Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Потребности мобильных пользователей растут так стремительно, что существующим сетям, поколения 3G, которое успешно закрепилось в лидерах предоставления услуг связи, за ними не угнаться, в то время, как современные технологии широкополосного доступа способны их удовлетворить.

Технология LTE – технология широкополосного доступа, поддерживающая гибкую несущую полосу частот, от 1,4 МГц до 20 МГц, работает, используя как частотный – FDD (Frequency Division Duplex) так и временной – TDD (Time Division Duplex) дуплексы. Целью является создание мобильной сети с надежным радиопрокрытием, качественно новыми услугами, низкими задержками и высокой пропускной способностью на базе существующих сетей стандарта GSM.

1. Преимущества использования технологии LТЕ

Технология LTE является логическим продолжением и совершенствованием сетей 3G. Технология способна обеспечивать скачкообразное повышение передачи данных в современных мобильных сетях.

Для примера:

– GSM представляет собой сети второго поколения связи (2G). Обеспечить GSM роутеры смогут передачу информации со скоростью 5,6–13 Кбит/сек. Предназначен такой стандарт для обмена голосовым трафиком. GPRS представляет собой поколение 2,5G (56–114 Кбит/сек), EDGE – поколение (до 473,6 Кбит/сек). Возможности сетей 3G позволяют обеспечивать передачу информации со скоростью до 3,6 Мбит/сек.

– При внедрении LTE скорость передачи может быть обеспечена до 326,4 Мбит/с либо выше от базовой станции для пользователя, в обратном направлении уже до 172,8 Мбит/с.

С учетом возможностей, которые обеспечивает современное LTE оборудование, интерес к ним со стороны операторов выглядит вполне логичным. Ведь развертывание LTE–сетей сегодня оказывается более выгодно и целесообразным. Проект гораздо выгоднее, к примеру, чем дальнейшее разворачивание сетей третьего поколения, поскольку LTE лучше использует частотный центр (имеет меньшую задержку сигнала и повышенную емкость).

Благодаря внедрению в своей практике инновационной технологии LTE, операторы получают возможность существенного снижения операционных и капитальных затрат, сокращения совокупной стоимости владения сетью, расширения спектра предоставляемых услуг, которые относятся к передаче данных с помощью высокоскоростных каналов. Важно такое улучшение и для самих абонентов – ведь благодаря значительному повышению скорости передачи информации удается значительно улучшать общее качество предложенных услуг. Возможности использования технологии LTE:

– Для ноутбуков и нетбуков возможность высокоскоростного доступа в Интернет.

– Для мобильных телефонов – возможности мобильного телевидения и видеообщения.

– Для коммуникаторов и смартфонов – пользователи могут участвовать в интерактивных играх, оперативно загружая спутниковые карты местности, просматривать интерактивный видеоконтент.

2. Технические детали реализации

2.1. Диапазон частот

В отличие от других стандартов мобильной связи LTE не привязан к какому–то конкретному диапазону частот. На данный момент разработчиками 3GPP выделено около 40 диапазонов, для которых производители выпускают стандартное радиооборудование LTE. Сюда попали как частоты, используемые сейчас под другие стандарты (например, 900, 1800 (GSM), 2100 (UMTS), 2500 (WiMAX), так и «новые», например 700–800 МГц. Далеко не все из возможных диапазонов найдут широкое распространение, тем более, что большое количество диапазонов очень трудно реализовать в одном абонентском устройстве, а это уже проблема для обеспечения глобального роуминга. Зона покрытия одной БС в LTE зависит от используемого диапазона частот, и чем он ниже, тем на большее расстояние можно передать сигнал.

Развертывание сетей в низкочастотной области спектра более привлекательно с точки зрения затрат и оптимально подходит для покрытия районов с низкой плотностью населения (пригороды и сельские районы). В условиях городской застройки радиус соты может быть от нескольких сот метров до нескольких километров. В густонаселенных районах использование высоких частот для LTE потребует дополнительных мер для улучшения покрытия внутри помещений. Таким образом, наиболее привлекательными являются:

– 800 Мгц – выделен под LTE, – выгоден в плане затрат на обеспечение сплошного покрытия; оборудование выпускается ведущими производителями;

– 2,5 Ггц – выделен под LTE, выгоден при обеспечении емкости в хот спотах; оборудование выпускается всеми ведущими производителями.

