Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Потреби мобільних користувачів ростуть так стрімко, що існуючих мереж, покоління 3G, яке успішно закріпилося в лідерах надання послуг зв'язку, за ними не угнатися, в той час, як сучасні технології широкосмугового доступу здатні їх задовольнити.

Технологія LTE – технологія широкосмугового доступу, що підтримує гнучку несучу смугу частот, від 1,4 МГц до 20 МГц, працює, використовуючи як частотний – FDD (Frequency Division Duplex) так і часовий – TDD (Time Division Duplex) дуплекси. Метою є створення мобільної мережі з надійним радіопрокритіем, якісно новими послугами, низькими затримками і високою пропускною здатністю на базі існуючих мереж стандарту GSM.

1. Переваги використання технології LТЕ

Технологія LTE є логічним продовженням і вдосконаленням мереж 3G. Технологія здатна забезпечувати стрибкоподібне підвищення передачі даних в сучасних мобільних мережах.

Для прикладу:

– GSM являє собою мережі другого покоління зв'язку (2G). Забезпечити GSM роутери зможуть передачу інформації зі швидкістю 5,6–13 Кбіт/сек. Призначений такий стандарт для обміну голосовим трафіком. GPRS являє собою покоління 2,5 G(56–114 Кбіт/сек), EDGE – покоління (до 473,6 Кбіт/сек). Можливості мереж 3G дозволяють забезпечувати передачу інформації зі швидкістю до 3,6 Мбіт/сек.

– При впровадженні LTE швидкість передачі може бути забезпечена до 326,4 Мбіт/с або вище від базової станції для користувача, у зворотному напрямку вже до 172,8 Мбіт/с.

З урахуванням можливостей, які забезпечує сучасне LTE обладнання, інтерес до них з боку операторів виглядає цілком логічним. Адже розгортання LTE – мереж сьогодні виявляється більш вигідно і доцільним. Проект набагато вигідніше, наприклад, ніж подальше розгортання мереж третього покоління, оскільки LTE краще використовує частотний центр(має меншу затримку сигналу і підвищену ємність).

Завдяки впровадженню в своїй практиці інноваційної технології LTE, оператори отримують можливість істотного зниження операційних і капітальних витрат, скорочення сукупної вартості володіння мережею, розширення спектру послуг, що надаються, які відносяться до передачі даних за допомогою високошвидкісних каналів. Важливо таке поліпшення і для самих абонентів – адже завдяки значному підвищенню швидкості передачі інформації вдається значно поліпшувати загальну якість запропонованих послуг. Можливості використання технології LTE:

– Для ноутбуків і нетбуків можливість високошвидкісного доступу в Інтернет.

– Для мобільних телефонів – можливості мобільного телебачення і відеоспілкування.

– Для комунікаторів і смартфонів – користувачі можуть брати участь в інтерактивних іграх, оперативно завантажуючи супутникові карти місцевості, переглядати інтерактивний відеоконтент.

2. Технічні деталі реалізації

2.1. Діапазон частот

На відміну від інших стандартів мобільного зв'язку LTE не прив'язаний до якогось конкретного діапазону частот. На даний момент розробниками 3GPP виділено близько 40 діапазонів, для яких виробники випускають стандартне радіоустаткування LTE. Сюди потрапили як частоти, використовувані зараз під інші стандарти(наприклад, 900, 1800 (GSM), 2100 (UMTS), 2500 (WiMAX), так і "нові", наприклад 700–800 МГц. Далеко не всі з можливих діапазонів знайдуть широке поширення, тим більше, що велика кількість діапазонів дуже важко реалізувати в одному абонентському пристрої, а це вже проблема для забезпечення глобального роумінгу. Зона покриття однієї БС в LTE залежить від використовуваного діапазону частот, і чим він нижче, тим на більшу відстань можна передати сигнал.

