ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

На сегодняшний день Украина располагает внешними каналами связи с достаточной пропускной способностью, практически в каждом населенном пункте есть провайдеры услуг доступа во внешнюю сеть, однако, соединение между ними и конечным потребителем до сих пор осуществляется в основном либо по коммутируемым или по выделенным линиям. Как результат – низкая скорость обмена информацией, ненадежность соединения, ограниченные возможности подключения. Важной проблемой является прокладка кабельных линий, иногда она невозможна, неудобна и экономически нецелесообразна, особенно в больших городах. Актуальностью данной темы является поиск решений по внедрению новых технологий в современные телекоммуникационные сети. Основным требованием для проектирования такой сети является выбор наиболее выгодной и качественной технологии передачи данных. В последнее время в сфере телекоммуникации все больше внимания стали уделять технологиям 4 поколения, которые имеют лучшие, по сравнению с предыдущими поколениями, характеристики качества, скорости передачи данных и больший спектр услуг. Одной из таких технологий является технология LTE.

1. Актуальность темы

Рынок телекоммуникационных услуг стремительно развивается, меняются его тенденции и операторы должны своевременно реагировать для сохранения своих позиций и получения прибыли в условиях жесткой конкуренции.

Проблемы мобильной связи:

  1. Необходимость внедрения новых услуг передачи данных из-за высокой насыщенности рынка голосовых услуг и высокой конкуренции.
  2. Предоставление абонентам мультимедийных услуг требует высокой пропускной способности каналов.
  3. Технологии 2G и 3G не обеспечивают высокой частотной эффективности, что является серьезной проблемой на пути обеспечения высокого качества услуг.

Очевидно, что с помощью существующих сетей удовлетворить запросы абонентов практически невозможно, поэтому можно выделить основные причины необходимости внедрения сетей 4 поколения:

  1. Снижение темпов роста клиентской базы операторов мобильной связи в сетях 2G.
  2. Развитие мультимедийных услуг, требующих высокой пропускной способности каналов связи.
  3. Невысокая эффективность использования частотного ресурса в существующих сетях.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы – создание мобильной сети с надежным радиопокрытием, качественно новыми услугами, низкими задержками и высокой пропускной способностью на базе существующих сетей стандарта GSM, обоснование необходимости внедрения технологии LTE, поиск экономически обоснованного решения по модернизации GSM-сети для внедрения технологии LTE.

Основные задачи исследования:

  1. Изучить технологию LTE и ее особенности.
  2. Провести анализ рынка услуг мобильной связи, чтобы обосновать необходимость внедрения сетей LTE.
  3. Провести анализ существующих сетей второго и третьего поколения.
  4. Выявить проблемы эволюции второго и третьего поколения к сетям 4G.
  5. Проанализировать возможные сценарии эволюции стандарта GSM на технологию LTE.
  6. Разработать вариант внедрения технологии LTE на основе абстрактного сегмента существующей мобильной сети.

Объект исследования: абстрактный сегмент существующей мобильной сети.

Предмет исследования: объединение методов уменьшения аппаратурных затрат, увеличение экономической эффективности при реализации сети LTE на сетях стандарта GSM.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Исследование процессов в технологии LTE.
  2. Разработка основных рекомендаций по внедрению технологии LTE на существующих сетях стандарта GSM.
  3. Экономическая обоснованность необходимости внедрения технологии LTE.

Для экспериментальной оценки полученных теоретических результатов и формирования фундамента последующих исследований, в качестве практических результатов планируется:

  1. Получить модель сети GSM.
  2. Получить модель сети LTE.
  3. На основе моделей сетей сделать их сравнительный анализ.

3. Обзор исследований и разработок

3.1 Обзор международных источников

Международный союз электросвязи/International Telecommunications Union (МСЭ/ITU) начал исследования вопросов глобализации мобильной связи в 1986 г. и определил долгосрочные требования к частотному спектру для будущего третьего поколения систем мобильной связи. В 1992 г. МСЭ на Всемирной административной конференции радиосвязи (ВАКР-92) распределил 230 МГц спектра в диапазоне 2 ГГц глобальной системе мобильной связи третьего поколения для обоих сегментов – спутникового и наземного. Таким образом было положено начало развитию мобильных сетей, которое вопротилось в Release 8 [5], давшему старт работам над техническим обликом сетей мобильной связи новых поколений, идущих за поколением 3G, которые призваны революционно изменить привычные технологии. Работы над Release 8 были прекращены в середине 2009 г., начались работы над Release 9 [6-7], который определил вторую фазу развития системы LTE.

