Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2021 р. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора після зазначеної дати.

Содержание

Вступ

На сьогоднішній день, у зв'язку з постійним розвитком суспільства, необхідність в спілкуванні, передачі та зберігання інформації безперервно зростає. Клієнтський попит і технологічні новинки – це основоположні рушійні сили розвитку телекомунікацій. У свою чергу, розвиток телекомунікаційних технологій тісно пов'язан з технічними характеристиками каналів зв'язку – від аналогових до високошвидкісних цифрових волоконно-оптичних ліній зв'язку – і комп'ютеризацією суспільства. Таким чином, можна виділити наступні етапи в розвитку телекомунікацій [1,2]:

У сучасному суспільстві простежується тенденція заміни дротяних елементів обладнання новішими бездротовими. Це набагато зручніше не тільки через мобільності апаратів, а й з точки зору зручності в використанні.

Бездротові технології – це підклас інформаційних технологій, службовець для перенесення інформації від одного пристрою до іншого, які знаходяться на певній відстані, без участі провідного підключення. Для передачі інформації може використовуватися інфрачервоне випромінювання, радіохвилі, оптичне або лазерне випромінювання.

Залежно від природи середовища передачi розрізняють чотири типи бездротової передачі даних [3]:

  1. Радіоканали стільникового зв'язку. Передача даних здійснюється бездротовим шляхом від передавача до приймача. передавач формує радіоімпульс певної частоти і амплітуди, коливання випромінюється в простір. Приймач фільтрує і обробляє сигнал, після цього відбувається вилучення потрібної інформації. радіохвилі частково поглинаються атмосферою, тому такий зв'язок може спотворюватися при підвищеної вологості або дощі. Мобільний зв'язок працює саме на основі радіохвильових стандартів, канали бездротової передачі даних відрізняються швидкістю передачі інформації і діапазоном робочих частот;
  2. Супутникові канали. Цей спосіб передачі інформації полягає в використанні супутника, на якому встановлена антена зі спеціальним обладнанням. Сигнал надходить від абонента на найближчу наземну станцію, потім здійснюється переадресація сигналу на супутник. Звідти інформація відправляється на приймач, іншу наземну станцію. Супутниковий зв'язок використовується для забезпечення телебачення і радіомовлення. Супутниковим телефоном можна скористатися в будь-який віддаленій від станцій стільникового зв'язку точці;
  3. Інфрачервоні канали. Зв'язок встановлюється між приймачем і передавачем, які знаходяться на близькій відстані один від одного. такий канал для бездротової передачі даних працює за допомогою світлодіодного випромінювання. Зв'язок може бути двосторонньою або широкомовної;
  4. Лазерні канали. Принцип дії такий же, як в попередньому варіанті, тільки замість світлодіодів використовується лазерний промінь. об'єкти повинні перебувати в безпосередній близькості один від одного.

В даний час найбільш перспективним поряд з іншими глобальними мережами є стандарт LTE (Long-Term Evolution). Широкосмуговий мобільний доступ дає найвищу швидкість бездротової пакетної передачі даних. Відносно смуги робочих частот все неоднозначно. Стандарт LTE дуже гнучкий, мережі можуть базуватися в частотному діапазоні від 1,4 до 20 МГц.

Дальність дії мереж залежить від висоти розташування базової станції і може досягати 100 км. Можливість підключення до мереж надається великій кількості гаджетів: смартфонам, планшетів, ноутбуків, ігрових консолей і інших пристроїв, які підтримують даний стандарт. В апаратах повинен бути вбудований модуль LTE, який працює спільно з наявними стандартами GSM і 3G. У разі обриву зв'язку LTE девайс переключиться на наявний доступ до мереж 3G або GSM без обриву підключення. Технології централізованого управління мережевими підключеннями, висока якість мобільного зв'язку та доступу в мобільний Інтернет, широке територіальне покриття поступово стають звичними параметрами інфокомунікаційних послуг. абоненти перестають ставитися толерантно до необхідності очікування: вони вимагають миттєвого доступу, який і зручний, і ефективний.

Зазначені вище є передумовою для розвитку постачальників послуг зв'язку. На даний момент активно ведуться роботи по впровадженню та запуску стандарту 5G – п'ятого покоління мобільного зв'язку, що діє на основі стандартів телекомунікацій, наступних за існуючими стандартами 4G / IMT-Advanced. Даний стандарт має безліч переваг, таких як висока середня швидкість до 1 Гб / с, кількість підключень – мільйони на квадратний кілометр, скорочення затримки до 1 мс, енергоефективність в 100 разів вище, мобільність до 500 км / ч. Однак, нарівні з цим, існує і ряд недоліків: зростання цін на послуги зв'язку і смартфони, проблеми в сфері безпеки і конфіденційності, збільшення кількості стільникових антен, несприятливі наслідки для здоров'я [4].