Розгортання мереж в низькочастотної області спектра привабливіше з точки зору витрат і оптимально підходить для покриття районів з низькою щільністю населення (передмістя і сільські райони). В умовах міської забудови радіус стільника може бути від кількох сотень метрів до кількох кілометрів. У густонаселених районах використання високих частот для LTE потребують додаткових заходів для поліпшення покриття всередині приміщень. Таким чином, найбільш привабливими є:

– 800 Мгц – виділена під LTE, – вигідний у плані витрат на забезпечення суцільного покриття; устаткування випускається провідними виробниками;

– 2,5 Ггц – виділена під LTE, вигідний при забезпеченні ємності в хот спотах; устаткування випускається всіма провідними виробниками.

– 1800 Мгц – звільнятиметься в міру зменшення кількості GSM–only телефонів і розширення покриття 3G, хороший з точки зору забезпечення в мережі балансу між ємністю і покриттям [1].

Вибір правильного діапазону для розвитку LTE – завдання досить складна. У нижніх діапазонах, де все відмінно з покриттям, проблема знайти смугу достатньої ширини для LTE. В верхніх діапазонах зазвичай добре з частотним ресурсом, але БС потрібно ставити через кожні 400–500 метрів, що економічно не вигідно.

2.2. Архітектура мережі

Архітектура мережі LTE розроблена таким чином, щоб забезпечити підтримку пакетного трафіку з так званої "гладкою" ("безшовної", seamless) мобільністю, мінімальними затримками доставки пакетів і високими показниками якості обслуговування. Мобільність як функція мережі забезпечується двома її видами: дискретною мобільністю (роумінгом) і безперервної мобільністю (хендовера). Оскільки мережі LTE повинні підтримувати процедури роумінгу та хендовера з усіма існуючими мережами, для LTE абонентів (терміналів) повинно забезпечуватися повсюдне покриття послуг бездротового широкосмугового доступу. Пакетна передача дозволяє забезпечити всі послуги, включаючи передачу користувальницького голосового трафіку. На відміну від більшості мереж попередніх поколінь, в яких спостерігається досить висока різнотипність і ієрархічність мережевих вузлів (так звана розподілена мережева відповідальність), архітектуру мереж LTE можна назвати "плоскою", оскільки практично всі мережеве взаємодія відбувається між двома вузлами: базової станцією (БС), яка в технічних специфікаціях називається B – вузлом (Node–B, eNB) і блоком управління мобільністю БУМ, реалізаційно, як правило, включають мережевий шлюз (GW, Gateway), тобто мають місце комбіновані блоки MME/GW.

БУМ працює тільки зі службовою інформацією – так званої мережевої сигналізацією, так що IP – пакети, що містять інформацію користувача, через нього не проходять. Перевага наявності такого окремого блоку сигналізації в тому, що пропускну здатність мережі можна незалежно нарощувати як для користувача трафіку, так і для службової інформації. Головною функцією БУМ є управління терміналами (ПТ), що знаходяться в режимі очікування, включаючи перенаправлення і виконання викликів, авторизацію і аутентифікацію, роумінг і хендовер, встановлення службових та користувача каналів та ін Серед всіх мережевих шлюзів окремо виділені два: обслуговуючий шлюз ЗШ (S–GW, Serving Gateway) і шлюз пакетної мережі (P–GW, Packet Data Network Gateway), або, коротше, пакетний шлюз (ПШ). ОШ функціонує як блок управління локальною мобільністю, приймаючи і пересилаючи пакети даних, що відносяться до БС і які обслуговує їм Пт ПШ є інтерфейсом між набором БС і різними зовнішніми мережами, а також виконує деякі функції IP–мереж, такі, як розподіл адрес, забезпечення користувальницьких політик, маршрутизація, фільтрація пакетів та ін [2].

