ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

На сьогодні Україна має зовнішні канали зв'язку з достатньою пропускною здатністю, практично в кожному населеному пункті є провайдери послуг доступу в зовнішню мережу, однак з'єднання між ними і кінцевим споживачем дотепер здійснюється в основному або по комутованих або по виділених лініях. Як результат – низька швидкість обміну інформацією, ненадійне з'єднання, обмежені можливості підключення. Важливою проблемою є прокладка кабельних ліній, іноді вона неможлива, незручна й економічно недоцільна, особливо у великих містах. Актуальністю даної теми є пошук рішень по впровадженню нових технологій в сучасні телекомунікаційні мережі. Основною вимогою для проектування такої мережі є вибір найбільш вигідної і якісної технології передачі даних. Останнім часом у сфері телекомунікації все більше уваги стали приділяти технологіям 4 покоління, які мають кращі, порівняно з попередніми поколіннями, характеристики якості, швидкості передачі даних та більший спектр послуг. Однією з таких технологій є технологія LTE.

1. Актуальность темы

Ринок телекомунікаційних послуг стрімко розвивається, змінюються його тенденції й оператори повинні своєчасно реагувати для збереження своїх позицій і отримання прибутку в умовах жорсткої конкуренції.

Проблеми мобільного зв'язку:

  1. Необхідність впровадження нових послуг передачі даних.
  2. Надання абонентам мультимедійних послуг вимагає високої пропускної здатності каналів.
  3. Технології 2G і 3G не забезпечують високої частотної ефективності, що є серйозною проблемою на шляху забезпечення високої якості послуг.

Очевидно, що за допомогою існуючих мереж задовольнити запити абонентів практично неможливо, тому можна виділити основні причини необхідності впровадження мереж 4 покоління:

  1. Зниження темпів зростання клієнтської бази операторів мобільного зв'язку в мережах 2G.
  2. Розвиток мультимедійних послуг, що вимагають високої пропускної здатності каналів зв'язку.
  3. Невисока ефективність використання частотного ресурсу в існуючих мережах.

2. Мета і завдання дослідження та заплановані результати

Мета роботи – створення моделі мобільної мережі з надійним радіопокриттям, якісно новими послугами, низькими затримками і високою пропускною здатністю на базі існуючих мереж стандарту GSM, обгрунтування необхідності впровадження технології LTE, пошук економічно обгрунтованого рішення з модернізації GSM-мережі для впровадження технології LTE.

Основні завдання дослідження:

  1. Вивчити технологію LTE та її особливості.
  2. Провести аналіз ринку послуг мобільного зв'язку, щоб обгрунтувати необхідність впровадження мереж LTE.
  3. Провести аналіз існуючих мереж другого і третього покоління.
  4. Виявити проблем еволюції другого і третього покоління до мереж 4G.
  5. Проаналізувати можливі сценарії еволюції стандарту GSM на технологію LTE.
  6. Розробити варіант впровадження технології LTE на основі абстрактного сегмента існуючої мобільної мережі.

Об'єкт дослідження: абстрактний сегмент існуючої мобільної мережі.

Предмет дослідження: об'єднання методів зменшення апаратих витрат, збільшення економічної ефективності при реалізації мережі LTE на мережах стандарту GSM.

У рамках магістерської роботи планується отримати актуальні наукові результати за наступними напрямками:

  1. Дослідження процесів в технології LTE.
  2. Розробка основних рекомендацій по впровадженню технології LTE на існуючих мережах стандарту GSM.
  3. Економічна обгрунтованість необхідності впровадження технології LTE.

Для експериментальної оцінки отриманих теоретичних результатів і формування фундаменту наступних досліджень, в якості практичних результатів планується:

  1. Отримати модель мережі GSM.
  2. Отримати модель мережі LTE.
  3. На основі моделей мереж зробити їх порівняльний аналіз.

3. Огляд досліджень та розробок

3.1 Огляд міжнародних джерел

Міжнародний союз електрозв'язку/International Telecommunications Union (МСЕ/ITU) розпочав дослідження питань глобалізації мобільного зв'язку в 1986 р. і визначив довгострокові вимоги до частотного спектру для майбутнього третього покоління систем мобільного зв'язку. У 1992 р. МСЕ на Всесвітній адміністративної конференції радіозв'язку (ВАКР-92) розподілив 230 МГц спектра в діапазоні 2 ГГц глобальній системі мобільного зв'язку третього покоління для обох сегментів – супутникового та наземного. Таким чином було покладено початок розвитку мобільних мереж, яке вилилося в Release 8 [5], який дав старт роботам над технічним виглядом мереж мобільного зв'язку нових поколінь, що йдуть за поколінням 3G, які покликані революційно змінити звичні технології. Роботи над Release 8 були припинені у середині 2009 р., почалися роботи над Release 9 [6-7], який визначив другу фазу розвитку системи LTE.

