Исследование методов и алгоритмов построения сетей телекоммуникации четвертого поколения

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВЯЗИ, ИНФОРМАТИЗАЦИИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание академической степени магистра

Исследование методов и алгоритмов построения сетей телекоммуникации четвертого поколения

5А330201-Компьютерные системы и их программное обеспечение (по отраслям)

Бурханов Равшан Абдужабборович

Научный руководитель:

к.ф-м. н. Кабулов Р.В.

АННОТАЦИЯ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

сеть телекоммуникация беспроводной муравьиный алгоритм

В данной магистерской работе рассматривается тема «Разработка алгоритма и программного обеспечения для установления системных связей на основе интервального анализа». При решении многих прикладных задач приходится сталкиваться с неопределенностью в исходных данных. Учет таких неопределенностей в практических задачах и ее внедрение виде автоматизации какого-либо процесса является актуальной проблемой сегодняшних дней.

Объект исследования - системы и процессы установления системных связей. Предмет исследования - условия неполноты и недостоверности исходных данных в показателях процессов и систем установления системных связей.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. В ходе выполнения диссертации разработаны интервальные аналоги решения задач линейного программирования симплекс методом, алгоритмы реализации машинной интервальной арифметики для компьютера, разработаны алгоритм и программное обеспечение для установления системных связей на основе интервального анализа.

МАГИСТРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АННОТАЦИЯСИ

Мазкур диссертация ишида “интервал тахлил асосида ало?а тизимларини ўрнатиш учун алгоритм ва дастурий таъминот ишлаб чи?иш” мавзусига ба?ишланган. Кўп амалий масалаларни ечиш жараенида биз бошлан?ич маълумотларни ноани?лилиги билан келганига дуч келамиз. Шундай ноани?лиликларни амалий масаларда амалда ишлатиш ва тадби? ?илиш хозирги кунга келиб долзарб хисобланади.

Тад?и?от объекти - ало?а тизимларни ўрнатиш тизим ва жараенлари. Тад?и?от предмети эса ало?а тизимларни ўрнатиш жараенларининг бошлан?ич маълумотларнинг ноани?лилиги.

Мазкур диссертация кириш, уч бобдан, хулоса ва адабиётлар рўйхатидан иборат. Диссертацияни бажариш давомида чизи?ли дастурлаш симплекс усули масалаларни ечиш интервал ўхшаш усул яратилган, компьютерлар учун машина интервал арифметикасини бажариш алгоритмлари, интервал та?лил асосида ало?а тизимларини ўрнатиш компьютер тизимларини ?имоялаш учун алгоритм ва дастурий таъминот ишлаб чи?илган.

MASTER'S DISSERTATION ANNOTATION

This master's thesis deals with the topic "Development of algorithms and software system for establishing relations based on interval analysis." When dealing with many applications have to deal with the uncertainty in the source data. Accounting for these uncertainties in practical problems and its implementation as the automation of a process is an urgent problem today.

The object of study - systems and processes of establishing systemic linkages. The subject of the study - the conditions of incompleteness and unreliability of the source data in terms of processes and systems to establish systemic connections.

The thesis consists of an introduction, three chapters, conclusion, bibliography. During the interval of the thesis developed counterparts for solving linear programming simplex method, the algorithms of the machine interval arithmetic for the computer algorithm and software system for establishing relations based on interval analysis.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития информационных технологий в нашей республике является развитие современных сетей связи. В этой связи были приняты несколько государственных законов и указов, постановление Президента Республики[1-8]. К ним относятся:

- Указ Президента Республики Узбекистан «О дальнейшем развитии компьютеризации и внедрении информационно - коммуникационных технологий» (30 мая 2002 г.);

- Закон Республики Узбекистан «Об информатизации» (11 декабря 2003 г.);

- Постановление Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационно-коммуникационных технологий» (21 марта 2012 г.) и другие.

Бурное развертывание мобильных сетей четвертого поколения во всем мире дает новый стимул образованию через интернет, а также переходу медицинских услуг и консультаций в виртуальное пространство. Самые ощутимые преимущества, мобильные сети четвертого поколения дарят сфере бизнеса. Конференцсвязь в онлайн режиме выходит на новый уровень качества, открывая обширные горизонты для развития бизнеса.

Функционирование мобильных сетей сотовой связи третьего поколения к настоящему стало вполне осязаемой реальностью. Стандарты третьего поколения -- американский IMT2000-MC, являющийся развитием стандарта CDMA2000, европейский IMT2000-MC, более известный как UMTS, который разработан в целях наиболее органичного развития сетей GSM, позволили обеспечить представление пользовательских услуг (потоковое вещание, передача мультимедийной информации, высокоскоростной интернет и др.), недоступных в традиционных сетях второго поколения.

Дальнейшим развитием мировых телекоммуникационных технологий в области мобильной связи являются разработка и внедрение стандартов четвёртого поколения (4G), обеспечивающих ещё большие скорости передачи данных (и, как следствие, повышение качества предлагаемых пользовательских услуг) при общем снижении издержек в эксплуатации телекоммуникационного оборудования. Одной из технологий, призванных для решения насущных задач современных телекоммуникаций, является технология Long Term Evolution, или, сокращённо, LTE-технология. Соответственно этому, сети мобильной связи, реализованные на основе такой технологии, называют LTE-сети.

Прежде всего, необходимо отметить некоторую условность понятия "сети LTE", под которой -- вопреки требованиям однозначной критериальности в технической терминологии -- понимают и систему, и сеть, и, наконец, сетевую технологию четвёртого поколения. Как уже было сказано, сети LTE являются дальнейшим развитием сетей UMTS третьего поколения.

В связи с этим задача ускоренного развития подобных сетей в нашей Республике является чрезвычайно актуальной. Необходимо отметить, что для решения этой задачи необходимо, прежде всего, разработать методы оптимального проектирования по заранее выбранным критериям.