Як і в більшості мереж третього покоління, в основу принципів побудови мережі LTE покладено поділ двох аспектів: фізичної реалізації окремих мережевих блоків і формування функціональних зв'язків між ними. При цьому завдання фізичної реалізації вирішуються, виходячи з концепції області (domain), а функціональні зв'язки розглядаються в рамках шару (stratum). Первинним поділом на фізичному рівні є поділ архітектури мережі на область користувацького обладнання (UED, User Equipment Domain) і область мережевої інфраструктури (ID, Infrastructure Domain). Користувача устаткування – це сукупність ПТ з різними рівнями функціональних можливостей, що використовуються мережевими абонентами для доступу до LTE-послуг. При цьому в якості користувацького терміналу може фігурувати як реальний абонент, який користується, наприклад, послугами голосового трафіку, так і знеособлене пристрій, призначений для передачі/прийому певних мережевих або користувальницьких додатків [3].

Для LTE було виділено кілька десятків різних частотних діапазонів, а також розроблено дві різних системи дуплексу, тобто, одночасної передачі даних в прямому і зворотному каналах.

Більш поширені (90 % від загального числа) мережі FDD (Frequency Division Duplex) – це частотне розділення, при якому для прямого і зворотного каналу використовуються різні смуги частот: тобто, передача відбувається на одній частоті, а прийом – на іншій. Перевага такої технології полягає в симетричності каналу зв'язку: швидкість передачі даних як від абонента, так і до абонента може бути однаково високою. Однак це ж є і недоліком: більшість абонентів в основному завантажують дані з мережі, а не в мережу, тому більша швидкість в зворотному каналі їм не потрібна. При цьому для будівництва мережі FDD потрібно знайти парні частоти, і значна частина дефіцитного частотного ресурсу буде використовуватися неефективно, тобто, простоювати.

Мережі TDD (Time Division Duplex) використовують тимчасовий поділ і прийом і передача ведуться на одних і тих же частотах, але поперемінно: сеанс передачі ділиться на таймслоти, і одні з них використовуються для передачі, а інші для прийому. Тривалість таймслота вимірюється мілісекундами, тому з точки зору абонента передача даних виглядає одночасної. Головна перевага TDD полягає в тому, що оператор може керувати співвідношенням таймслотов, виділених на прийом і передачу і таким чином повністю використовувати частотний ресурс. При цьому для порівнянних швидкостей передачі даних потрібно вдвічі менша смуга частот, і не потрібно шукати парні частоти.

Для того, щоб розгорнути мережу з числом ресурсних блоків LTE 25 (5 МГц) оператору при FDD необхідно 5 МГц для Uplink, і 5 МГц для Downlink (разом 10 МГц), в той час як при TDD необхідно тільки 5 МГц. Це дозволяє оператору економити частотний ресурс (відповідно і гроші на отримання дозволу).

Продуктивність FDD трохи краще, але далеко не завжди можливо мати два парних каналу. Тому для випадку непарних частот LTE TDD є найбільш придатною технологією радіодоступу. На сьогоднішній день більшість LTE операторів запустили мережі в стандарті FDD, але інтерес до TDD неухильно зростає. З 213 комерційно запущених у світі LTE мереж 21 – це LTE TDD, а в 10 мережах застосовано спільно використання FDD і TDD.

В даний час можна відзначити зростання інтересу до технології LTE TDD в світі – виробники вже готові надати готові рішення, а найбільші оператори або тестують, або вже розгортають комерційні мережі. Технологія має низку істотних відмінностей у порівнянні з LTE FDD, пов'язаних з використанням спектра і може бути використана як самостійно, так і як компліментарний технологія з LTE FDD. Виробники відзначають потенціал ринку, на який орієнтована технологія – він досить високий, а зростаючі потреби абонентів у високошвидкісній передачі даних вимагають використання нових частотних ресурсів. Загальний же частотний ресурс, стандартизований під LTE TDD, значний і становить 849 МГц проти 2х427 МГц для LTE FDD.

Рішення на базі LTE TDD можна використовувати кількома способами. По–перше, безпосередньо як технологію мобільного широкосмугового доступу для забезпечення послуг передачі даних. По–друге, для організації транспортної мережі (Mobile Backhaul) [4].