– 1800 Мгц – будет освобождаться по мере уменьшения количества GSM–only телефонов и расширения покрытия 3G, хорош с точки зрения обеспечения в сети баланса между емкостью и покрытием [1].

Выбор правильного диапазона для развития LTE – задача достаточно сложная. В нижних диапазонах, где всё отлично с покрытием, проблема найти полосу достаточной ширины для LTE. В верхних диапазонах обычно хорошо с частотным ресурсом, но БС нужно ставить через каждые 400–500 метров, что экономически не выгодно.

2.2 Архитектура сети

Архитектура сети LTE разработана таким образом, чтобы обеспечить поддержку пакетного трафика с так называемой «гладкой» («бесшовной», seamless) мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания. Мобильность как функция сети обеспечивается двумя её видами: дискретной мобильностью (роумингом) и непрерывной мобильностью (хэндовером). Поскольку сети LTE должны поддерживать процедуры роуминга и хэндовера со всеми существующими сетями, для LTE-абонентов (терминалов) должно обеспечиваться повсеместное покрытие услуг беспроводного широкополосного доступа. Пакетная передача позволяет обеспечить все услуги, включая передачу пользовательского голосового трафика. В отличие от большинства сетей предыдущих поколений, в которых наблюдается достаточно высокая разнотипность и иерархичность сетевых узлов (так называемая распределённая сетевая ответственность), архитектуру сетей LTE можно назвать «плоской», поскольку практически всё сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: базовой стан–цией (БС), которая в технических спецификациях называется B–узлом (Node–B, eNB) и блоком управления мобильностью БУМ, реализационно, как правило, включающими сетевой шлюз Ш (GW, Gateway), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW.

БУМ работает только со служебной информацией – так называемой сетевой сигнализацией, так что IP–пакеты, содержащие пользовательскую информацию, через него не проходят. Преимущество наличия такого отдельного блока сигнализации в том, что пропускную способность сети можно независимо наращивать как для пользовательского трафика, так и для служебной информации. Главной функцией БУМ является управление пользовательскими терминалами (ПТ), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, роуминг и хэндовер, установление служебных и пользовательских каналов и др. Среди всех сетевых шлюзов отдельно выделены два: обслуживающий шлюз ОШ (S–GW, Serving Gateway) и шлюз пакетной сети (P–GW, Packet Data Network Gateway), или, короче, пакетный шлюз (ПШ). ОШ функционирует как блок управления локальной мобильностью, принимая и пересылая пакеты данных, относящиеся к БС и обслуживаемым им ПТ. ПШ является интерфейсом между набором БС и различными внешними сетями, а также выполняет некоторые функции IP–сетей, такие, как распределение адресов, обеспечение пользовательских политик, маршрутизация, фильтрация пакетов и др [2].

Как и в большинстве сетей третьего поколения, в основу принципов построения сети LTE положено разделение двух аспектов: физической реализации отдельных сетевых блоков и формирования функциональных связей между ними. При этом задачи физической реализации решаются, исходя из концепции области (domain), а функциональные связи рассматриваются в рамках слоя (stratum). Первичным разделением на физическом уровне является разделение архитектуры сети на область пользовательского оборудования (UED, User Equipment Domain) и область сетевой инфраструктуры (ID, Infrastructure Domain). Пользовательское оборудование – это совокупность ПТ с различными уровнями функциональных возможностей, используемых сетевыми абонентами для доступа к LTE–услугам. При этом в качестве пользовательского терминала может фигурировать как реальный абонент, пользующийся, к примеру, услугами голосового трафика, так и обезличенное устройство, предназначенное для передачи/приёма определённых сетевых или пользовательских приложений [3].