У зв'язку з цим доцільним є удосконалення стандарту LTE, а саме забезпечується їм якості обслуговування (швидкість передачі інформації, смуга пропускання сигналів, ймовірність помилок і т. п.). одним з методів для досягнення даної мети є імітаційне моделювання – метод дослідження, при якому вивчається система замінюється моделлю, з достатньою точністю, яка описує реальну систему (побудована модель описує процеси так, як вони проходили б у дійсності), з якої проводяться експерименти з метою отримання інформації про цю систему [5,6]. Таку модель можна програти в часі, як для одного випробування, так і заданого їх безлічі. При цьому результати визначатимуться випадковим характером процесів. За цими даними можна отримати достатньо стійку статистику.

З усього вищеописаного можна зробити висновок, що для поліпшення якості обслуговування LTE-мереж найбільш ефективним рішенням є аналіз і дослідження імітаційних моделей радіоканалів.

1. Актуальність теми

Безперечно, на сучасному етапі розвитку науки і техніки радіотехнічні системи значною мірою впливають на життя суспільства. Радіотехнічна система можна розглядати як систему, що складається з технічних засобів, що виконують обробку радіосигналів. Призначення такої системи в витягання і передачі інформації. Радіотехнічних систем надають такі можливості:

В незалежності від цілей застосування радіотехнічної системи, головним вимогою до неї є якісне і надійне виконання своїх функцій.

При проектуванні радіотехнічних систем перед розробниками постають важлива задача забезпечення і підтримання високої якості роботи даних систем. Для досягнення задовільного результату потрібні оптимальні для даної ситуації структура і параметри системи, а також прийнятні способи реалізації та алгоритми роботи її складових. Прийняття даного рішення може бути засноване на ряді експериментальних досліджень різних варіацій реалізації радіотехнічних систем. Однак при подальшій збірці і реалізації різних варіантів системи виникає значний перешкода у вигляді пропорційного збільшення тривалості і вартості робіт по проектування.

На основі згаданого вище можна зробити висновок, що найбільш ефективним шляхом пошуку оптимальних рішень при розробці радіотехнічних систем є проведення досліджень методом моделювання. Одним з переваг даний методу є можливість швидко і безперешкодно впливати на структуру і параметри системи, завдяки чому відпадає необхідність значних фінансових затрат при дослідженнях роботи радіотехнічних систем з урахуванням різні варіанти їх реалізації. Для вирішення другий не менш вагомою проблеми тривалості проведення робіт по проектування досить впровадити в дослідження високопродуктивні обчислювальні машини. Таким чином, моделювання є не тільки ефективним шляхом дослідження та проектування радіотехнічних систем, що забезпечує високу надійність і якість роботи, а й дозволяє скорочувати терміни і вартість проектування і введення в експлуатацію.

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою дослідження є підвищення точності моделювання LTE-мереж за рахунок розробки імітаційної моделі LTE-радіоканалу.

Для цього необхідно вирішити такі завдання:

Об'єкт дослідження: широкосмуговий LTE-радіоканал.

Предмет дослідження: імітаційне моделювання.

Результати, отримані в ході виконання даної магістерської роботи, можуть бути використані при створенні моделей LTE-мереж, при роботі з якими можна отримати більш точні результати моделювання.

3. Аналіз проблем, що виникають при моделюванні мереж стільникового зв'язку

3.1 Класифікація каналів зв'язку

Каналом зв'язку – це система технічних засобів, що забезпечують незалежну передачу сигналів з певними властивостями між абонентами по загальній лінії зв'язку. Канали зв'язку можна класифікувати в такий спосіб.

За призначенням канали бувають:

В залежності від середовища поширення сигналу:

В залежності від характеристик сигналів, що діють на вході і виході каналу:

За способом поділу:

В залежності від ширини смуги:

На рис. 1 представлена узагальнена структурна схема системи зв'язку.

Узагальнена структурна схема системи зв'язку

Рис. 1 – Узагальнена структурна схема системи передачі інформації (анімація: 6 кадрів, 6 циклів повторень, 32 Кб)

Повідомлення джерела інформації a кодується в символ X і після модуляції перетворюється в сигнал U, що надходить в ЛС. В результаті під впливом на U перешкод Z на приймальній стороні сигнал відрізняється від початкового U. Приймальна частина містить демодулятор, що перетворює z в символ Y і декодер, що перетворює символ Y в повідомлення b, яке надходить до одержувача інформації.

