Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Телекоммуникационные, радиотехнические системы и сети»

Разработка модели передачи данных в современных сетях мобильной связи по технологии EDGE в среде ANYLOGIC 7.2.0

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Системы связи и управления с подвижными объектами»

Омск 2016

Реферат

Курсовая работа содержит 20 страниц, 14 рисунков, 2 таблицы, 2 источника.

Передача данных, базовая станция, система, мобильная связь, технология EDGE, сеть GSM, схема кодирования, сигнал, модуляция, шум.

Объектом исследования является модель передачи данных в современных сетях мобильной связи UMTS и CDMA2000 по технологии EDGE.

Цель работы - разработка модели передачи данных в современных сетях мобильной связи UMTS и CDMA2000 по технологии EDGE.

Пояснительная записка к курсовой работе выполнена в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2007, графическая часть работы выполнена в графическом редакторе Paint.

Введение

Решая проблемы передачи данных в сети GSM, операторы обратили внимание на технологию EDGE, Enhanced Data for Global Evolution (E-GPRS) он же UWC-136 (Universal Wireless Communications - 136). EDGE позволяет во многом снять ограничения по скорости и запустить целый ряд принципиально новых услуг, таких как мобильное телевидение, загрузка больших объемов информации на телефон, системы видеонаблюдения.

EDGE (Enhanced Data for Global Evolution) представляет собой современную технологию, обеспечивающую передачу больших объемов информации в сети мобильной связи. Технология EDGE поддерживает скорость передачи данных в среднем в три раза выше, чем GPRS, кроме того, обеспечивается более эффективное использование частотных ресурсов и улучшение покрытия сети по сравнению с обычной сетью GSM. Максимально достижимая (в теории) скорость передачи информации в сети EDGE - 474.6 кбит/c.

Это означает, что технология EDGE открывает для оператора мобильной связи возможность предоставить абонентам услуги по передаче данных в существующем частотном спектре GSM со скоростями, характерными для сетей третьего поколения мобильной связи.

Впервые EDGE была представлена ESTI (Европейский институт стандартизации электросвязи) в начале 1997 года в качестве эволюции существующего стандарта GSM.

Основное эволюционное изменение при переходе от классической технологии GSM к EDGE заключается в применении нового метода модуляции и кодирования, который значительно расширяет возможности радио-интерфейса. Таким образом, технологию EDGE следует рассматривать как эволюционный шаг на пути к более высоким скоростям передачи данных при одновременном сохранении наиболее важных свойств радиоинтерфейса GSM, таких как, например, ширина полосы частот канала в 200 кГц и структура пакета (битовых последовательностей).

1. Теоретическая часть

1.1 Обзор технологии EDGE

1.1.1 Характеристики базовой станции EDGE

Технология EDGE может внедряться двумя разными способами: как расширение GPRS, в этом случае ее следует называть EGPRS (Enhanced GPRS) или как расширение CSD (ECSD). Учитывая, что GPRS распространена намного шире, чем HSCSD, следует остановиться на рассмотрении EGPRS.

EDGE не является новым стандартом сотовой связи. Однако EDGE подразумевает дополнительный физический уровень, который может быть использован для увеличения пропускной способности сервисов GPRS или HSCSD. При этом сами сервисы предоставляются точно так же, как и раньше. Теоретически, сервис GPRS способен обеспечивать пропускную способность до 160 Кбит/с (на физическом уровне, на практике же поддерживающие GPRS Class 10 или 4+1/3+2 аппараты обеспечивают лишь до 38-42 Кбит/с и то, если позволяет загруженность сети сотовой связи), а EGPRS - до 384-473,6 Кбит/с. Для этого необходимо использование новой модуляционной схемы, новых методов кодирования каналов и коррекции ошибок.

EDGE, по сути, является «надстройкой» (вернее, подстройкой, если считать, что физический уровень находится ниже остальных) к GPRS и не может существовать отдельно от GPRS. EDGE, как уже было сказано выше, подразумевает использование иных модуляционных и кодовых схем, сохраняя совместимость с CSD-сервисом голосовой связи.