Удосконалення функціональних можливостей LTE в Release 9 полягає в реалізації двох діапазонної або багатодіапазонної передачі даних в одному фізичному каналі, подальше розширення можливостей мережі радіодоступу E-UTRAN, впровадженні нових сценаріїв високошвидкісної передачі даних. Роботи над Release 10 спрямовані на подальший розвиток технології LTE і створення удосконаленої технології LTE Advanced.

3.2 Огляд національних джерел

У роботах вітчизняних вчених, таких як Тихвинський В.О., Терентьєв С.В., Юрчук А.Б. "Мережі мобільного зв'язку LTE: технології та архітектура" [1] викладено основні структурні характеристики технології LTE, стеки протоколів, етапи розвитку технології, взаємодія мережі LTE з мережами доступу 3GPP і нe-3GPP. Так само цими вченими приділено увагу питанням стандартизації, специфікації мережі LTE [2].

3.3 Огляд локальних джерел

У Донецькому національному технічному університеті (кафедра автоматики і телекомунікацій) велика увага приділяється вивченню технологіям 4 покоління, в тому числі LTE. Статті Дегтяренко В.І., Шахова Д.С., Кнерцер Д.О., Запорожченко В.В., Гаськова І.А., присвячені питанням самоорганізуючихся мереж LTE, покриттю радіомереж. Велика увага питанням проектування та моделювання мереж зв'язку приділяється працівниками кафедри АТ, було створено методичні вказівкі з проектування засобів і систем телекомунікаційних мереж [3], в якому детально описані етапи проектування мережі, методика є універсальною, дозволяє проектувати мережу для будь-якої технології.

4. Синтез моделі мережі LTE

Для вирішення поставлених завдань в якості сегмента для проектування мобільної мережі було обрано КП "Аеропорт Донецьк", який є одним з найбільших аеропортів України. Аеропорт обслуговує як внутрішні так і міжнародні рейси, чартерні рейси, приймає гостей високого рівня, державних і політичних діячів. На території аеропорту діє міська АТС, яка задовольняє потреби персоналу і жителів прилеглого району в швидкісному Інтернеті, телефонному зв'язку. На території аеропорту розташовані базові станції операторів мобільного зв'язку, всі вони працюють на стандарті GSM.

4.1 Алгоритм проектування мережі

    Проектування мережі відбувається у такій послідовності:

  1. Синтез інформаційної мережі об'єкта
  2. Розрахунок трафіку мережі
  3. Вибір транспортної топології мережі.
  4. Вибір оптимальної топології мережі доступу.
  5. Вибір ліній зв'язку.
  6. Синтез структурної схеми мережі.
  7. Синтез функціональної схеми мережі [3].

4.2 Синтез інформаційної мережі об'єкта

Можна виділити три типи потенційних груп абонентів відповідно до вимог, які вони ставлять перед оператором:

  1. "Робочий" – абонент, який не вимагає широкої смуги пропускання. Найважливішим сервісом для нього залишається голосовий зв'язок. Також важливі захищеність каналу передачі даних і висока стабільність з'єднання. Абоненти цього типу мають найвищий пріоритет в обслуговуванні. Працівник аеропорту використовує цей сервіс для координації дій з іншими співробітниками. Абонентами з такими ж вимогами можуть бути і пасажири VIP – терміналу, для яких важлива надійність обміну інформацією.
  2. "Пасажир" – активний абонент з великими вимогами до мобільності сервісів. Він характеризується нестабільними вимогами до смуги пропускання. Його пріоритет нижче, ніж у абонентів інших категорій. Типові сервіси, якими користуються абоненти цього типу – IPTV, перегляд відео та онлайн-ігри, для яких також характерні високі вимоги до затримки.
  3. "Охоронні системи" – важливим показником якості для цієї категорії є відеоспостереження в режимі реального часу, що вимагає високої смуги пропускання і швидкості передачі даних.

