ДонНТУ   Портал магистров

Бороздин Антон Викторович

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность Телекоммуникационные системы и сети

Анализ параметров качества обслуживания в сетях мобильных операторов, построенных на базе фемто-сот

Научный руководитель: к.т.н., проф. Воропаева Виктория Яковлевна

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Цель работы и задачи
• 2. Анализ актуальности перехода операторов к фемто-сетям
• Выводы
• Список источников

Введение

Развитие беспроводной связи сопровождается непрерывной сменой технологий, в основе которых лежат стандарты сотовой связи GSM и CDMA, а также стандарты систем передачи данных IEEE 802. Исторически беспроводная связь развивались по двум независимым направлениям - системы телефонной связи сотовая связь) и системы передачи данных (Wi-Fi, WiMAX).Но в последнее время наблюдается явная тенденция к слиянию этих функций. Более того, объем пакетных данных в сетях сотовой связи третьего поколения (3G) уже превышает объем голосового трафика, что связано с внедрением технологий HSPA[1]. В свою очередь, современные сети передачи информации обязательно обеспечивают заданный уровень качества услуг (Qualиty of Service - QoS) для различных видов трафика. Реализуется поддержка приоритезации отдельных потоков информации, причем как на сетевом / транспортном уровнях (на уровне TCP / IP), так и на МАС-уровне (стандарты IEEE 802.16). Это позволяет использовать их для предоставления услуг голосовой связи, передачи мультимедийной информации и т.п.[2].

Современные тенденции развития телекоммуникаций связано с появлением новых услуг и сервисов, более требовательным к существующим сетям. С каждым днем эти услуги становятся более актуальными среди пользователей. Таким образом построение, современной мультисервисной беспроводной сети является очень выгодным решением для существующих провайдеров, гарантируя привлечение еще большего количества абонентов, а значит и увеличение доходов. В последнее время в Украине прогнозируется увеличение спроса на дополнительные услуги сотовой связи и особенно передачи данных Интернет. В связи с этим само понятие сетей следующего, третьего, поколения (3G) неразрывно связано с созданием универсальных мобильных мультимедийных сетей передачи информации. 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, либо по линиям. Как результат - низкая скорость обмена информацией, ненадежность соединения, ограниченные возможности подключения. Достаточно серьезной проблемой является прокладка кабельных линий, тем она невозможна, неудобна и экономически нецелесообразна, особенно в крупных городах.

Актуальность данной темы является вопрос о внедрении новых технологий в современные телекоммуникационные сети. Основным требованием для проектирования такой сети является выбор наиболее выгодной и качественной мобильной технологии. В последнее время в сфере телекоммуникаций широко стало рассматриваться понятие сетей следующего, третьего, поколения на основе технологии HSPA и использования фемтосот на уровне «последней мили». Существующий стандарт GSM обеспечивает услуги телефонной связи (12,2 кбит / с, тип кодека AMR), и передачи данных со скоростью от 9,6 кбит / с (СSD) до 236,8 кбит / с (EDGE) и вероятностью ошибки (Bиt Error Rate - BER) меньше 10^-2 и 10^-8 соответственно[3]. Любое дальнейшее развитие каналов данных может, в принципе, идти таким же путем, как и развитие речевых каналов, т.е. путем улучшения качества передаваемой ифнормации (уменьшение вероятности ошибки), увеличение емкости систем и уменьшение размера сот. Однако в случае передачи данных увеличение емкости в первую очередь предусматривает повышение эффективности использования низких по пропускной способности радиоканалов, повышения использования радиоресурсов, значительное увеличение скоростей передачи как от абонента так и до него.

Для обеспечения абонентов услугами высокоскоростной передачи данных (до 14,4 Мбит / с (HSPA rel.5)) и дальнейшего развития с применением MИMO-антенн до 84,4 Мбит / с (HSPA + rel.9), а также телефонии высокого качества передачи голоса (60 кбит / с диапазон передачи голоса 200-14000 кГц) предлагается развернуть сеть UMTS на базе технологии HSPA (HSDPA (downlиnk) + HSUPA (uplink)) rel.5, с применением 15 кодов (4/4) и модуляцией QPSK / 16QAM с возможностью модернизации на программном уровне до HSPA + (rel. 7-9). На уровне доступа абонентов к сети предлагается использовать фемто-сети [4].