Научная работа по теме диссертации разработана на основе проекта кафедры «Разработка программного комплекса для автоматизации анализа и проектирования технических конструкций с использованием трехмерного моделирования».

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является мобильные сети четвертого поколения. Предмет исследования модели и алгоритмы проектирования сетей.

Цель и задачи магистерской работы. Цель работы является исследование существующих методов и алгоритмов построения мобильных сетей четвертого поколения и разработка программного обеспечения, для проектирования сети исходя из выбора оптимальных алгоритмов.

Задачами исследования являются:

- изучение мобильных сетей четвертого поколения;

- исследование моделей мобильных сетей четвертого поколения;

- исследование и анализ алгоритмов и методов проектирования;

- разработка программного обеспечения для проектирования мобильных сетей четвертого поколения;

Степень изученности проблемы. Исследованию мобильных сетей четвертого поколения посвящены работы Гельгора А.Л., Попова Е.А., Биккенина Р. Р., Макарова С. Б., Волкова А. Н.и др. В нашей Республике исследованием этих проблем занимаются такие ученые как академики Бекмуратов Т.Ф., Камилов М.М., а также профессор Мусаев М.М., профессор Нишанов А.Х, профессор Мухамедиева Д.Т. и их ученики. Исследованию муравьиных алгоритмов оптимизации посвящены работы Дориго М.,Колорни А. и др.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались методы эмпирического и математического моделирования сетей, алгоритмы многокритериальной оптимизации, метод построения динамических моделей.

Практическая ценность работы состоит в том, что результатами и выводами диссертации могут быть использованы в проблемы определения оптимальной топологии сети. Разработан программный комплекс, позволяющий решить следующие задачи:

Расчёт потерь при распространении радиоволн по различным моделям.

Анализ моделей в различных средах распространения сигнала.

Определения оптимальной топологии мобильной сети.

Размещение базовых станций беспроводных широкополосных сетей.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в анализе методов планирования мобильных сетей четвертого поколения и разработке алгоритмов проектирование сетей на основе методики определения оптимальной топологии мобильной сети. Кроме этого в разработан алгоритм размещения базовых станций беспроводных широкополосных сетей с помощью муравьиного алгоритма оптимизации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

* научно-методической конференции ТУИТ и его филиалов (ТУИТ, март, Ташкент, 2012 г.) на тему «Проблемы повышения качества подготовки кадров для отраслей связи и информатизации»;

* международной научной конференции на тему «INNOVATION-2012» ТГТУ (октябрь, 2012 г.);

* международной научной конференции на тему «Актуальные проблемы прикладной математики и информационных технологий - АЛЬ-ХОРЕЗМИЙ 2012» Национальный Университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека (декабрь, 2012);

* Республиканской научно-технической конференции молодых учёных, исследователей, магистрантов и студентов на тему «Информационные технологии и проблемы телекоммуникации» ТУИТ, (март, 2013г.);

* в журнале «ТАТУ хабарлари (3-4/2012)» ТУИТ (апрель, 2013г.).

Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Структура и объем работы. Магистерская диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения.

В первой главе рассмотрены организация мобильных сетей четвертого поколения, архитектура сети LTE, стеки протоколов, услуги в сетях LTE

Во второй главе рассматриваются модели расчёта потерь сигнала при распространении радиоволн, методика определения оптимальной топологии сети LTE для городского микрорайона, размещение базовых станций беспроводных широкополосных сетей с помощью муравьиного алгоритма оптимизации.

В третьем главе приведены структура и описание программного комплекса, описание основных модулей, а также инструкция по использованию.

В заключении сформулированы основные выводы, вытекающие из всей магистерской диссертационной работе.

ГЛАВА 1. ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ

1.1 Архитектура сети LTE

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[3].

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 станцией (БС), которая в технических спецификациях называется В-узлом (Node-B, eNB) и блоком управления мобильностью БУМ (ММЕ, Mobility Management Entity), реализационно, как правило, включающим и сетевой шлюз Ш (GW, Gateway), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW.

Отметим, что контроллер радиосети, игравший весьма значительную роль в сетях предыдущих поколений, устранён от управления потоком данных (фактически он даже отсутствует в структурных схемах), а его традиционные функции -- управление радиоресурсами сжатие заголовков, шифрование, надёжная доставка пакетов и др. переданы непосредственно БС.

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.

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). Последняя, в свою очередь, разделяется на (подсеть радиодоступа (E-UTRAN, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и базовую (пакетную) (под)сеть (ЕРС, Evolved Packet Core).

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 ("живой") абонент, пользующийся, к примеру, услугами голосового трафика, так и обезличенное устройство, предназначенное для передачи/приёма определённых сетевых или пользовательских приложений.[2]

На рис. 1.1 показана обобщённая структура сети LTE, из которой видно наличие двух слоев функциональных связей: слоя радиодоступа (AS, Access Stratum) и внешность слоя радиодоступа (NAS, Non-Access Stratum). Показанные на рис. 1.1 овалы со стрелками обозначают точки доступа к услугам.

Рис. 1.1. Обобщённая структура сети LTE

Стык между областью UE пользовательского оборудования и областью сети радиодоступа UTRAN называется Uu-интерфейсом; стык между областью сети радиодоступа и областью базовой сети ЕРС -- S1-интерфейсом. Состав и функционирование различных протоколов, относящихся к интерфейсам Uu и S1, разделены на две так называемых плоскости: пользовательскую плоскость (UP, User Plane) и плоскость управления (CP, Control Plane)[2].

Вне слоя доступа действуют механизмы управления мобильностью в базовой сети (EMM, ЕРС Mobility Management).