4.3 Розрахунок трафіку мережі

Мережа проектується для пасажирів та персоналу КП "Міжнародний аеропорт Донецьк", це приблизно 3500 осіб. Реально одночасно послугами спроектованої мережі буде користуватися половина від цієї кількості, тобто приблизно 1800 абонентів, а то і менше. Розіб'ємо мережу на 6 мережних вузлів, відповідно до кількості забудов на території аеропорту. У таблиці 1 наведено технічні зони і кількість абонентів.

Таблиця 1. – Техничні зони та кількість абонентів

Трафік розраховується окремо для кожного виду послуги на кожному вузлі мережі. Формула для розрахунку має вигляд:

де k – номер мережної послуги;

i – номер вузла;

γ – математичне очікування трафіку, що генерується k-ю послугою на i-м вузлом;

Bср – швидкість передачі даних – середня пропускна здатність каналу зв'язку, якої достатньо для якісної передачі трафіку k-ї послуги;

Nаб – кількість абонентів на i-му вузлі, які користуються k-ю послугою;

Tс – середня тривалість сеансу зв'язку для k-ї послуги;

fвыз – середнє число викликів на годину найбільшого навантаження для користувачів i-го вузла, які використовуютьk-у послугу.

Швидкість передачі даних знаходиться за формулою:

де Bmax – максимальна пропускна здатність каналу зв'язку;

P – пачковість на одного абонента – відношення між максимальною і середньою пропускною здатністю, необхідної для забезпечення k – ї послуги [3].

При розрахунках було спрогнозовано трафік цієї мережі. Він становить приблизно 1,6 Гбіт/с.

4.4 Транспортна топологія мережі

Технологія транспортної мережі повинна відповідати наступним вимогам:

  1. Підтримувати швидкість передачі від 100 Мбіт/с.
  2. Надійний захист інформації.
  3. Можливість нарощування рішень.
  4. Протяжність мережі від 500 м до 5 км.

В якості транспортної мережі має сенс розглядати технології Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Ethernet – пакетна технологія передачі даних переважно локальних комп'ютерних мереж. В залежності від швидкості передачі даних і передавального середовища існує кілька варіантів технології:

  1. Fast Ethernet, 100 Мбіт/с:

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

  2. Gigabit Ethernet, 1 Гбіт/с:

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

  3. 10-гігабітний Ethernet;
  4. гігабітний і 100-гігабітний Ethernet [9].

4.5 Топологія мережі

Сегментом мережі, для якого моделюється мережа, обраний КП "Міжнародний аеропорт Донецьк" – загальна площа забудов становить 50 тисяч квадратних метрів, невелика територія для мережі і, тому, головним критерієм вибору топології буде надійність мережі та її якісні характеристики, тому оптимальною топологією мережі буде топологія "ієрархічна зірка". Ієрархічна зірка – різновид зіркоподібної топології, що характеризується тим, що принаймні частина "гілок", що виходять з головного центру, самі гілкуються на другому своєму кінці, виконуючі роль концентратора нижнього рівня.

Топологію мережі, що моделюється можна представити у вигляді структурної схеми, наведеної на рисунку 1, де показано зв'язок елементів мережі з серверами мережі LTE та іншими елементами мережі. Крім того, на з'єднувальних лініях представлені технології транспортної мережі для кожного напряму.

Рисунок 1. – Структурна схема мережі

4.6 Вибір ліній зв'язку

Лінії зв'язку – це проміжна апаратура і фізична середа, по якій передаються інформаційні сигнали. В одній лінії зв'язку можна утворити кілька каналів зв'язку, наприклад шляхом частотного або часового розподілу каналів. Для проектованої мережі будемо використовувати оптоволоконний кабель, завдяки його прийнятним характеристикам. Оптоволоконний кабель – це оптичне волокно на кремнієвій або пластмасовій основі, укладену в матеріал з низьким коефіцієнтом заломлення світла, який закритий зовнішньою оболонкою.

Оптичне волокно передає сигнали тільки в одному напрямку, тому кабель складається з двох волокон. На передавальному кінці оптоволоконного кабелю потрібно перетворення електричного сигналу в світловий, а на приймальному кінці зворотне перетворення. Основна перевага цього типу кабелю – надзвичайно високий рівень перешкодозахищеності і відсутність випромінювання. Несанкціоноване підключення дуже складне. Швидкість передачі даних 3 Гбіт/c. Основні недоліки оптоволоконного кабелю – це складність його монтажу, невелика механічна міцність і чутливість до іонізуючих випромінювань.