1. Цель работы и задачи

Цель работы: повышение качества услуг мобильным оператором за счет применения фемто-сети в сетях третьего поколения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:


• 1) рассмотреть существующие технологии 3го поколения. Проанализировать их особенности.
• 2) Рассмотреть варианты перехода к сетям 3G и оценить их эффективность.
• 3) Проанализировать актуальность перехода к фемто-сетям и возможные пути перехода.
• 4) сформулировать и обосновать требования QoS в фемто-сетях.
• 5) Провести моделирование сети мобильного оператора на основе фемто-сети и проанализировать полученные результаты с точки зрения получаемых параметров QoS и экономической эффективности.

2. Анализ актуальности перехода операторов к фемто-сетям

Фемто - приставка, означающая 10^-15, то есть величину очень малую. Фемто-соты называют соты мобильных сетей размером порядка нескольких десятков метров, а фемто-сотовыми станциями - базовые станции, обеспечивающие связь в этих сотах. В последние годы мобильная связь все чаще используется в помещениях - дома или в офисе. Достаточно плотная сеть мобильных станций и способность GSM-сигналов проникать сквозь многие стен позволяет в большинстве случаев делать это успешно. Но все-таки не все стены прозрачные для сигнала, и не всегда базовая станция обеспечивает достаточную его мощность. Поэтому периодически приходится сталкиваться с ситуацией, когда связь в помещении плохая или совсем отсутствует. С появлением технологий сотовой связи третьего поколения (3G) положение значительно ухудшилось. Дело в том, что при передаче сигналов 3G используются более высокие частоты (в UMTS это примерно 2000 МГц, а в GSM может быть как 1800, так и 900 МГц), на которых затухание сигнала при прохождении через стены существенно увеличивается[5]. Пользователи устройств с поддержкой 3G часто сталкиваются с тем, что внутри помещений их аппараты автоматически переключаются на связь по каналам EDGE или GPRS - лучше "проникающий" сквозь стены, но менее скоростной.

Еще хуже дело с технологиями следующего поколения (HSPA, WiMAX, LTE). В них используется в основном квадратурная модуляция высоких порядков (например, QAM-16 и QAM-64). В то же время у многих пользователей мобильной связи дома есть доступ в Интернет через широкополосный проводной канал - кабельный или ADSL. Этот канал можно использовать и для доступа к сотовой сети мобильного оператора через специальное устройство - подобно присоединению через Wi-Fi-роутер. Именно таким устройством и является фемто-сотовая станция. Она переключает телефон абонента на себя при попадании в зону ее действия, и его дальнейшее взаимодействие с сетью оператора происходит уже через нее (рисунок 1).

Идея использования одного аппарата для связи вне дома и внутри него не нова. В свое время использовали попытки внедрения DECT / GSM-телефонов, правда, широкое распространение такие аппараты по ряду причин не получили. Сегодня можно пользоваться дома беспроводным широкополосным доступом (ШПД) с помощью телефонов и коммуникаторов, оснащенных модулями Wi-Fi. Принципиальная разница в том, что в случае фемто-сети подключения к базовой станции происходит через тот же канал связи и с помощью того же аппаратного обеспечения, что и в случае, когда абонент находится в зоне действия макро-сотовой станции [6]. Поэтому для пользования мобильной связью через фемто-сети не нужен новый телефон или коммуникатор - достаточно установить в помещении фемто-сотовую станцию.

Отличие от Wi-Fi также в том, что фемто-сотовая станция должна быть не просто подключена к домашнему проводной канала, но и интегрирована в опорную сеть оператора мобильной связи. Использование фемто-сети дает ряд преимуществ, как операторам мобильной сотовой связи, так и их абонентам. Операторам фемто-сети позволяют существенно увеличить число абонентов без дополнительных макро-сотовых базовых станций. Такой путь не требует дополнительных затрат на строительство, энергоснабжение, аренду и др., поэтому экономически он более выгоден. К тому же, как уже отмечалось, во многих случаях даже близко расположена базовая станция не обеспечивает необходимое качество связи в помещении.