В пользовательской плоскости реализованы протоколы, обеспечивающие передачу пользовательских данных по радиоканалу. К плоскости управления относятся те протоколы, которые в различных аспектах обеспечивают соединение между ПТ и сетью. Также к этой плоскости относятся протоколы, предназначенные для транспарентной (прозрачной) передачи сообщений, относящихся к предоставлению различных услуг.[3]

Область сети радиодоступа логически разделена на два уровня: уровень радиосети (RNL, Radio Network Layer) и уровень транспортной сети (TNL, Transport Network Layer). Взаимодействие входящих в область сети радиодоступа БС осуществляется на основе Х2-интерфейса (рис. 1.2). Кроме того, имеет место транзитное соединение между базовыми станциями и базовой сетью через блок управления мобильностью (S1-ММ-интерфейс) или обслуживающий узел (S1-U-интерфейс) -- на рис. 1.2 не показаны. Таким образом, можно утверждать, что S1-интерфейс поддерживает множественные отношения между набором БС и блоками БУМ/ОУ.

На БС в сетях LTE возложено выполнение следующих функций[3]:

Управление радиоресурсами: распределение радиоканалов, динамическое распределение ресурсов в восходящих и нисходящих направлениях -- так называемое диспетчеризация ресурсов (scheduling) и др.

Сжатие заголовков IP-пакетов, шифрование потока пользовательских данных.

Выбор блока управления мобильностью при включении в сеть пользовательского терминала при отсутствии у того информации о прошлом подключении.

Маршрутизация в пользовательской плоскости пакетов данных по направлению к обслуживающему шлюзу.

Диспетчеризация и передача вызывной и вещательной информации, полученной от БУМ.

Диспетчеризация и передача сообщений PWS (Public Warning System, система тревожного оповещения), полученных от БУМ.

Измерение и составление соответствующих отчётов для управления мобильностью и диспетчеризации.

Блок управления мобильностью обеспечивает выполнение следующих функций:

Передача защищенной информации о точках доступа к услугам и защищенное управление точками доступа.

Передача информации в базовую сеть для управления мобильностью между различными сетями радиодоступа.

Управление БС, находящимися в состоянии ожидания, включая перенаправление вызовов.

Управление списком зон отслеживания ПТ.

Выбор обслуживающего шлюза и шлюза пакетной сети для сетей радиодоступа различных стандартов.

Выбор нового блока управления мобильностью при выполнении хэндовера.

Роуминг.

Аутентификация.

Управление радиоканалом, включая установку выделенного канала.

Поддержка передачи сообщений PWS.

Обслуживающий узел отвечает за выполнение следующих функций:

Выбор точки привязки ("якоря") локального местоположения (Local Mobility Anchor) при хэндовере.

Буферизация пакетов данных в нисходящем направлении, предназначенных для ПТ, находящихся в режиме ожидания, и инициализация процедуры запроса услуги.

Санкционированный перехват пользовательской информации.

Маршрутизация и перенаправление пакетов данных.

Маркировка пакетов транспортного уровня.

Формирование учётных записей пользователей и идентификатора класса качества обслуживания для тарификации.

Тарификация абонентов.

Наконец, шлюз пакетной сети обеспечивает выполнение следующих функций:

Фильтрация пользовательских пакетов.

Санкционированный перехват пользовательской информации.

Распределение IP-адресов для ПТ.

Маркировка пакетов транспортного уровня в нисходящем направлении.

Тарификация услуг, их селекция.

1.2 Cтеки протоколов, каналы и услуги, реализованные на различных уровнях

На рис. 1.2 показан относящийся к различным плоскостям стек протоколов,

разделённый на следующие уровни (подуровни):

физический (PHY) уровень;

(под)уровень управления доступом к среде MAC (Medium Access Control);

(под)уровень управления радиоканалом RLC (Radio Link Control);

(под)уровень протокола конвергенции (слияния) пакетных данных PDCP (Packet Data Convergence Protocol).

(под)уровень управления радио ресурсами RRC (Radio Resource Control);

подуровень протокола, функционирующего вне слоя доступа (NAS-протокол).

Рис. 1.2. Стек протоколов в плоскости управления

На подуровнях MAC и RLC в пользовательской плоскости выполняются такие же функции, что и в плоскости управления. Функции подуровня RRC ограничены только плоскостью управления: это вещание системной информации, вызов, управление радиоканалом, управление соединением на данном подуровне, обеспечение управление мобильностью, управление и составление отчётов об измерении параметров ПТ.

Также в плоскость управления отнесён протокол обмена информацией вне слоя доступа (протокол NAS) и локализованный между БУМ и ПТ; он предназначен для решения задач, не связанных с вопросами радиодоступа: управление сквозным каналом передачи данных, аутентификация и защита пользовательских данных и др.

На нижнем, физическом уровне, называемом также Уровнем 1 (LI,Layer 1) реализованы услуги по передачи данных на более высокие уровни. Выполнение таких услуг связано с обеспечением следующих функций:

Обнаружение ошибок в транспортном канале и индикация об этом на более высокие уровни.

Помехоустойчивое кодирование и декодирование данных в транспортном канале.

Гибридные запросы на повторную пересылку пакетов данных .

Энергетическое выравнивание физических каналов с помощью весовых множителей.

Модуляция / демодуляция физических каналов.

Частотная и временная синхронизация.

Измерение радиочастотных характеристик и индикация об этом на более высокие уровни.

Разнесённая передача и параллельная антенная обработка (методы MIMO, Multiple Input Multiple Output).

Формирование диаграммы направленности.

Радиочастотная обработка сигналов.

Точки доступа к услугам между физическим уровнем и МАС- подуровнем обеспечиваются транспортными каналами, а между МАС-подуровнем и RLC-подуровнем--логическими каналами.