Совершенствование функциональных возможностей LTE в Release 9 заключается в реализации двух диапазонной или многодиапазонной передачи данных в одном физическом канале, дальнейшем расширении возможностей сети радиодоступа E-UTRAN, внедрении новых сценариев высокоскоростной передачи данных. Работы над Release 10 направлены на дальнейшее развитие технологии LTE и создание усовершенствованной технологии LTE Advanced.

3.2 Обзор национальных источников

В работах отечественных ученых, таких как Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. «Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура» [1] изложены основные структурные характеристики технологии LTE, стеки протоколов, этапы развития технологии, взаимодействие сети LTE с сетями доступа 3GPP и нe-3GPP. Так же уделено внимание вопросам стандартизации, спецификации сети LTE [2].

3.3 Обзор локальных источников

В Донецком национальном техническом университете (кафедра автоматики и телекоммуникаций) большое внимание уделяется изучению технологиям 4 поколения, в том числе LTE. Статьи Дегтяренко В.И., Шахова Д.С., Кнерцера Д.А., Запорожченко В.В., Гаськовой И.А. посвящены вопросам самоорганизующихся сетей LTE, покрытию радиосетей. Большое внимание вопросам проектирования и моделирования сетей связи уделяется работниками кафедры АТ, было создано методическое указание по проектированию средств и систем телекоммуникационных сетей [3], в котором подробно описаны этапы проектирования сети, методика является универсальной, позволяет проектировать сеть для любой технологии.

4. Синтез модели сети LTE

Для решения поставленных задач в качестве сегмента для проектирования мобильной сети был выбран КП «Аэропорт Донецк», который является одним из крупнейших аэропортов Украины. Аэропорт обслуживает как внутренние так и межгосударственные рейсы, чартерные рейсы, принимает гостей высокого уровня, государственных и политических деятелей. На территории аэропорта действует городская АТС, которая удовлетворяет потребности персонала и жителей прилегающего района в скоростном Интернете, телефонной связи. На территории аэропорта расположены базовые станции операторов мобильной связи, все они работают на стандарте GSM.

4.1 Алгоритм проектирования сети

    Проектирования сети происходит по следующему порядку:

  1. Синтез информационной сети объекта.
  2. Расчет трафика сети.
  3. Выбор транспортной топологии сети.
  4. Выбор оптимальная топология сети доступа.
  5. Выбор линий связи.
  6. Синтез структурной схемы сети.
  7. Синтез функциональной схемы сети [3].

4.2 Синтез информационной сети объекта

Можно выделить три типа потенциальных групп абонентов в соответствии с требованиями, которые они ставят перед оператором:

  1. «Рабочий» – абонент, который не требует широкой полосы пропускания. Важнейшим сервисом для него остается голосовая связь. Также важны защищенность канала передачи данных и высокая стабильность соединения. Абоненты этого типа имеют наивысший приоритет в обслуживании. Работник аэропорта использует этот сервис для координации действий с другими сотрудниками. Абонентами с такими же требованиями могут быть и пассажиры VIP – терминала, для которых важна надежность обмена информацией.
  2. «Пассажир» – активный абонент с большими требованиями к мобильности сервисов. Он характеризуется нестабильными требованиями к полосе пропускания. Его приоритет ниже, чем у абонентов других категорий. Типичные сервисы, которыми пользуются абоненты этого типа – IPTV, просмотр видео и онлайн-игры, для которых также характерны высокие требования к задержке.
  3. «Охранные системы» – важным показателем качества для этой категории есть видеонаблюдения в режиме реального времени, что требует высокой полосы пропускания и скорости передачи данных.

4.3 Расчет трафика сети

Сеть проектируется для пассажиров и персонала КП «Международный аэропорт Донецк», это примерно 3500 человек. Реально одновременно услугами спроектированной сети будет пользоваться половина от этого количества, т.е. примерно 1800 абонентов, а то и меньше. Сеть разобьем на 6 сетевых узлов, в соответствии с количеством застроек на территории аэропорта. В таблице 1 приведены технические зоны и количество абонентов.