4.7 Синтез структурної схеми мережі

У нашому випадку місцевість, для якої проектується мережа невелика, але з великою кількістю абонентів, деякі з яких постійно вимагають великої смуги пропускання. Тому для вирішення питання надання достатнього трафіку, розглянемо варіанти зменшення радіусу дії БС, тобто зменшення сот, будемо використовувати пікасоти – невеликі БС, які дозволяють обслуговувати обмежені ділянки місцевості з великим скупченням абонентів. В якості опорної транспортної мережі використовує тільки мережі IP/Ethernet, в яких резервується необхідна смуга для пропускання трафіку, що генерується базової станцією. Пропускна здатність такої станції 100 Мбіт/с на прийом і 50 Мбіт/с на передачу, технологія LTE передбачає гнучку смугу пропускання, тому розрахунок кількості БС для кожного вузла наведемо для всіх можливих смуг пропускання, результати занесемо в таблицю 2:

Таблиця 2. – Кількість БС для кожного вузла

Чим більше смуга пропускання, тим краще швидкість передачі даних, і тим оптимальніша кількість БС.

4.8 Синтез функціональної схеми мережі

Синтез функціональної схеми полягає у виборі протоколів вищих рівнів, які застосовуються для надання послуг у мережі:

  1. Передача інтернет-файлів є домінуючим трафіком у фіксованих IP-мережах, де для пошуку і доставки інформації використовується гіпертекстовий протокол HTTP.
  2. Традиційні IP-мережі використовують декілька протоколів для передачі електронної пошти: SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) – тільки для відправки повідомлень та інші.
  3. При наданні послуг потокового відео використовується ряд відповідних протоколів RTSP (Real-Time Streaming Protocol) – протокол передачі потокового відео в реальному часі; RTP (Real-Time Transport Protocol) – транспортний протокол передачі в реальному часі та інші.
  4. Для організації сервісу VoIP необхідно використання додаткових, крім IP, протоколів, які будуть відповідати за встановлення та підтримку з'єднання. Найбільше поширення знайшли два протоколи: H.323 і SIP. Для коректної роботи мережі все обладнання повинно бути укомплектовано відповідними портами, що підтримують відповідні технології.

Рисунок 2. – Візуалізація взаємодії БС з абонентським обладнанням
(анімація: 9 кадрів, затримка між кадрами 0,4 с, кількість циклів відтворення 11, розмір 116 Кбайт, Easy GIF Animator)

Висновки

Існуючі мережі мобільного зв'язку – мережі з комутацією каналів на основі радіодоступу. Але з розвитком мобільного зв'язку в цілому, а також при наданні нових сервісів, навантаження на систему збільшується, а розширювати ресурси системи стає дуже дорого, а в деяких місцях це фізично неможливо, тому рішення цієї проблеми знаходять у створенні мереж на базі технологій 4 покоління.

Альтернативним вирішенням цього питання може бути збільшення кількості базових станцій GSM, але це призведе до взаємних перешкод через обмежений частотний діапазон, до того ж купувати додаткове обладнання потребує великих матеріальних витрат з боку оператора.

Можливим і економічно доцільним є застосування технології LTE з усіма її можливостями і додатковими особливостями на базі існуючого обладнання мереж GSM. Використання цієї технології дозволить збільшити пропускну здатність каналу зв'язку, до того ж урізноманітнити послуги, які здатна надавати телекомунікаційна мережа.

Магістерська робота присвячена актуальній науковій задачі впровадження технології широкосмугового доступу LTE. У рамках проведених досліджень виконано:

  1. На підставі аналізу літературних джерел виділено основні алгоритми, які можуть бути використані при проектуванні та моделюванні мереж.
  2. Зпроектована мережа на основі технології LTE для сегмента КП "Міжнародний аеропорт Донецьк".

Подальші дослідження спрямовані на наступні аспекти:

  1. Моделювання сегмента мережі на основі технології LTE для сегмента КП "Міжнародний аеропорт Донецьк".
  2. Проектування та моделювання сегмента мережі на основі технології GSM для сегмента КП "Міжнародний аеропорт Донецьк".
  3. Порівняння змодельованих мереж.
  4. Економічне обгрунтування переходу на технологію LTE зі стандарту GSM.
  5. Розробка рекомендацій щодо впровадження технології LTE на існуючі мережі стандарту GSM.

Зверніть увагу

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

Перелік посилань

  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. Всі Releases можно знайти на сайті консорциума 3GPP

Вгору