Для LTE было выделено несколько десятков различных частотных диапазонов, а также разработано две различных системы дуплекса, то есть, одновременной передачи данных в прямом и обратном каналах

Более распространены (90% от общего числа) сети FDD (Frequency Division Duplex) – это частотное разделение, при котором для прямого и обратного канала используются различные полосы частот: то есть, передача происходит на одной частоте, а прием – на другой. Преимущество такой технологии заключается в симметричности канала связи: скорость передачи данных как от абонента, так и к абоненту может быть одинаково высокой. Однако это же является и недостатком: большинство абонентов в основном загружают данные из сети, а не в сеть, поэтому большая скорость в обратном канале им не нужна. При этом для строительства сети FDD нужно найти парные частоты, и значительная часть дефицитного частотного ресурса будет использоваться неэффективно, то есть, простаивать.

Сети TDD (Time Division Duplex) используют временное разделение и прием и передача ведутся на одних и тех же частотах, но попеременно: сеанс передачи делится на таймслоты, и одни из них используются для передачи, а другие для приема. Длительность таймслота измеряется миллисекундами, поэтому с точки зрения абонента передача данных выглядит одновременной. Главное преимущество TDD заключается в том, что оператор может управлять соотношением таймслотов, выделенных на прием и передачу и таким образом полностью использовать частотный ресурс. При этом для сопоставимых скоростей передачи данных требуется вдвое меньшая полоса частот, и не требуется искать парные частоты.

Для того, чтобы развернуть сеть с числом ресурсных блоков LTE 25 (5 МГц) оператору при FDD необходимо 5 МГц для Uplink, и 5 МГц для Downlink (итого 10 МГц), в то время как при TDD необходимо только 5 МГц. Это позволяет оператору экономить частотный ресурс (соответственно и деньги на получение разрешения). Производительность FDD чуть лучше, но далеко не всегда возможно иметь два парных канала. Поэтому для случая непарных частот LTE TDD является наиболее подходящей технологией радиодоступа. На сегодняшний день большинство LTE операторов запустили сети в стандарте FDD, но интерес к TDD неуклонно растет. Из 213 коммерчески запущенных в мире LTE сетей 21 – это LTE TDD, а в 10 сетях применено совместно использование FDD и TDD.

В настоящее время можно отметить рост интереса к технологии LTE TDD в мире – производители уже готовы предоставить готовые решения, а крупнейшие операторы либо тестируют, либо уже развертывают коммерческие сети. Технология обладает рядом существенных отличий в сравнении с LTE FDD, связанных с использованием спектра и может быть использована как самостоятельно, так и как комплиментарная технология с LTE FDD. Производители отмечают потенциал рынка, на который ориентирована технология – он достаточно высок, а растущие потребности абонентов в высокоскоростной передаче данных требуют использования новых частотных ресурсов. Общий же частотный ресурс, стандартизированный под LTE TDD, значителен и составляет 849 МГц против 2х427 МГц для LTE FDD.

Оборудование радиоподсистем двух технологий идентично на 90% и лишь на 10% различается на уровне протоколов обеспечения работы радиочасти, опорная же сеть является унифицированной для обоих стандартов. При этом в технологии LTE TDD доступен такой же функционал, что и в LTE FDD, а также поддерживается полное взаимодействие с сетями 2G/3G – роуминг, хэндовер, балансировка нагрузки и прочие функции. Все это позволяет говорить о зрелости индустрии LTE TDD и ее коммерческой пригодности, также это доказывают реализованные коммерческие проекты для таких операторов, как Softbank в Японии, STC и Mobili в Саудовской Аравии, Aero2 в Польше и других.

Решения на базе LTE TDD можно использовать несколькими способами. Во-первых, непосредственно как технологию мобильного широкополосного доступа для обеспечения услуг передачи данных. Во–вторых, для организации транспортной сети (Mobile Backhaul) [4].

3. Протоколы LTE

По своей структуре сеть радиодоступа RAN – Radio Access Network – выглядит аналогично сети UTRAN UMTS, или eUTRAN, но имеет одно дополнение: приемо–передающие антенны базовых станций взаимосвязаны по определенному протоколу X2, который объединяет их в сотовую сеть – Mesh Network – и дает возможность базовым станциям обмениваться данными между собой напрямую, не задействуя для этого контроллер RNC – Radio Network Controller. К тому же взаимосвязь базовых станций с системой управления мобильными устройствами MME – Mobility Management Entity – и сервисными шлюзами S-GW – Serving Gateway – осуществляется путем «многих со многими», что позволяет получить большую скорость связи с небольшими задержками.