Рисунок 1 - Схема изменения инфраструктуры базовой станции при переходе от GPRS к EGPRS

Рисунок 2 - Аббревиатуры (обозначения) основных определений

Таким образом, с точки зрения клиентского терминала, с внедрением EDGE не должно измениться ничего. Однако, инфраструктура базовой станции претерпит некоторые изменения (рисунок 1), хотя и не такие уж серьезные. Помимо увеличения пропускной способности для передачи данных, внедрение EDGE увеличивает емкость сети сотовой связи: в один и тот же тайм-слот можно теперь «упаковать» большее количество пользователей, соответственно, можно надеяться не получать сообщение «сеть занята» в самые неподходящие моменты.

Рисунок 3 - Сравнительные характеристики EDGE и GPRS

Таблица сравнительных характеристик (рисунок 3) иллюстрирует разные технические характеристики EDGE и GPRS. Хотя и в EDGE, и в GPRS в единицу времени отправляется одинаковой число символов, благодаря использованию другой модуляционной схемы, число бит данных в EDGE втрое больше. Сразу оговоримся здесь, что приведенные в таблице значения пропускной способности и скорости передачи данных отличаются друг от друга из-за того, что в первой также учитываются заголовки пакетов, пользователю ненужные. Ну, а максимальная скорость передачи данных в 384 Кбит/с (требуемая для соответствия спецификациям IMT-2000) получается в том случае, если используется восемь тайм-слотов, то есть, на каждый тайм-слот приходится по 48 Кбит/с.

1.1.2 Модуляционная схема EDGE

В стандарте GSM применяется модуляционная схема GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying, кодирование по сдвигу Гауссового минимума), являющаяся разновидностью фазовой модуляции сигнала. Для пояснения принципа схемы GMSK рассмотрим фазовую диаграмму, представленную на рисунке 4, на которой изображена действительная (I) и мнимая (Q) часть комплексного сигнала. Фаза передаваемых логических «0» и «1» отличаются друг от друга фазой . Каждый передаваемый в единицу времени символ соответствует одному биту.

Рисунок 4 - Разные модуляционные схемы в GPRS и EDGE

В технологии EDGE применяется модуляционная схема 8PSK (8-Phase Shift Keying, сдвиг фазы, как видно из рисунка, равен /4), используя все те же спецификации структуры частотных каналов, кодирования и ширины полос, как в GSM/GPRS. Соответственно, соседние частотные каналы создают ровно те же взаимные помехи, как и в GSM/GPRS. Меньший сдвиг фазы между символами, в которые теперь кодируется не один бит, а три (символы соответствует комбинациям 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111), делает задачу детектирования сложнее, особенно если уровень сигнала невысок. Впрочем, в условиях хорошего уровня сигнала и стабильного приема, дискриминировать каждый символ не составляет большого труда.

1.1.3 Кодирование

В GPRS возможно применение четырех разных схем кодирования: CS1, CS2, CS3 и CS4, в каждой из которых используется свой алгоритм коррекции ошибок. Для EGPRS разработано девять схем кодирования, MCS1..MCS9, соответственно, назначение которых также в обеспечении коррекции ошибок. Причем в «младших» MSC1..MSC4 используется модуляционная схема GMSK, в «старших» MSC5..MSC9 - модуляционная схема 8PSK. На рисунке 5 представлена зависимость скорости передачи данных от использования разных модуляционных схем вкупе с разными схемами кодирования (скорость передачи данных меняется в зависимости от того, как много требуемой для работы алгоритмов коррекции ошибок избыточной информации закладывается в каждый кодируемый пакет). Нетрудно догадаться, что чем хуже условия приема (отношение сигнал/шум), тем больше приходится закладывать избыточной информации в каждый пакет, а значит, тем меньше скорость передачи данных. Небольшое отличие в скорости передачи данных, наблюдаемое между CS1 и MCS1, CS2 и MCS2, и так далее, связано с разницей в величине заголовков пакетов.