Структура канального уровня, называемого также уровнем 2 (L2, Layer 2) в нисходящем и восходящем направлениях. Различие структур в том, что в нисходящем направлении на МАС-подуровне происходит управление приоритетом нескольких ПТ, в то время как в восходящем направлении такое управление относится только к одному ПТ. На МАС-подуровне обеспечивается выполнение следующих основных функций:

Мультиплексирование пакетов услуг (SDU, Service Data Unit), относящихся к одному или нескольким логическим каналам, в транспортные блоки транспортных каналов и выполнение обратных функций.

Диспетчеризация составления отчётов.

Исправление ошибок через запросы на повторную передачу.

Управление приоритетом между логическими каналами.

Идентификация услуг мультимедийного вещания (MBMS, Multimedia Broadcast Multicast Service).

Выбор транспортного формата.

Выравнивание содержимого пакетов данных.

Передача данных на RLC-подуровне может происходить в двух режимах: с подтверждением (AM, Acknowledge Mode) либо без подтверждения (UM, Unacknowledged Mode). Режим без подтверждения, при его возможном использовании в радиоканале, допускает некоторую потерю пакетов данных. В режиме с подтверждением используется механизм автоматических запросов на повторную передачу потерянных пакетов.

На RLC-подуровень возложены следующие функции:

Передача пакетов данных на более высокий уровень.

Исправление ошибок через запросы на повторную передачу (только в режиме с подтверждением).

Конкатенация (сцепление), сегментация и повторная сборка пакетов услуг.

Повторная сегментация пакетов данных (только в режиме с подтверждением).

Изменение порядка следования пакетов данных.

Функционирование протокола обнаружения ошибок (только в режиме с подтверждением).

Отбрасывание искаженных пакетов услуг.

Повторная установка соединения на уровне RLC.

Перечислим функции РDC Р-подуровня.

Сжатие/восстановление заголовков по протоколу ROHC (Robust Header Compression).

1.3 Услуги в сетях LTE

Развитие новых сетевых технологий, обеспечивающих предоставление всё большего числа разнообразных услуг, заставляют мировое телекоммуникационное сообщество взглянуть на вопросы качества услуг связи и систему их управления как на один из важнейших факторов эффективного развития конкурирующего рынка предоставления услуг связи.

Понятие качества услуг связи (QoS, Quality of Service) было официально утверждено Международным союзом электросвязи в рекомендации Е.800 (применительно ещё к телефонным сетям общего пользования и цифровым сетям интегрального обслуживания), и оно понимается как суммарный эффект от параметров обслуживания, определяющий степень удовлетворения пользователя услугами связи.

Система управления качеством -- это совокупность параметров и механизмов, которые обеспечивают соответствие качества услуг установленным требованиям. Целью введения такой системы является максимизация удовлетворения пользователя предоставленной услугой для повышения спроса на неё.

Начало развития системы управления качеством в сетях мобильной связи, по-видимому, следует датировать 1997 г., когда был выпущен соответствующий релиз Rel'97/98, предназначенный для модифицированной сети GSM/GPRS с возможностью пакетной передачи данных. В основе обеспечения качества услуги лежит понятие РDP-контекста (PDP, Packet Data Protocol), представляющего собой набор параметров, описывающих текущее состояние пользователя или терминала по отношению к возможным услугам и способам их предоставления. При соединении ПТ с базовой пакетной сетью, с целью установления логической связи между ПТ и различными сетевыми узлами для передачи IP-пакетов в прямом и обратном направлениях, происходит так называемая активизация PDP-контекста.

Например, согласно спецификации GSM 07.07 строка определения PDP-контекста, предназначенного для связи между отдалённым терминалом и пакетной сетью GPRS, имеет следующий вид:

Здесь cid -- идентификатор контекста, целое положительное число. PDP_type -- тип протокола; в настоящее время реализован только вариант IP, т.е. Internet Protocol). APN (Access Point Name) -- имя точки доступа к услуге, определяемое сетевым оператором. PDP_addr-- строковый идентификатор терминала в пространстве, например, статический IP-адрес, который должен использоваться терминалом при подключении к Интернету или другой сети. d_comp-- сжатие данных: 0 -- выключено (по умолчанию, если значение не было указано), 1 -- включено. h_comp -- сжатие заголовка: 0 -- выключено (по умолчанию, если значение не было указано), 1 -- включено. pdl...pdN -- от нуля до N строковых параметров, специфичных для типа протокола <PDP_type> (в настоящее время эти параметры не используются).

Первоначально, согласно Rer97.98, одному терминалу разрешалось иметь один PDP-контекст на один PDP-адрес. В дальнейшем, в ходе разработки концепции мобильных сетей 3-го поколения, была развита новая концепция PDP-контекста для поддержки новых требований, а именно, возможность использования для одного PDP-адреса нескольких PDP-контекстов, имеющих свои профили качества обслуживания. При этом первый PDP-контекст, открываемый для соответствующего PDP адреса, называется первичным контекстом, а последующие PDP-контексты, открытые для того же самого PDP адреса -- вторичными контекстами. Однако использование вторичных PDP контекстов требует, чтобы они были связаны с точкой доступа к сети APN первичного PDP контекста.

Основная идея построения такой структуры управления -- дифференцирование качества обслуживания в соответствии с параметра ми PDP-контекста. Таким образом, все приложения абонента, совмещающие использование одного PDP-контекста, имеют одинаковый профиль качества обслуживания. Несколько потоков с одинаковыми характеристиками образуют совокупный профиль качества обслуживания. Для дифференцированной обработки передаваемых пакетов в соответствии с требованиями QoS, для одного ПТ одновременно должны быть активизированы и первичные, и вторичные контексты. Пример вариантов создания PDP-контекстов показан на рис 1.3.