Топология сети LTE

Рисунок 1 – Топология сети LTE.

Стандарты LTE и WiMAX достаточно близки между собой. Они оба используют технологию кодирования OFDM и систему передачи данных MIMO. И в том, и в другом стандарте применяются FDD и TDD-дуплекирование при пропускной способности канала до 20 МГц. И обе из систем связи используют в роли своего протокола IP. Соответственно, обе технологии в реальности одинаково хорошо применяют свой частотный диапазон и обеспечивают сравнимую скорость передачи данных интернет доступа. Но, конечно, есть у них и кое–какие отличия. Одним из таких отличий является гораздо более простая инфраструктура сети WiMAX, а, следовательно, и более надежная технически. Данная простота стандарта обеспечивается его предназначением исключительно для передачи данных. С другой стороны, «сложности» LTE нужны для обеспечения ее совместимости со стандартами предыдущих поколений – GSM и 3G. И данная совместимость нам с вами, безусловно, потребуется. Диспетчеризация радиочастотных ресурсов, в WiMAX производится по технологии Frequency Diversity Scheduling, согласно которой поднесущие, предоставляемые абоненту, распределяются по всему спектру канала. Это необходимо для рандомизации и усреднения влияния частотно–селективных замираний на широкополосный канал.

В сетях LTE применена другая технология устранения частотно–селективных замираний. Она называется частотно–селективной диспетчеризацией ресурсов – Frequency Selective Scheduling. При этом для каждой абонентской станции и каждого частотного блока несущей создаются индикаторы качества канала CQI – Channel Quality Indicator [5].

Еще одним очень важным моментом, связанным с планированием сетей связи массового использования – коэффициент переиспользования частот. Его роль – показывать эффективность использования доступной полосы радиочастот для каждой базовой станции в отдельности. Базовая структура переиспользования частотного диапазона WiMAX состоит из 3–х частотных каналов. При использовании трехсекторной конфигурации сайтов (базовых станций определенного частотного диапазона), в каждом из секторов реализован один из 3-х частотных каналов. При этом коэффициент переиспользования частот равняется 3–м. Иными словами, в каждой из точек пространства имеется лишь треть радиочастотного диапазона. Работа сотовой сети LTE (4G) производится с коэффициентом переиспользования частот равном 1. То есть, получается, что все базовые станции LTE работают на одной несущей. Внутрисистемные помехи в подобной системе сводятся к минимуму благодаря частотно–селективной диспетчеризации, гибкому частотному плану и координации помех между отдельными сотами. Абонентам в центре каждой соты могут даваться ресурсы из всей полосы свободного канала, а пользователям на краях сот предоставляются частоты только из определенных поддиапазонов. Перечисленные выше особенности сетей LTE и WiMAX оказывают большое влияние на одну из их главных характеристик – степень радиопокрытия. Отталкиваясь от данного параметра, определяется необходимое количество базовых станций для качественного покрытия конкретной территории. Соответственно, он напрямую влияет и на конечную стоимость строительства сетей LTE [6].

Согласно расчетам, сеть LTE способна обеспечить лучшую зону покрытия при одинаковом числе базовых станций, что является несомненным плюсом для всех операторов сотовой связи.

4. Перспективы работы

В рамках данной работы была создана модель сети формата LTE, в среде моделирования NS2. Выбор в пользу NS2 был сделан из–за того что данный симулятор является бесплатным и подходит для выполнения моделирования беспроводной сети на системном уровне, так что созданная модель подойдет для имитации реальной сети LTE/SAE, или любой другой сети. Кроме того, NS–2 является один из самых популярных в академических кругах из–за его открытого исходного кода и множества других преимуществ.