Рисунок 5 - Разные кодовые схемы в GPRS и EDGE

Скорость передачи данных EDGE представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Скорость передачи данных EDGE

Впрочем, если соотношение сигнал/шум невелико, не все потеряно: в старших модуляционно-кодовых схемах EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 предусмотрена процедура «наложения»: так как стандарт способен отправлять группы пакетов на разных несущих (внутри частотного диапазона), для каждой из которых условия (и прежде всего - «зашумленность») могут быть разными, в этом случае повторной передачи всего блока можно избежать, если знать, в какой группе произошел сбой и повторно транслировать именно эту группу. В отличие от старшей кодовой схемы GPRS CS4, где не используется аналогичный алгоритм коррекции ошибок, в EGPRS MCS7, MCS8, MCS9 разные блоки данных «накладываются» друг на друга, поэтому при сбое в одной из групп (как показано на рисунке 6), повторной пересылке подлежит лишь половина пакетов.

Рисунок 6 - Использование наложения групп пакетов в EDGE

1.1.4 Обработка пакетов

Если по каким-то причинам пакет, отправленный с использованием «старших» схем кодирования, не был корректно принят, EGPRS позволяет его ретранслировать заново с использованием «пониженной» кодировочной схемы. В GPRS такой возможности, названной «ресегментацией» (resegmentation), предусмотрено не было: некорректно принятый пакет отправляется вновь по той же модуляционно-кодировочной схеме, что и в предыдущий раз.

1.1.4.1 Окно адресации (addressing window)

Прежде чем последовательность кодированных (то есть, в которые закодированы «слова», состоящие из нескольких бит) пакетов (фрейм) может быть передана по радиочастотному интерфейсу, передатчик присваивает пакетам идентификационный номер, включенный в заголовок каждого пакета. Номера пакетов в GPRS составляют от 1 до 128. После того как последовательность пакетов (например, 10 штук) отправлена адресату, передатчик ждет от приемника подтверждения того, что они были приняты. В отчете, который приемник отправляет обратно передатчику, содержатся номера пакетов, которые были успешно декодированы и которые получатель декодировать не смог. Важный нюанс: номера пакетов принимают значения от 1 до 128, а ширина адресного окна - всего 64, вследствие чего вновь передаваемый пакет может получить такой же номер, как в предыдущем фрейме. В этом случае протокол вынужден повторно отправлять весь текущий фрейм, что отрицательно сказывается на скорости передачи данных в целом. Для снижения риска возникновения такой ситуации в EGPRS номер пакета может принимать значения от 1 до 2048, а адресное окно увеличено до 1024.

1.1.4.2 Точность измерения

Для обеспечения корректного функционирования технологии GPRS в среде GSM приходится постоянно измерять радиоусловия: уровень сигнал/шум в канале, частоту появления ошибок и тому подобное. Эти измерения никак не сказываются на качестве голосовой связи, где достаточно постоянно использовать одну и ту же кодировочную схему. При передаче данных в GPRS измерение радиоусловий возможно лишь в «паузах» - дважды за период 240 мс. Для того чтобы не ждать каждые 120 мс, EGPRS определяет такой параметр, как вероятность возникновения ошибки на бит (BEP, Bit Error Probability) в каждом фрейме. На величину BEP влияет как отношение сигнал/шум, так и временная дисперсия сигнала, и скорость перемещения терминала. Изменение BEP от фрейма к фрейму позволяет оценить скорость терминала и «дрожание» частоты, но для более точной оценки используется среднее значение вероятности ошибки на бит на каждые четыре фрейма и его выборочное стандартное отклонение. Благодаря этому, EGPRS быстрее реагирует на изменения условий: увеличивает скорость передачи данных при снижении BEP и наоборот.