За счет фемто-сети операторы мобильной связи могут также успешно конкурировать с поставщиками услуг IP-телефонии, получая дополнительный доход. Кроме того, благодаря высоким скоростям передачи данных и интеграции с традиционными проводными каналами доступа в Интернет фемто-сети предоставляют мобильным операторам "захватить" дополнительное время и при пользовании различными мультимедийными сервисами. Наконец, фемто-сети сокращают трафик в макростильниковий сети, тем самым повышая качество услуг для других пользователей и увеличивая их число. Абонентам применения фемто-сети дает свои выгоды. Благодаря фемто-сетям они могут получать доступ к мобильной связи в помещении по более низким тарифам. При этом используется обычный телефон, а не двухрежимный аппарат, как, например, в случае подключения через Wi-Fi. Да и переключение на фемто-сотовую станцию происходит автоматически - ничего перенастраивать не нужно [7].

Важно, что одной фемто-станцией могут пользоваться одновременно несколько человек, например, все члены семьи. Упрощается и процедура расчетов за услуги (так называемый биллинг) - один оператор, один телефон, один счет. Отметим, что фемто-сотовые станции применимы не только в домах и квартирах, но и в корпоративном секторе. Конечно, корпоративные решения для фемто-сотовых станций обеспечивают большую зону действия и поддерживают большее число абонентов.

Выигрыш от применения фемто-сетей особенно очевиден при передаче данных - где и нужны в первую очередь 3G и более "скоростные" технологии [8]. Преимущества использования фемто-сотовых станций наглядно иллюстрируются исследованиями, проведенными в работе. Было выполнено сравнение качества связи внутри помещений при использовании фемто-сотовых и макро-сотовых станций. Анализ проводился для технологий CDMA2000/1xEVDO и UMTS / HSDPA. В каждом из домов проводилось много измерений уровня сигнала, отношение сигнал / шум и другие параметры в разных точках помещения. В тестировании для технологии EVDO участвовали 17 домов. Тестирование технологии HSDPA выполнялись в разных местах в Северной Америке, в Европе, на Ближнем Востоке и в Азии - в целом в 12 местах (в основном в многоквартирных домах). При анализе сигналов от макро-сотовой станции исследовались сети разных операторов, доступных обычным абонентам в данном месте. Фемто-сети каждый участник тестирования располагал там, где ему удобно, не пытаясь оптимизировать место, исходя из качества радиосигнала. В целом было проведено несколько тысяч измерений. Данные проведенных измерений обрабатывались с помощью специальных статистических методов. Обобщенные результаты показали, что фемто-сети обеспечивают в среднем в пять раз более высокие скорости передачи данных в помещении, чем реально доступные абонентам макросотами сети (табл. 1). Причем, несмотря на разброс результатов, значительное увеличение скорости передачи данных в случае использования фемто-сотовых станций наблюдалось во всех помещениях - как для EVDO, так и HSDPA-сигналов (рисунок 3).

Еще более наглядный результат заключается в том, что вероятность достижения достаточно высокой скорости передачи данных внутри помещения, где работает фемто-сети, оказалась намного выше, чем в случае с макро-сотами (рисунок 4). Таким образом, при передаче данных фемто-сети дают весьма ощутимые преимущества, а во многих случаях оказываются единственным возможным решением - сигнал от макро-сотовой станции просто не достигает необходимого уровня.

Следует отметить, что фемто-сети станции применимы не только в домах и квартирах, но и в корпоративном секторе. Обычно корпоративные решения для фемто-сотовых станций обеспечивают большую зону действия, поддерживают большее число абонентов и гарантируют большую скорость передачи данных в радиоканале (таблица 1).

Выводы

Выводы: анализ, проведенной в данном разделе показал, что решение на базе фемто-сетей помогут операторам 3G решить проблемы с высокоскоростным доступом на "последней миле".Однако для этого необходимо решить ряд технических задач. Поскольку фемто-сети относятся к классу домашних сетей, нужно, чтобы станция легко подключалась и настраивалась, а цена ее была сопоставима со стоимостью Wi-Fi точек доступа. Нужно также обеспечить надежную и стабильную работу фемто-сети и широкополосных линий связи, к которым они подключаются, в соответствии со стандартами качества обслуживания (QoS), предъявляемым к функционированию систем мобильной связи. При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Список источников