Точний математичний опис будь-якого реального каналу зв'язку зазвичай доволі складна. Замість цього зазвичай використовують спрощені математичні моделі, які дозволяють виявити найважливіші закономірності реального каналу.

3.2 Процес моделювання

Моделювання являє собою такий метод дослідження, при якому досліджуваний об'єкт замінюється моделлю, що відтворює найбільш можливе близьке до оригіналу поведінку в межах деяких припущень і прийнятних похибок. В загальному випадку моделювання складається з розробки моделі реального об'єкта і подальшого вивчення його властивостей за рахунок вивчення самої моделі. Також слід уточнити, що доцільно проводити моделювання тільки в тих випадках, коли воно простіше і дешевше створення самого оригіналу або, коли останній з яких-небудь причин краще взагалі не створювати.

Моделлю в загальному випадку є фізичний або абстрактний об'єкт, властивості якого в певному сенсі копіюють властивості оригінального об'єкта. При цьому на постановку вимог до моделі впливають вирішити завдання і наявні кошти.

Наявність схожості розробленої моделі з реальним об'єктом передбачає відповідність даної моделі ряду основних вимог. Модель повинна бути:

Залежно від способу реалізації розрізняють таку класифікацію: фізичні, математичні та напівнатурні моделі.

Фізичні моделі – це реальні фізичні об'єкти, які дублюють характеристики і властивості оригіналу шляхом збереження або застосування аналогічної фізичної природи [8].

В якості таких моделей найбільш часто виступають макети, які базуються на основні принципи та алгоритми роботи системи. Фізичні моделі широко застосовуються при дослідженнях середовища поширення радіосигналів, яка є невід'ємною складової радіотехнічних систем.

Математичною моделлю – це узагальнений опис об'єкта на базі функціональних або логічних операторних співвідношень, алгоритмів, алгебраїчних, інтегродиференціальних або інших рівнянь, які можуть бути як в незамкненою (Невирішеною), так і в замкнутій (дозволеної) формах.

Так як робота радіотехнічних систем заснована на застосуванні радіосигналів, які досить повно описуються функціональними залежностями однієї (зазвичай часу) або декількох змінних, математичне моделювання набуло широкого поширення при моделюванні даних систем, причому як окремих їх складових, так і систем в цілому. Отже, РТС легко піддаються математичному опису. У свою чергу, математичні моделі діляться на аналітичні і імітаційні [9].

Аналітичними є моделі, в яких уявлення досліджуваного об'єкта базується на системі математичних рівнянь різного виду. дослідження з використанням аналітичного моделювання здійснюється шляхом застосування методів символьних або числових розв'язків математичних рівнянь людиною або з використанням ЕОМ. Виконання моделювання даним методом дозволяє виявити загальні теоретичні залежності поведінки оригінального об'єкта.

Імітаційної моделлю називається логіко-математичний опис, яке повторює внутрішню структуру системи, функції її окремих елементів і найбільш істотні взаємозв'язки між ними.

При цьому методі моделювання створена модель відтворює алгоритм функціонування системи в часі: імітуються елементарні явища з урахуванням їх логічної структури і послідовності дій. За імітаційних моделей можливо домогтися високого відповідності при описі функціонування реального об'єкта.

Одним з достоїнств імітаційного моделювання виступає можливість завдання швидкості протікання процесу: сповільнювати у випадку з швидкоплинучими процесами і прискорювати для моделювання систем з повільною мінливістю. Дана особливість значно впливає при моделюванні радіотехнічних систем, оскільки радіосигнали є мінливими в часі процеси і при їх дослідженнях в природних умовах виникає чимало труднощів.

Напівнатурні модель – модель, при створенні якої використовуються елементи реальної апаратури досліджуваного об'єкта. Включення реальної апаратури в процес моделювання складних процесів дозволяє домогтися зниження трудомісткості моделювання, а також підвищити відсоток адекватності отриманих результатів.

Кінцевою метою моделювання є отримання принципово нової інформація про досліджуваному об'єкті, здатної розширити і поглибити його опис. Процес моделювання можна вважати завершеним в разі, якщо отримана інформація достатня для прийняття певного рішення. Моделювання може протікати наступним чином [10]:

  1. постановка завдання;
  2. визначення системи;
  3. ішення про необхідність моделювання;
  4. формулювання моделі;
  5. трансляція моделі;
  6. перевірка моделі;
  7. планування дослідження;
  8. експериментування;
  9. інтерпретація результатів;
  10. реалізація і документування.