Таблица 1. – Технические зоны и количество абонентов

Трафик рассчитывается отдельно для каждого вида услуги на каждом узле сети. Формула для расчета имеет вид:

где k – номер сетевой услуги;

i – номер узла;

γ – математическое ожидание трафика, генерируемого k-й услугой на i-м узле;

Bср – скорость передачи данных – средняя пропускная способность канала связи, которой достаточно для качественной передачи трафика k-й услуги;

Nаб – количество абонентов на i-м узле, которые пользуются k-й услугу;

Tс – средняя продолжительность сеанса связи для k-й услуги;

fвыз – среднее число вызовов в час наибольшей нагрузки для пользователей i-го узла, которые используют k-ю услугу.

Скорость передачи данных находится по формуле:

где Bmax – максимальная пропускная способность канала связи;

P – пачечность на одного абонента – отношение между максимальной и средней пропускной способностью, необходимой для обеспечения k-й услуги [3].

При расчетах было спрогнозировано трафик этой сети. Он составляет примерно 1,6 Гбит/с.

4.4 Транспортная топология сети

Технология транспортной сети должна соответствовать следующим требованиям:

  1. Поддерживать скорость передачи от 100 Мбит/с.
  2. Надежная защита информации.
  3. Возможность наращивания решений.
  4. Протяженность сети от 500 м до 5 км.

В качестве транспортной сети имеет смысл рассматривать технологии Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Ethernet – пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей. В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии:

  1. Fast Ethernet, 100 Мбит/с:

    • 100BASE-ТX (IEEE 802.3 раздел 21; 25; ИЕЕЕ 802.3u);
    • 100BASE-T4 (IEEE 802.3 раздел 21; 23; ИЕЕЕ 802.3u);
    • 100BASE-FX (IEEE 802.3 раздел 21; 26; ИЕЕЕ 802.3u);
    • 1000BASE-LX (IEEE 802.3 раздел 34; 36; 37; 38 ИЕЕЕ 802.3z).

  2. Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с:

    • 100BASE-X (IEEE 802.3 раздел 21, 24; ИЕЕЕ 802.3u).

  3. 10-гигабитный Ethernet;
  4. 40-гигабитный и 100-гигабитный Ethernet [9].

4.5 Топология сети

Сегментом сети, для которого моделируется сеть, выбран КП «Международный аэропорт Донецк» – общая площадь застроек составляет 50 тысяч квадратных метров, небольшая территория для сети и, поэтому, главным критерием выбора топологии будет надежность сети и ее качественные характеристики, поэтому оптимальной топологией сети будет топология «иерархическая звезда». Иерархическая звезда – разновидность звездообразной топологии, характеризующаяся тем, что по крайней мере часть «ветвей», выходящих из главного центра, сами ветвятся на втором своем конце, исполняющие роль концентратора нижнего уровня.

Топологию моделируемой сети можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рисунке 1, где показана взаимосвязь элементов сети с серверами сети LTE и другими элементами сети. Кроме того, на соединительных линиях представлены технологии транспортной сети для каждого направления.

Рисунок 1. – Структурная схема сети.

4.6 Выбор линий связи

Линии связи – это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи, например путем частотного или временного разделения каналов. Для проектируемой сети будем использовать оптоволоконный кабель, благодаря его приемлемым характеристикам. Оптоволоконный кабель – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой.

Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование. Основное преимущество этого типа кабеля – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Скорость передачи данных 3 Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.

4.7 Синтез структурной схемы сети

В нашем случае местность, для которой проектируется сеть невелика, но с большим количеством абонентов, некоторые из которых постоянно требуют большой полосы пропускания. Поэтому для решения вопроса предоставления достаточного трафика, рассмотрим варианты уменьшения радиуса действия БС, т.е. уменьшение сот, будем использовать пикасоты – небольшие БС, которые позволяют обслуживать ограниченные участки местности с большим скоплением абонентов. В качестве опорной транспортной сети использует только сети IP/Ethernet, в которых резервируется необходимая полоса для пропуска трафика, генерируемого базовой станцией. Пропускная способность такой станции 100 Мбит/с на прием и 50 Мбит/с на передачу, технология LTE предусматривает гибкую полосу пропускания, поэтому расчет количества БС для каждого узла приведем для всех возможных полос пропускания, результаты представлены в таблице 2:

Таблица 2. – Количество БС для каждого узла

Чем больше полоса пропускания, тем лучше скорость передачи данных, и тем оптимальное количество БС.