3. Протоколы LTE

За своєю структурою мережу радіодоступу RAN–Radio Access Network – виглядає аналогічно мережі UTRAN UMTS, або eUTRAN, але має одне доповнення: приймально–передавальні антени базових станцій взаємопов'язані по певному протоколу X2, який об'єднує їх в стільникову мережу – Mesh Network – і дає можливість базовим станціям обмінюватися даними між собою напряму, не задіюючи для цього контролер RNC–Radio Network Controller. До того ж взаємозв'язок базових станцій з системою управління мобільними пристроями MME – Mobility Management Entity – і сервісними шлюзами S–GW – Serving Gateway – здійснюється шляхом "багатьох з багатьма", що дозволяє отримати велику швидкість зв'язку з невеликими затримками.

Подход к унификации синтеза автоматов Мура

Рисунок 1 – Топологія мережі LTE.

Стандарти LTE і WiMAX досить близькі між собою. Вони обидва використовують технологію кодування OFDM і систему передачі даних MIMO. І в тому, і в іншому стандарті застосовуються FDD і TDD при пропускній спроможності каналу до 20 МГц. І обидві з систем зв'язку використовують в ролі свого протоколу IP. Відповідно, обидві технології в реальності однаково добре застосовують свій частотний діапазон і забезпечують порівнянну швидкість передачі даних інтернет доступу. Але, звичайно, є у них і деякі відмінності. Однією з таких відмінностей є набагато більш проста інфраструктура мережі WiMAX, а, отже, і більш надійна технічно. Дана простота стандарту забезпечується його призначенням виключно для передачі даних. З іншого боку, "складності" LTE потрібні для забезпечення її сумісності зі стандартами попередніх поколінь – GSM і 3G. І дана сумісність нам з вами, безумовно, потрібна. Диспетчеризація радіочастотних ресурсів, в WiMAX проводиться за технологією Frequency Diversity Scheduling, згідно з якою поднесущие, що надаються абоненту, розподіляються по всьому спектру каналу. Це необхідно для рандомізації і усереднення впливу частотно – селективних завмирань на широкосмуговий канал.

У мережах LTE застосована інша технологія усунення частотно-селективних завмирань. Вона називається частотно – селективної диспетчеризацією ресурсів – Frequency Selective Scheduling. При цьому для кожної абонентської станції і кожного частотного блоку несучої створюються індикатори якості каналу CQI – Channel Quality Indicator [5].

Ще одним дуже важливим моментом, пов'язаним з плануванням мереж зв'язку масового використання – коефіцієнт перевикористання частот. Його роль – показувати ефективність використання доступної смуги радіочастот для кожної базової станції окремо. Базова структура перевикористання частотного діапазону WiMAX складається з 3–х частотних каналів. При використанні трисекторна конфігурації сайтів (базових станцій певного частотного діапазону), в кожному з секторів реалізовано один із 3–х частотних каналів. При цьому коефіцієнт перевикористання частот дорівнює 3-м. Іншими словами, в кожній з точок простору є лише третина радіочастотного діапазону. Робота стільникової мережі LTE(4G) проводиться з коефіцієнтом перевикористання частот рівному 1. Тобто, виходить, що всі базові станції LTE працюють на одній несучої. Внутрішньосистемні перешкоди в подібній системі зводяться до мінімуму завдяки частотно-селективної диспетчеризації, гнучкому частотному плану та координації перешкод між окремими сотами. Абонентам в центрі кожної стільники можуть даватися ресурси з усієї смуги вільного каналу, а користувачам на краях сот надаються частоти тільки з певних піддіапазонів. Перераховані вище особливості мереж LTE і WiMAX роблять великий вплив на одну з їхніх головних характеристик – ступінь радіопокриття. Відштовхуючись від даного параметра, визначається необхідна кількість базових станцій для якісного покриття конкретної території. Відповідно, він безпосередньо впливає і на кінцеву вартість будівництва мереж LTE [6].