Постановка завдання полягає в визначення ряду питань, які потребують відповіді, а також позначенні нових відомостей про систему, яких необхідно досягти в ході дослідження.

Визначення системи – формально розстановка розмежувань між досліджуваної системою і навколишнім середовищем, іншими словами визначення, що є елементом системи, а що ні. Відділення системи від зовнішнього світу, в свою чергу, призводить до позначенню обмежень і припущень, на які спиратиметься проектована модель. Також з урахуванням визначених кордонів визначаються показники ефективності, необхідних при подальшій чисельної оцінки якості системи, її відповідності визначеним завданням.

На основі перших двох етапів відбувається прийняття рішення про необхідність продовження моделювання. У деяких випадків чітка постановка і аналіз проблемної ситуації здатні дати поняття слабких місць досліджуваного об'єкта. В такому випадку подальше моделювання є недоцільним. В іншому випадку робота по створення моделі триває.

Формулювання моделі – перехід від реального об'єкта до деякої логічної схемою. У зв'язку з необхідністю забезпечення подібності моделі з оригіналом, побудова моделі, як правило, починається з аналізу досліджуваної системи – виділення окремих складових частин. У процесі такого аналізу позначається структура досліджуваного об'єкта, визначається зв'язок компонентів системи між собою і зовнішнім середовищем.

Трансляція моделі – процес опис моделі за допомогою мови, зрозумілого обчислювальній машині, за допомогою якої буде реалізовуватися модель.

Перевірка моделі – це перевірка правильності переходу моделі на мову обчислювальної машини і перевірці відповідності розробленої моделі досліджуваного об'єкту (оцінка адекватності).

Планування дослідження – розробка передбачуваного ходу експерименту, результатом якого має стати необхідна інформація, визначення способу проведення кожної серії випробувань.

Експериментування є сам процес проведення експериментів з моделлю, метою яких є отримання бажаних даних про досліджуваний об'єкт.

У вигляді інтерпретації результатів виступають висновки про функціонування об'єкта, побудовані на основі даних, отриманих раніше в результаті моделювання. якщо результати моделювання корисні, то їх можна використовувати для прийняття рішення, в Інакше необхідно провести ревізію всіх попередніх етапів моделювання. В випадку, якщо результати моделювання корисні, але отримана інформація є недостатньою для прийняття рішення, необхідно продовжити моделювання.

Реалізація та документування є використання моделі і результатів моделювання на практиці, а також створення документації всього процесу створення і використання моделі.

Процес моделювання схематично представлений на рис. 2.

Процес моделювання

Рисунок 2 – Схема процеса моделювання

3.3 Проблематика моделювання мереж стільникового зв'язку

Організація системи стільникового зв'язку є трудомістким процесом, що включає в себе ряд етапів, з яких одним з найбільш складних і відповідальних є проектування. Даний етап є таким по через необхідність забезпечення найбільш близького до оптимального побудови мережі за критерієм ефективність-вартість. В процесі проектування виконуються такі види роботи, як визначення місць для розміщення базових станцій і подальшого розподілу наявних частотних каналів між осередками за таким принципом, щоб яку обслуговує територія мала доступ до стільникового зв'язку з необхідною якістю при мінімальній кількості базових станцій. Додаткове ускладнення вносить трудність аналітичної оцінки характеристики розташування сигналів і розрахунку напруженості поля, а також необхідність врахування нерівномірності трафіку в межах території, що обслуговується.

Протягом всього процесу організації мобільна мережа постійно піддається коригуванню – в уже розроблену схему мережі вносяться правки на основі обов'язкових експериментів по вимірюванню характеристик електромагнітного поля, після чого на етапі експлуатації мережі, враховуючи вироблену на даному етапі остаточну оцінку проекту, мережа знову піддається доробці. Надалі, у міру експлуатації і розвитку мережу також нерідко піддається різним доопрацюванням, спрямованих на підвищення якості роботи мережі.

На якість послуг, що надаються користувачеві, безпосередньо впливають характеристики підсистеми базової станції. До базової станції ставляться наступні вимоги:

Без забезпечення перерахованих вимог надання послуг високої якості не є можливим.

Під якістю обслуговування слід розуміти сукупний вплив наданих послуг на користувачів, на основі якого визначається ступінь задоволення ними абонентів. У дане визначення варто включати як технічні сторону, відповідальну за якість роботи мережі, так і аспекти, пов'язані безпосередньо з додатковими послугами, вартістю обслуговування, ціною і якістю роботи мобільних терміналів і т.д.

