюючи висоту підвісу, кут нахилу діаграми спрямованості антен і зміною інших параметрів. У даному розділі також планується використовувати моделі Ідемпотентний алгебри для моделювання роботи мережі та їх подальшої оптимізації з метою забезпечення параметрів QoS.
  5. Повторне проведення радіопланування і подальша коректування кількості обладнання.
  6. Повторний розрахунок ємності мережі.
  7. Процес триває до тих пір, поки не вдасться досягти оптимального рішення.

Проектування UMTS мережі для ділового центру міста Донецька

Для умов ділового центру Донецька спроектована мережа UMTS. Проектування проводилося згідно плану проектування:

  1. За моделлю Окамура-Хата розрахований радіус стільники при середньостатистичних параметрах базових станцій UMTS, умов міста Донецька та чутливості абонентської станції –140 дБ (Рисунок 2). Радіус соти, згідно з розрахунками, 1км. Необхідна кількість базових станцій при цьому 17.
    Розрахунок радіуса стільники базової станції

    Рисунок 2 – Розрахунок радіуса стільники базової станції для умов м. Донецька

  2. Виходячи з умов забезпечення ємності [3], необхідно 40–50 базових станцій. У проекті прийнято максимальну кількість N = 50.
  3. Розраховано інше обладнання, складена структурна схема мережі (рисунок 3).
    4. Структурна схема мережі UMTS

    Рисунок 3 – Структурна схема мережі UMTS для умов міста Донецька

Застосування моделей ідемпотентний алгебри для моделювання та оптимізації

Ідемпотентний алгебра або макс-плюс алгебра – це нова математика, яка грунтується на двох основних операціях – нове складання, яке дорівнює максимуму, і нове множення, яке збігається зі складанням. Ідемпотентний математика є природним апаратом для вирішення завдань оптимізації та оптимального управління [4].

Загальний підхід до оптимізації процесів в телекомунікаціях полягає в розрахунку оптимального значення деякого параметра, який в даній задачі є критерієм оптимізації. Нехай є мережа, представлена у вигляді ациклічного графа, де вершини графа – вузли мережі, дуги – маршрути, за якими заявки можуть передаватися по мережі. В кожному вузлі є пристрій обробки заявок і буфер, в якому може відбуватися очікування обробки в черзі. У структурі мережі є особливі вузли – джерела і приймачі заявок. У початковий момент часу всі пристрої обробки заявок в мережі вільні, черга заявок в кожному вузлі – джерелі має нескінченну довжину, а черги всіх інших вузлів i містять по деякій кількості заявок, які готові до обслуговування пристроями. Для формалізації процесу вводяться такі позначення перемінних:

Передбачається, що τik – невід’ємні випадкові величини з деяким математичним очікуванням для всіх i = 1 ... n та k = 1,2 ...

Для визначеності задають додаткові початкові умови процесу [5]: xi(0)=0, xi(k)=–∞ для k<0 та i=1,2…n;

З урахуванням прийнятих позначень і припущень, динаміка якого вузла мережі описується в термінах макс-плюс алгебри, як

xi(k)=τik⊗ai(k)⊕τik⊗xi(k–1)

Так буде розраховуватися час завершення обслуговування k-тої заявки в i-му вузлі мережі при різних маршрутах проходження цієї заявки. Це дозволить, по-перше, провести моделювання процесу обслуговування заявки різними маршрутами, а по-друге, оптимізувати цей час, вибравши найменший маршрут. Застосування Ідемпотентний алгебри та апарату мереж Петрі дозволить вирішити задачі моделювання та оптимізації важливих параметрів обслуговування абонентів мобільної мережі зв’язку 3G [6]. Наведений вище алгоритм моделювання часу обслуговування заявки може бути використаний для оцінки часу очікування прийняття на обслуговування абонента, а також для його подальшої оптимізації з метою мінімізації [7]. Крім цього, можна оцінювати і оптимізувати такі параметри:

  1. Затримка при голосової і відеозв’язку.
  2. Пропускну здатність каналу зв’язку при перевантаженнях мережі (наприклад, для тимчасових перевантажень – під час проведення різних міських заходів).
  3. Час здійснення хендовер в мережі. Знаючи алгоритм роботи контролерів і базових станцій, можна оцінити, як швидко відбудеться передача обслуговування абонента, і як це відіб’ється на якості послуги, якої в момент хендовер користується абонент.

Висновок

При впровадженні або нарощуванні мережі зручно скласти її модель і оцінити характеристики послуг, які надаються абонентам, а потім, в разі необхідності, оптимізувати мережу за певним критерієм. Це дозволить значно спростити процес побудови мережі, тому що можна буде уникнути помилкових або неоптимальних рішень.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  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.