Згідно з розрахунками, мережа LTE здатна забезпечити найкращу зону покриття при однаковому числі базових станцій, що є безсумнівним плюсом для всіх операторів стільникового зв'язку.

4. Перспективи роботи

У рамках даної роботи була створена модель мережі формату LTE, в середовищі моделювання NS2. Вибір на користь NS2 був зроблений через те що даний симулятор є безкоштовним і підходить для виконання моделювання бездротової мережі на системному рівні, так що створена модель підійде для імітації реальної мережі LTE/SAE, або будь–якій іншій мережі. Крім того, NS–2 є один з найпопулярніших в академічних колах через його відкритий код і безлічі інших переваг.

Бездротові моделі по суті складаються з MobileNode, з підтримкою додаткових функцій, які дозволяють моделювати multi–hop однорангові мережі, бездротові локальні мережі і т.д. Структурна схема MobileNode представлена на рисунку 2.

Подход к унификации синтеза автоматов Мура

Рисунок 2 – Структурна схема MobileNode

Далі розглянемо окремі компоненти:

Link Layer (канальний рівень) містить модуль ARP, який вирішує перетворення IP в MAC адреси. Всі вихідні пакети передаються в LL від агента маршрутизації (RTagent). Далі LL передає пакети в чергу інтерфейсу (ifq). Для вхідних пакетів MAC рівень передає їх в LL, який далі передається в node_entry_ point. Клас LL описаний в ~ ns/ll. { Cc, h } і ~ ns/tcl/lan/ns – ll.tcl.

Address Resolution Protocol модуль отримує запити від канального рівня (LL). Якщо ARP має апаратний адресу призначення, він записує його в заголовок MAC пакета. В іншому випадку він передає ARP запит, і тимчасово кешируєт пакет. Для кожного невідомого апаратного (MAC) адреси одержувача є буфер на 1 пакет. Якщо приходять нові пакети, то вони посилаються в ARP, а старий пакет в буфері втрачається. Коли апаратний адресу наступного hop'a пакета стає відомим, пакет передається в чергу. ARPTable клас описаний в ~ ns/arp. { Cc, h } і ~ ns/tcl/lib/ns – mobilenode.tcl.

Interface Queue (IFq). Клас PriQueue реалізується як пріоритетна чергу, яка дає пріоритет маршрутизації, пакетам протоколу, вставляючи їх у голові черги. Він підтримує роботу фільтра по всіх пакетам в черзі і видаляє пакети з певною адресою призначення. Див ~ ns/priqueue. { Cc, h }.

Network Interface – апаратний інтерфейс, який використовується mobilenod'ом для доступу до каналу. Цей інтерфейс відповідно до колізіями і моделлю поширення радіохвиль приймає пакети, які передаються іншим вузлом. Див ~ ns/phy. { Cc.h } і ~ ns/wireless – phy. { Cc, h }.

Radio Propagation Model – використовує загасання 1/r2 на близьких відстанях і 1/r4 на великій відстані. Див ~ ns/tworayground. { Cc, h }.

Для моделювання була обрана примітивна топологія яка дозволяє відобразити можливі сценарії передачі даних від базової станції до користувача і навпаки. Топологія мережі представлена на рисунку 3.

3 (GIF, цикл повторення 1, 10 кадрів, 320х205, 150 Кб) Моделювання мережі LTE.

Рисунок — 3 (GIF, цикл повторення 1, 10 кадрів, 320х205, 150 Кб) Моделювання мережі LTE.

Висновки

Створена модель дозволить виконати детальний аналіз фізичних характеристик:

• визначення мінімально необхідного, але забезпечує потреби передачі, обробки та зберігання інформації обладнання;

• оцінка необхідного запасу продуктивності обладнання, що забезпечує можливе збільшення виробничих потреб;

• вибір декількох варіантів обладнання з урахуванням поточних потреб, перспективи розвитку на підставі критерію вартості обладнання;

• проведення перевірки мережі, складеної з рекомендованого обладнання.

При написанні даного афтореферата магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

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