Беспроводные модели по существу состоят из MobileNode, с поддержкой дополнительных функций, которые позволяют моделировать multi–hop одноранговые сети, беспроводные локальные сети и т.д. Структурная схема MobileNode представлена на рисунке2.

Подход к унификации синтеза автоматов Мура

Рисунок 2 – Структурная схема MobileNode.

Далее рассмотрим отдельные компоненты:

Link Layer (канальный уровень) содержит модуль ARP, который решает преобразования IP в MAC адреса. Все исходящие пакеты передаются в LL от агента маршрутизации (RTagent). Далее LL передает пакеты в очередь интерфейса (ifq). Для входящих пакетов MAC уровень передает их в LL, который дальше передается в node_entry_ point. Класс LL описан в ~ns/ll.{cc,h} и ~ns/tcl/lan/ns–ll.tcl.

Address Resolution Protocol модуль получает запросы от канального уровня (LL). Если ARP имеет аппаратный адрес назначения, он записывает его в заголовок MAC пакета. В противном случае он передает ARP запрос, и временно кэширует пакет. Для каждого неизвестного аппаратного (MAC) адреса получателя имеется буфер на 1 пакет. Если приходят новые пакеты, то они посылаются в ARP, а старый пакет в буфере теряется. Когда аппаратный адрес следующего hop’a пакета становится известным, пакет передается в очередь. ARPTable класс описан в ~ns/arp.{cc,h} и ~ns/tcl/lib/ns–mobilenode.tcl.

Interface Queue (IFq). Класс PriQueue реализуется как приоритетная очередь, которая дает приоритет маршрутизации, пакетам протокола, вставляя их в голове очереди. Он поддерживает работу фильтра по всем пакетам в очереди и удаляет пакеты с определенным адресом назначения. См. ~ns/priqueue.{cc,h}.

Network Interface – аппаратный интерфейс, который используется mobilenod’ом для доступа к каналу. Этот интерфейс в соответствии с коллизиями и моделью распространения радиоволн принимает пакеты, которые передаются другим узлом. См. ~ns/phy.{cc.h} и ~ns/wireless–phy.{cc,h}.

Radio Propagation Model – использует затухание 1/r2 на близких расстояниях и 1/r4 на большом расстоянии. См. ~ns/tworayground.{cc,h}.

Для моделирования была выбрана примитивная топология которая позволяет отобразить возможные сценарии передачи данных от базовой станции к пользователю и наоборот. Топология сети представлена на рисунке 2.

Рисунок — 3 (GIF, цикл повторения 1, 10 кадров, 320х205, 150 Кб) Моделирование сети LTE.

Рисунок — 3 (GIF, цикл повторения 1, 10 кадров, 320х205, 150 Кб) Моделирование сети LTE.

Выводы

Созданная модель позволит выполнить детальный анализ физических характеристик:

• определение минимально необходимого, но обеспечивающего потребности передачи, обработки и хранения информации оборудования;

• оценка необходимого запаса производительности оборудования, обеспечивающего возможное увеличение производственных потребностей;

• выбор нескольких вариантов оборудования с учетом текущих потребностей, перспективы развития на основании критерия стоимости оборудования;

• проведение проверки сети, составленной из рекомендованного оборудования.

При написании данного афтореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Статья. Использование радиочастотного спектра сетями LTE. Тихвинский В.О. Электронный ресурс. Электросвязь.– 2010.– №5. Режим доступа: http://elsv.ru/files...
  2. Статья. LTE.Специфика сетей . Электронный ресурс. Режим доступа: http://Rohde–schwarz.ru/tech...
  3. Статья: LTE – беспроводная связь четвертого поколения. Электронный ресурс.Режим доступа: http://ko.com.ua/lte_besprovodn...
  4. Статья: LTE – как работает и правда, что всё готово? Электронный ресурс. Режим доступа:http: http://habrahabr.ru/company...
  5. Статья. LTE. Мобильная связь.ресурс. Электронный ресурс. Режим доступа: http://biometricsguide.ru/novosti_hi_tech...
  6. Статья. LTE. Мобильные системы связи 4–го поколения. Электронный ресурс. Режим доступа: http://lib.tuit.uz/books...