Рис. 1.3. Варианты организации различных PDP-контекстов

Развитие рынка пользовательских услуг связано, прежде всего, с увеличением услуг, предоставляемых в пакетном режиме. Более того, как уже говорилось, в мобильных сетях 3-го и 4-го поколений передача услуг, в том числе, речевого общения, на основе канальной коммутации фактически отсутствует: реализация пакетной передачи речи базируется на технологиях VoIP (Voice over IP)или PoC (Push-to-talk over Cellular).

Наряду с пакетной передачей речи основными услугами являются следующие:

передача интернет файлов (web-browsing);

доставка электронной почты;

мультимедийные сообщения (MMS, Multimedia Messaging Service), в том числе, мультимедийное вещание:

потоковое видео (streaming);

интерактивные игры в реальном времени.

1.4 Постановка задачи

Определяющим при проектировании мобильных сетей является планирование радиосети, которое представляет собой итеративный процесс.

Процесс планирования осуществляется постепенно, шаг за шагом, и выливается в предложения по построению мобильной сети и анализу ее работы.

При планировании мобильных сетей необходимо решить следующие задачи:

Получение исходных данных.

Калибровка математической модели распространения радиоволн.

Построение первого приближения радиосети.

Привязка участков развертывания базовых станций, определенных планом построения сети, к местности и итеративная оптимизация.

При этом возникает необходимость широкого использования средств, программного обеспечения, поддерживающего функции синтеза сети и анализа эксплуатационных характеристик.

Исходные данные для планирования содержат общие характеристики сети связи (число и частоты разрешенных радиоканалов; план сети с указанием желательных пунктов размещения БС, электропитанию, возможности размещения оборудования и установки антенн и др.).

Задачами исследования являются:

- изучение мобильных сетей четвертого поколения;

- исследование моделей мобильных сетей четвертого поколения;

- исследование и анализ алгоритмов и методов проектирования;

- разработка программного обеспечения для проектирования мобильных сетей четвертого поколения;

Выводы по первой главе

Основные результаты данной главы данной главы заключается в следующем:

Изучена архитектура сети LTE. Архитектура сети LTE позволяет обеспечить поддержку пакетного трафика с так называемой "гладкой" (seamless) мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания.

Изучены основные стеки протоколов. Исследована структура стека протоколов, а также функции каждого уровня протокола.

Проанализированы основные услуги сети LTE и система управления качеством. Целью введения системы управления качеством является максимизация удовлетворения пользователя предоставленной услугой для повышения спроса на неё.

Уточнены основные цели и задачи диссертационной работы.

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

2.1 Модели расчёта потерь сигнала при распространении радиоволн

Распространение радиоволн в реальных условиях трудно заранее предсказать, и, таким образом, эмпирические модели приняты без реальной аналитической основы. Большинство используемых моделей, точны в пределах от 12 до 14 децибел в городских и пригородных районах. Они, как правило, менее точны в сельской местности, потому что большинство информаций, используемых, возможно, были собраны в городских и пригородных районах. На практике на распространение радиоволн влияют различные факторы такие как: различные виды ландшафта и окружающей среды, скорость ветра, сезон (время года), плотность деревьев и др. Модели используются для прогнозирования потерь при передаче. Существуют различные модели: модель Ли, Хата, Walfisch-Ikegami и др.

Модель Хаты

Хата М. предложил эмпирические формулы для расчета потерь передачи Lp в городской и пригородной зонах в диапазоне частот 150…1500 МГц для высот подвеса антенн базовой станции h1 =30…200м, высот антенн подвижной станции h2 = 1…10 м и расстояний r = 1…20 км. Ограничения по расстоянию и высотам подвеса несколько сдерживает её использование при проектировании сотовых систем связи.

Расчетные выражения имеют следующий вид:

для «среднего и малого города»

для «большого города» при

для пригорода

для сельской местности

для открытой местности

Модель Ли

Ли (англ. W.C.Y. Lee) предложил очень простую модель распространения сигнала, основанную на серии проведенных в США измерений на несущей частоте f0= 900 МГц.

Согласно модели Ли, среднее значение мощности, измеренной на расстоянии d от передающей станции, описывается выражением

(2.7)

или в логарифмическом представлении

(2.8)

где Р0 - эталонная медианная мощность, измеренная на расстоянии d0 = 1 км; F0 - поправочный коэффициент, вычисляемый на основе серии компонентных множителей.

(2.9)

Коэффициенты Fi рассчитываются следующим образом:

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

где

hBS, eff- эффективная высота антенны базовой станции, м;

v - показатель степени: при высоте антенны подвижной станции менее 3м принимается v = 1, а при высоте более 10 м - v = 2;

PT - мощность сигнала, излучаемого передатчиком базовой станции, Вт; GT, GR- коэффициенты усиления антенн соответственно базовой и подвижной станции относительно полуволнового вибратора.

Параметры Р0 и г получены экспериментально на основе проведенных замеров в различных типах окружающей среды.

Медианные потери мощности в зависимости от частоты определяются коэффициентом (f/f0)-n и его показателем степениn.

Для частот от 30МГц до 2ГГц и расстояний между подвижной и базовой станциями от 2 до 30км значениеn лежит в диапазоне от 2 до 3.

Величина n также зависит от топографических особенностей местности. Для пригородных и сельских районов рекомендуется выбирать n = 2 при частотах ниже 450 МГц и n = 3 при частотах выше 450 МГц.

На пересеченной местности эффективная высота антенны может сильно отличаться от ее физической высоты.

Модель COST231-Уолфиш-Икегами

Модель COST#231-Уолфиш-Икегами (англ. Walfish-Ikegami), сокращенно WIM, может применяться в случаях, когда антенна базовой станции расположена как выше, так и ниже линии уровня крыш городской застройки. В совокупность эмпирических факторов, учтенных расчетной формулой входят высоты антенн базовой и подвижной станций, ширина улиц, расстояния между зданиями, высота зданий и ориентация улиц относительно направления распространения сигнала.