Число абонентів мобільної мережі, обсяг трафіку і його розподіл по обслуговується мережею територією – дані фактори не є статичними і постійно змінюються протягом усього життєвого циклу мережі. З цієї причини конфігурація мережі базової станції повинна адаптуватися до змін, що відбуваються, внаслідок чого її планування є безперервний процес, в якому можна виділити кілька етапів:

Крім вищеописаних труднощів, значною проблемою для передачі сигналу є перешкоди штучного і природного походження.

Під перешкодою в загальному випадку варто розуміти випадкове вплив на сигнал в каналі зв'язку, яке ускладнює або повністю перешкоджає правильному прийому. Варто підкреслити, що найбільші труднощі викликають впливу саме випадкового характеру, так як теоретично боротьба з регулярними перешкодами технічно нескладне труднощів.

Серед перешкод природного походження найбільш часто виникають шуми приймача і атмосферні шуми, які утворюють електричні розряди під час гроз. Крім того, цей вплив може вносити такі явища як статичну електрику, космічні та сонячні шуми. У загальному випадку, такі перешкоди класифікують як адитивний шум.

Не менш важливим є той факт, що радіолінії в мобільному зв'язку часто проходять по нерівних місцевостям. У таких випадках необхідно враховувати реальний профіль траси, який може зазнавати сильні зміни протягом всього свого протяжності: від гладкої до сильно пересіченій місцевості. Також слід врахувати наявність будівель, дерев і інших перешкод в умовах міста.

Для створення працездатної мережі стільникового зв'язку, що забезпечує і підтримуючої високу якості роботи, на етапі проектування необхідно враховувати всі вище перераховані фактори.

Висновки

Дано визначення каналу зв'язку. Наведено класифікацію каналів зв'язку за призначенням (Тональної частоти (ТЧ) або телефонний канал, звукового мовлення, телевізійного мовлення, телеграфний, передачі даних, факсимільний, передачі газет), в залежності від середовища поширення сигналу (Провідні, радіо, хвильове, оптичні), в залежності від характеристик сигналів, що діють на вході і виході каналу (Безперервні, дискретні, дискретно-безперервні), за способом поділу (з частотним поділом, тимчасовим поділом), в залежності від ширини смуги (вузькосмугові, широкосмугові, надширокосмугові). Представлена узагальнена структурна схема системи передачі інформації.

Дано визначення понять моделювання і модель. Поставлені вимоги до моделі і перераховані етапи моделювання. Перераховано проблеми, що виникають при моделюванні мереж стільникового зв'язку. Позначена головна проблема для будь-якого каналу при передачі сигналу, якої є перешкоди. Наведені приклади штучних і природних перешкод.

Список джерел

    1. Тенденции и стратегии развития телекоммуникаций [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.huawei.com/ru/industry-insights/outlook/perspectives/HW_147027 – Загл. с экрана.
    2. История развития телекоммуникационных систем и компьютерных сетей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studfiles.net/ – Загл. с экрана.
    3. Романчева, Н.И. Базовые Интернет-технологии [учебное пособие] / Н.И. Романчева. – М.: МГТУГА, 2008. – 96 с
    4. Tafazolli, R. Technologies for the Wireless Future.Vol.2. Wireless World Research Forum, 2006.
    5. Имитационные модели [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studme.org/190916/ekonomika/imitatsionnye_modeli – Загл. с экрана.
    6. Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis CDMA: Access and Switching: For Terrestrial and Satellite Networks (Hardcover) Diakoumis Gerakoulis, Evaggelos Geraniotis, 2001.
    7. Васильев, К. К. Математическое моделирование систем: учебное пособие / К. К. Васильев, М. Н. Служивый. – Ульяновск: УлГТУ, 2008. – 170 с.
    8. Галкин, А. П. Моделирование каналов систем связи / А. П. Галкин, А. Н. Лапин, А. Г. Самойлов. – М.: Связь, 1979. – 100 с.
    9. Борисов, Ю. П. Математическое моделирование радиотехнических систем и устройств / Ю. П. Борисов, В. В. Цветнов. – М.: Радио и связь, 1985. – 176 с.
    10. Jeruchim, Michel C. Simulation of Communication Systems Modeling, Methodology and Techniques / Michel C. Jeruchim, Philip Balaban, K. Sam Shanmugan. – 2-nd ed. – N. Y.: Kluwer Academic Publishers, 2002. – 937 p.