Рисунок 7 - Зависимость вероятности ошибки от среднего значения отношения сигнала/шума для MCS5-MCS9

1.1.4.3 Контроль за скоростью соединения в EGPRS

В EGPRS используется комбинация двух подходов: подстройки скорости соединения и инкрементной избыточности. Подстройка скорости соединения, измеряемой либо мобильным терминалом по количеству принимаемых в единицу времени данных, либо базовой станцией по количеству, соответственно, передаваемых данных, позволяет выбрать оптимальную модуляционно-кодовую схему для последующих объемов данных. Обычно, использование новой модуляционно-кодовой схемы может быть назначено при передаче нового блока (по четыре группы) данных.

Инкрементная избыточность изначально применяется для самой старшей модуляционно-кодовой схемы, MCS9, с незначительным вниманием к коррекции ошибок и без учета условий радиосвязи. Если информация декодируется адресатом некорректно, по каналу связи передаются не сами данные, а некий контрольный код, который «добавляется» (используется для преобразования) к уже загруженным данным до тех пор, пока данные не будут декодированы успешно. Каждый такой «инкрементный кусочек» дополнительного кода увеличивает вероятность успешной расшифровки переданных данных - в этом и заключается избыточность. Главным преимуществом этого подхода является то, что здесь нет необходимости следить за качеством радиосвязи, поэтому инкрементная избыточность является обязательной в стандарте EGPRS для мобильных терминалов.

Канальное кодирование EGPRS. Для того чтобы понять, что такое возрастающая избыточность, нужно знать принцип канального кодирования EGPRS. Существует девять кодеров канала (от MCS-1 до MCS-9) плюс их вариации, которые можно определить по схеме пунктирования. На рисунке 8 упрощенно показан принцип комплексного канального кодирования EGPRS. Свёрточный кодер сначала растягивает полезные данные в три раза по числу бит, что позволяет корректировать ошибки при передаче данных. Потом индивидуальные биты «выбиваются» в соответствии с определенной схемой (схема пунктирования Р1, Р2 и Р3) и биты перегруппируются. Затем только пакет данных, содержащий схему пунктирования Р1, передается в виде четырех информационных пакетов. Схемы выбираются таким образом, чтобы приемник из каждого единичного пакета смог полностью воспроизвести полезные данные.

Рисунок 8 - Упрощенный принцип канального кодирования EGPRS

Принцип возрастающей избыточности. В случае GPRS, если при передаче данных в информационном блоке появляется неисправимая ошибка, блок запрашивается и передается снова, до тех пор, пока не будет принят безошибочный блок. Информация передается снова и снова, что совершенно излишне, например, если первый блок содержит всего лишь несколько неверных битов. С использованием EGPRS передатчик может альтернативно посылать информационный блок, полученный с помощью схемы пунктирования Р2. Приемник затем соединяет оба информационных блока вместе и пытается исправить ошибки. Так как сейчас имеется гораздо больше избыточных бит, очень высока вероятность того, что приемник декодирует информационный блок безошибочно. Если это все еще невозможно, при следующей передаче будет принят информационный блок со схемой пунктирования Р3, для декодирования снова используются все переданные биты. Приемник, таким образом, запрашивает все больше и больше избыточных бит для анализа блока (рисунок 9).

Рисунок 9 - Принцип возрастающей избыточности

2. Практическая часть

2.1 Задание

В рамках курсовой работы необходимо разработать модели передачи данных в современных сетях мобильной связи (СМС) UMTS и CDMA2000 в среде AnyLogic 7.2.0 по примеру тех, что были изучены в ходе выполнения лабораторных работ. Разработку модели в работе предлагается ограничить физическим и канальным уровнями модели OSI. Модель должна позволять анализировать следующие статистические данные:

- кол-во повторных передач блока или пакета данных;

- кол-во отказов доступа к ресурсам сети;

- кол-во потерянных пакетов данных;

- среднее время передачи блока или пакета данных;

- среднее время ожидания доступа к ресурсам сети.

2.2 Описание модели

Моделирование проводилось на основе передачи трех пакетов данных разной длины. Сначала проверяется наличие свободного канала передачи данных. В случае отсутствия свободных каналов данная проверка производится несколько раз, после чего передача окончательно прекращается, что говорит об отсутствии свободных ресурсов в системе связи.