В общих чертах формула, описывающая потери сигнала, состоит из трех членов: потерь LS на распространение в свободном пространстве; потерь Lrts на дифракцию и рассеяние волн на крышах зданий; потерь Lms, вызванных многократной дифракцией от рядов зданий.

Геометрия прохождения радиосигнала и параметры WIM

Рис. 2.1. Геометрия прохождения радиосигнала

здесь h1 , h2 - высота подъема антенны БС и МС соответственно, м;

dkm - расстояние по горизонтали между базовой и мобильной станциями, км;

hr - средняя высота зданий, м;

b - среднее разнесение зданий, м;

w - средняя ширина улиц, м;

- угол на базовую станцию относительно продольного направления улиц,

град (от 0 до 90).

Суммарные потери рассчитываются по формуле

(2.15)

Данная модель широко используется Международным союзом электросвязи (ITU) в качестве стандартной модели для универсальной системы подвижной связи третьего поколения IMT-2000.

Ее можно применять в следующих диапазонах параметров:

800 <fc< 2000МГц;

4 <hBS< 50м;

1 <hMS< 3м;

0,02 <d< 5км.

Часто параметры застройки выбираются в следующих пределах:

высота зданий hr = 3·(количество этажей) + 3м (если крыша имеет скатную конструкцию);

разнесение зданий b = 20 50м

ширина улицы w = 0,5 · b.

угол на базовую станцию относительно продольного направления улиц = 90

При нерегулярной застройке в качестве b, w, и hr используют их средние значения, полученные для трассы распространения.

Определение параметров WIM для нерегулярной застройки

Рис 2.2

Модель Уолфиша-Икегами позволяет рассчитать медианные потери мощности сигнала при распространении для двух противоположных случаев - при отсутствии и при наличии прямой видимости между БС и МС.

При отсутствии прямой видимости NLOS основное выражение для медианных потерь имеет вид:

(2.16)

где L0 - потери распространения в свободном пространстве,

Lrts - потери при распространении сигнала над крышами зданий за счет дифракции (roof-top-to-street diffraction loss),

Lmsd - потери при множественном отражении сигнала от стен зданий (multiscreen diffraction loss).

Входящие в (2.16) компоненты определяются приведенными ниже математическими выражениями.

А) Потери распространения в свободном пространстве

(2.17)

Б) Потери при распространении сигнала над крышами зданий за счет дифракции:

(2.18)

где Lori - потери из-за взаимной ориентации пути распространения сигнала и улиц,

(2.19)

(Замечание: При ц = 28,25° значение Lori =0.)

В) Потери при множественном отражении сигнала от стен зданий:

(2.20)

где Lbsh - компонента, учитывающая уменьшение потерь, если антенна БС расположена выше крыш зданий,

(2.21)

ka - коэффициент, учитывающий влияние расстояния (радиуса соты) dkm на потери Lmsd,

(2.22)

kd- коэффициент, учитывающий влияние подъема антенны БС выше или ниже крыш зданий на потери Lmsd ,

(2.23)

kf- коэффициент, учитывающий влияние на потери Lmsd значения частоты сигнала и характера застройки,

(2.24)

В рамках модели Уолфиша-Икегами распространение по линии прямой видимости (The Walfisch-Ikegami Line-of-Sight (WIM-LOS)) предполагается при условии расположения антенны БС не выше крыш зданий и распространения вдоль уличного каньона или других открытых площадей.

При этом используется следующее выражение

(2.25)

Из (2.17) и (2.25) можно видеть, что

(2.26)

Или, с учетом приближения,

(2.27)

где

dm - расстояние между БС и МС в метрах.

Как следует из (2.26 - 2.27), при dm = 20м, модель Уолфиша-Икегами эквивалентна модели распространения в свободном пространстве (2.17).

При росте dm эта модель дает около 6dB на декаду по дистанции большее затухание, чем модель для свободного пространства.

Считается, что модель Уолфиша-Икегами имеет наибольшие погрешности для случая расположения антенн БС ниже уровня крыш зданий при заметной нерегулярности застройки.

Модель рассчитана на плоское основание города, из-за чего она не применима для городов с сильной неравномерностью рельефа.

2.2Методика определения оптимальной топологии сети для городского микрорайона

При проектировании мобильных систем связи необходимо решать задачу оптимизации положения базовых станций в зоне обслуживания. Оптимальным считается такое положение, при котором заданный уровень качества сигнала обеспечивается в любой точке зоны обслуживания при минимальном числе базовых станций. Наиболее просто данная задача решается для случая, когда земная поверхность может быть аппроксимирована плоскостью. В условиях урбанистической застройки задача определения сигнала в точке приема существенно усложняется, поскольку приходится учитывать дополнительные сигналы, переотраженные от объектов застройки [25].

В данной методике рассмотрена задача поиска оптимального положения базовых станций системы подвижной связи в городском микрорайоне. Положение базовых станций определяется исходя из условия обеспечения заданного уровня сигнала в каждой точке зоны обслуживания. При этом учитываются отражения от земной поверхности и от объектов урбанистической застройки.

Первым шагом в алгоритме является анализ существующих моделей распространения радиоволн и выбор наиболее оптимальной (подходящей) модели для заданной территории[25].

По результатам анализа была выбрана модель Уолфиша-Икегами [26],которая хорошо подходит для густонаселенной урбанистической местности и учитывает направления прихода радиоволн. Область применения данной модели обуславливается следующими параметрами:

полоса частот от 800 МГц до 2000 МГц;

высота антенны базовой станции от 4 м до 50 м;

высота антенны мобильной станции от 1 м до 3 м;

высота близлежащих к базовой станции зданий ?80 м;

расстояние между домами от 20 м до 50 м;

ширина улицы от 10 до 25 м;

ориентация улицы относительно направления прихода сигнала от 00 до 900.