4.8 Синтез функциональной схемы сети

Синтез функциональной схемы представляет собой выбор протоколы высших уровней, которые применяются для предоставления услуг в проектируемой сети:

  1. Передача интернет-файлов является доминирующим трафиком в фиксированных IP-сетях, где для поиска и доставки информации используется гипертекстовый протокол HTTP.
  2. Традиционные IP-сети используют несколько протоколов для передачи электронной почты: SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – только для отправки сообщений и другие.
  3. При оказании услуги потокового видео используется ряд соответствующих протоколов RTSP (Real-Time Streaming Protocol) – протокол передачи потокового видео в реальном времени; RTP (Real-Time Transport Protocol) – транспортный протокол передачи в реальном времени и другие.
  4. Для организации сервиса VoIP необходимо использование дополнительных, помимо IP, протоколов, которые будут отвечать за установление и поддержание соединения. Наибольшее распространение нашли два протокола: H.323 и SIP. Для корректной работы сети все оборудование должно быть укомплектовано соответствующими портами, поддерживающими соответствующие технологии.

Рисунок 2. – Визуализация взаимодействия БС с пользовательским оборудованием.
(анимация: 9 кадров, задержка между кадрами 0,4 с, количество циклов воспроизведения 11, размер 116 Кбайт, Easy GIF Animator)

Выводы

Существующие сети мобильной связи – сети с коммутацией каналов на основе радиодоступа. Но с развитием мобильной связи в целом, а также при предоставлении новых сервисов, нагрузка на систему увеличивается, а расширять ресурсы системы становится очень дорого, а в некоторых местах это физически невозможно, поэтому решение этой проблемы находят в создании сетей на базу технологий 4 поколения.

Альтернативным решением этого вопроса может быть увеличение количества базовых станций GSM, но это привело к взаимным помехам через ограниченный частотный диапазон, к тому же покупка дополнительного оборудования требует больших материальных затрат со стороны оператора.

Возможным и экономически целесообразным является применение технологии LTE со всеми ее возможностями и дополнительными особенностями на базе существующего оборудования сетей GSM. Использование этой технологии позволит увеличить пропускную способность канала связи, к тому же разнообразить услуги, которая способна предоставлять телекоммуникационная сеть.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче внедрения технологии широкополосного доступа LTE. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. На основании анализа литературных источников выделены основные алгоритмы, которые могут быть использованы в проектировании и моделировании сетей.
  2. Спроектирована сеть на основе технологии LTE для сегмента КП «Международный аэропорт Донецк».

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

  1. Моделирование сегмента сети на основе технологии GSM для сегмента КП «Международный аэропорт Донецк»
  2. Проектирование и дальнейшее моделирование сегмента сети на основе технологии GSM для сегмента КП «Международный аэропорт Донецк».
  3. Сравнение смоделированных сетей.
  4. Экономическое обоснование перехода с технологии LTE на стандарт GSM.
  5. Разработка рекомендаций по внедрению технологии LTE на существующие сети стандарта GSM.

Обратите внимание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена, она будет дополнена и доработана. 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. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура. – М.: Эко-Трендз, 2010. – 284с.: ил.
  2. Тихвинский В. О., Терентьев C.B., Минаев И.В. Стандартизация, спецификации, эволюция технологии и архитектура базовой сети LTE // Сети и средства связи, № 2(10). Специальный выпуск «Сети доступа». – 2009. – № 3.
  3. Методичні рекомендації до курсового проекту за курсом "Проектування засобів та систем телекомунікаційних мереж" для студентів заочної форми навчання по спеціальності 7.091402 "Телекомунікаційні системи та мережі" / Укл.: доц. Дегтяренко І.В., ас. Ступак Г.В., ас. Прядко Л.О. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – 58 с.
  4. Использование радиочастотного спектра сетями LTE и LTE Advanced В.О.Тихвинский, С.В. Терентьев. / / Электросвязь. – 2010. – № 5.
  5. 3GPP TR 23.882 System Architecture Evolution: report on Technical Options and Conclusions ( Release 8).
  6. 3GPP TS 29.272. Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol (Release 9).
  7. 3GPP TS 29.272. Technical Specification Group Core Network and Terminals; Evolved Packet System (EPS); Mobility Management Entity (MME) and Serving GPRS Support Node (SGSN) related interfaces based on Diameter protocol (Release 9).
  8. Электронный ресурс. Режим доступа: Сайт «Сотовая связь. История. Стандарты. Технологии»
  9. Электронный ресурс. Режим доступа: Статья с сайта Wikipedia «Ethernet»
  10. Все Releases можно найти на сайте консорциума 3GPP

Вверх