Таким образом, основываясь на параметрах области использования модели Уолфиша-Икегами, можно утверждать, что модель пригодна для использования при расчете оптимальной топологии сети GSM для городского микрорайона в городах - областных центрах Украины.

Согласно модели Уолфиша[25], медианное значение затухания определяется по эмпирической формуле, как сумма потерь распространения волн в свободном пространстве, потерь за счет отражений от зданий и потерь за счет дифракции:

,(2.28)

где:

(2.29)- потери распространения волн в свободном пространстве;

(2.30)-

потери за счет отражений от зданий;

(2.31)-потери,

обусловленные ориентацией улиц относительно направления прихода сигнала, где - ориентация улицы относительно направления прихода волны;

(2.32)- потери за счет дифракции;

,(2.33)

, (2.34)

, (2.35)

(2.36)

h1 - высота передающей антенны БС, м;

h2 - высота МС над уровнем земли, м;

hr - высота близлежащих к передающей антенне зданий, м;

b - расстояние между домами, м;

dkm - расстояние между базовой (БС) и мобильной станцией (МС), км;

fMHz - частота сигнала, МГц;

w - ширина улицы, м.

Модель Уолфиша-Икегами учитывает возможность прихода волны в точку приема несколькими маршрутами с последующим сложением. Однако, данная модель требует большего количества информации, по сравнению с другими существующими моделями, такими как модели Окумура и Хата [27].

При расчете покрытия сети для городского микрорайона необходимо учитывать ограничения, которые влияют на радиус покрытия. Для линии “downlink” главным ограничением является мощность передатчика базовой станции, иногда значительно уменьшаемая за счет потерь в антенно-фидерном устройстве (АФУ). На линии “uplink” ограничением для увеличения радиуса соты является недостаточная чувствительность приемника. Следовательно, искомое решение должно учитывать сбалансированность мощности на линии “uplink” и “downlink”.

Вторым шагом в алгоритме будет вычисления баланса мощностей.

Для вычисления баланса мощности линии “downlink” воспользуемся выражением (2.38), которая учитывает не только мощность МС, БС и потери на трассе “downlink”, но также параметры БС, МС и запас мощности на замирания, что показано на рис. 1:

(2.38)

где - мощность на входе мобильного терминала, дБмВт;

- максимальная мощность на выходе базовой станции, дБмВт.

- регулирование мощности снижением ее уровня, дБ;

- потери в изоляторе, комбайнере, фильтре на базовой станции, дБ;

- потери в фидере и соединителях на базовой станции, дБ;

- коэффициент усиления антенн базовой станции, дБ;

- потери на трассе downlink, дБ;

- коэффициент усиления мобильного терминала, дБ;

- потери в изоляторе, комбайнере и фильтре в мобильной станции, дБ;

- потери в фидере и соединителях в мобильном терминале, дБ;

-запас на покрытие в зданиях (замирания и взаимные препятствия), дБ.

Аналогично, с использованием выражения (2) рассчитывается запас мощности для линии “uplink”.

Рис. 2.1. Схема приема и передачи сигнала в базовой станции

Баланс линии “uplink” с учетом разнесенного приема при условии, что в секторе присутствует больше одной антенны, рассчитывается с помощью выражения (2.39):

(2.39)

где - мощность на входе приемника базовой станции, дБмВт;

-мощность на выходе мобильной станции, Вт;

- эффективность разнесенного приема, дБ;

- потери на трассе “uplink”, дБ.

Потери на трассе должны быть одинаковыми в обоих направлениях передачи[25].

Третий шаг алгоритма - расчет радиуса соты.

В результате проведения расчета баланса мощности, было получено допустимое значение затухания сигнала на трассе. Подставив данное значение в формулу Уолфиша-Икегами, рассчитывается радиус соты. Согласно модели Уолфиша-Икегами, значение затухания определяется по формуле

(2.40)

На основе выражения (2.40), можно вычислить радиус соты БС с помощью выражения (2.41):

км.(2.41)

При вычисления радиуса соты зададимся следующими условиями.

Пусть Lrts+ Lmsd? 0 и Hb>Hroof, тогда Lbch=-18·lg(1+Hb+Hroof), а ka= 54.

Тогда kf = -4+1.5·(f/925-1), kd= 18.

Затухание сигнала, обусловленное направлением прихода луча, максимальное при =55°, тогда потери, обусловленные ориентацией улиц относительно направления прихода сигнала, определяются по выражению Lcri = 4.0-0.114·(-55), 55°? ?90°, дБ.

Таким образом, получаем следующую формулу для расчета радиуса соты:

2.42)

Немаловажным для получения оптимального покрытия является выбор оборудования базовой станции, в частности антенн. Следовательно, необходимо исследовать, как параметры выбранного оборудования будут влиять на конечный результат.

На четвертом этапе производится расчет по первым трем пунктам, и выбирается оборудование, которое обеспечивает максимальный радиус соты [28]. Здесь же и рассчитывается предварительное количество базовых станций, необходимое для покрытия района. Площадь рассчитывается по формуле (2.43). Параметры сектора антенны показаны на рис.2.2.

Sсектора=2*(0,5*d*d3*sin(б)+ 0,5*d3*d10*sin(в))(2.43)

где d - размер соты в направлении главного лепестка ДН антенны, которая используется;

d3- размер соты на уровне -3 дБ ДН антенны;

d10- размер соты на уровне -10 дБ ДН антенны.

Так как используются трехсекторные соты, то площадь соты будет определятся как

Sсоты = 3*Sсектора (2.44)

Рис. 2.2. Диаграмма направленности антенны базовой станции

На пятом этапе определяется такое положение базовых станций в зоне обслуживания, при котором площадь теневых зон оказывается минимальной[25].

Таким образом, после проведения расчетов и получения результатов по приведенному алгоритму можно предложить рекомендации для получения оптимального покрытия городского микрорайона, которые будут включать топологию размещения базовых станций в микрорайоне, обеспечивающих заданный уровень качества сигнала в любой точке зоны обслуживания, а также параметры оборудования базовых станций.

2.3 Муравьиные алгоритмы

В последние два десятилетия при оптимизации сложных систем исследователи все чаще применяют природные механизмы поиска наилучших решений. Это механизмы обеспечивают эффективную адаптацию флоры и фауны к окружающей среде на протяжении миллионов лет. Сегодня интенсивно разрабатывается научное направление Natural Computing -- «Природные вычисления», объединяющее методы с природными механизмами принятия решений, а именно:

Genetic Algorithms -- генетические алгоритмы;

Evolution Programming -- эволюционное программирование;

Neural Network Computing -- нейро-сетевые вычисления;

DNA Computing -- ДНК-вычисления;

Cellular Automata -- клеточные автоматы;

Ant Colony Algorithms -- муравьиные алгоритмы.

Колония муравьев может рассматриваться как многоагентная система, в которой каждый агент (муравей) функционирует автономно по очень простым правилам. В противовес почти примитивному поведению агентов, поведение всей системы получается на удивление разумным.

Муравьиные алгоритмы серьезно исследуются европейскими учеными с середины 90-х годов. На сегодня уже получены хорошие результаты муравьиной оптимизации таких сложных комбинаторных задач, как: задачи коммивояжера, задачи оптимизации маршрутов грузовиков, задачи раскраски графа, квадратичной задачи о назначениях, оптимизации сетевых графиков, задачи календарного планирования и других.

Принципы поведения муравьев выдержали испытания далеко не в лабораторных условиях на протяжении 100 миллионов лет -- именно столько времени назад муравьи «колонизировали» Землю. Муравьи относятся к социальным насекомым, живущим внутри некоторого коллектива -- колонии. На Земле около двух процентов насекомых являются социальными, половину из них составляют муравьи -- небольшие существа массой от 1 до 5 мг.

Число муравьев в одной колонии колеблется от 30 штук до нескольких миллионов. На Земле около 1016 муравьев с общей массой, приблизительно равной массе человечества. Поведение муравьев при транспортировании пищи, преодолении препятствий, строительстве муравейника и других действиях зачастую приближается к теоретически оптимальному. В качестве примера на рис. 2.3. приведена структура взаимосвязанных гнезд суперколонии муравьев Formicalugubris в Швейцарии. Сеть муравейников близка к минимальному остовному дереву, соединяющему все гнезда колонии - вершины графа на рис. 2.3.

Рис. 2.3.Сеть гнезд суперколонии муравьев Formicalugubris в Швейцарии

Какие же механизмы обеспечивают столь сложное поведение муравьев, и что можем мы позаимствовать у этих крошечных существ для решения своих глобальных задач? Основу «социального» поведения муравьев составляет самоорганизация -- множество динамических механизмов, обеспечивающих достижение системой глобальной цели в результате низкоуровневого взаимодействия ее элементов. Принципиальной особенностью такого взаимодействия является использование элементами системы только локальной информации. При этом исключается любое централизованное управление и обращение к глобальному образу, репрезентирующему систему во внешнем мире. Самоорганизация является результатом взаимодействия следующих четырех компонентов:

случайность;

многократность;

положительная обратная связь;

отрицательная обратная связь.

Муравьи используют два способа передачи информации: прямой -- обмен пищей, мандибулярный, визуальный и химический контакты, и непрямой -- стигмержи (stigmergy). Стигмержи -- это разнесенный во времени тип взаимодействия, когда один субъект взаимодействия изменяет некоторую часть окружающей среды, а остальные используют информацию об ее состоянии позже, когда находятся в ее окрестности. Биологически стигмержи осуществляется через феромон (pheromone) -- специальный секрет, откладываемый как след при перемещении муравья. Феромон -- достаточно стойкое вещество, он может восприниматься муравьями несколько суток. Чем выше концентрация феромона на тропе, тем больше муравьев будет по ней двигаться. Со временем феромон испаряется, что позволяет муравьям адаптировать свое поведение под изменения внешней среды. Распределение феромона по пространству передвижения муравьев является своего рода динамически изменяемой глобальной памятью муравейника. Любой муравей в фиксированный момент времени может воспринимать и изменять лишь одну локальную ячейку этой глобальной памяти.

Обзор применения муравьиных алгоритмов оптимизации

Муравьиный алгоритм оптимизации маршрута коммивояжера после незначительных модификаций может использоваться для решения различных комбинаторных задач: квадратичной задачи о назначениях (Quadratic Assignment Problem), задачи об оптимизации маршрутов грузовиков (Vehicle Routing Problem), задачи календарного планирования (Job-Shop Schedule Planning), задачи раскраски графа (Graph Coloring Problem) и др.. Муравьиные алгоритмы находят решения дискретных задач оптимизации не хуже других общих метаэвристических технологий и некоторых проблемно-ориентированных методов.

В таблице 2.2 приведены длины маршрутов коммивояжера, найденные различными эвристическими методами оптимизации. В таблице 3 сравниваются методы решения квадратичной задачи о назначениях. В ячейках таблицы указаны стоимости решений. В таблице 2.2 и 2.3 число в названии тестовой задачи указывает ее размерность. В таблице 2.4 сравниваются три метода оптимизации маршрутов грузовиков для задач большой размерности. Во всех таблицах полужирным шрифтом выделены наилучшие на сегодняшний день решения.