2.3 Программная реализация

Код из первого блока сравнения:

verBlok = 0;

var = 0;

int N = 0;

//расчет вероятности блокировки

while(N < 500)

{

var+=modelErlang(kolChannelBS);

N=N + 1;

}

verBlok=var/N;

// класс телефона определяет максимальное число тайм-слотов

if(classTelefona == 1) MAXnSlot = 2;

else if(classTelefona >= 2 && classTelefona <= 3)

MAXnSlot = 3;

else if(classTelefona >= 4 && classTelefona <= 6)

MAXnSlot = 4;

else if(classTelefona >= 7 && classTelefona <= 12)

MAXnSlot = 5;

//определение числа слотов

/*алгоритм определения*/

double temp = 0;

double delta = 1/MAXnSlot;

for(int i = 0; i < MAXnSlot; i++)

{

if(verBlok >= temp && verBlok <= (temp += delta))//входит в диапазон

{

nSlot = MAXnSlot - i;

break;

}

}

Первым делом производится расчет вероятности блокировки соединения. Число тайм-слотов, выделяемых под передачу информации, в TDMA-кадре может изменяться от 1 до 8. Причем значение имеет число тайм-слотов как для передачи <вверх>, так и для передачи <вниз>. Поэтому в GPRS-спецификациях появился второй класс, определяющий, сколько тайм-слотов в кадре доступно для передачи <вверх>, а сколько <вниз> (таблица 2). В технических характеристиках телефонов производители указывают либо класс, либо конкретные значения, например, 4/1. Для упрощения задачи ограничимся двенадцатью классами телефонов.

Таблица 2 - Максимальное количество тайм-слотов для различных классов телефонов

Для определения числа слотов, выделенных для передачи, использовалась формула, представленная на рисунке 10.

Рисунок 10 - Формула определения числа слотов

канальный кодирование слот мобильный

Общая задержка в канале связи при распространении в прямом и обратном направлениях, вызванная обработкой сигнала, кодированием/декодированием речи, канальным кодированием составляет около 180 мс. Также в модели учитываются: распространение сигналов, сетевые задержки и связанные со сборкой данных. Все это учитывается в виде соответствующих временных задержек в модели. Причем данная модель учитывает задержку на передачу данных с учетом количества выделенных тайм-слотов.

Определение того насколько удачно переданы данные проводится на основе графика зависимости вероятности возникновения ошибки от значения отношения сигнал/шум. На основе него заранее были сформированы табличные функции. Для упрощения моделирования использовались первые четыре схемы кодирования.

Рисунок 11 - Зависимость значения параметра BLER от отношения сигнал/шум

Результаты моделирования выдаются в виде значений определенных переменных, в частности:

- кол-во повторных передач блока или пакета данных (переменная nPovtor);

- кол-во отказов доступа к ресурсам сети (переменная nOtkas);

- кол-во потерянных пакетов данных (переменная nPovtor);

- среднее время передачи блока или пакета данных (переменная MediumTime);

- среднее время ожидания доступа к ресурсам сети (переменная MediumnOtkas).

Результаты моделирования при передаче данных с разным объемом памяти представлены на рисунках 12-14.

Рисунок 12 - Передача 10 Kb

Рисунок 13 - Передача 10 Mb

Рисунок 14 - Передача 100 Mb

Заключение

В курсовой работе рассмотрена цифровая технология беспроводной передачи данных для мобильной связи EDGE, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS)-сетями и работает в TDMA- и GSM-сетях.

Согласно заданию, в процессе выполнения работы была разработана модель передачи данных в современных сетях мобильной связи UMTS и CDMA2000 по технологии EDGE, результаты моделирования передачи трех пакетов данных разной длины представлены.

Библиографический список

1 Классификация и типы телефонов с GPRS [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://www.amobile.ru/info/tech/gprs/class.htm

2 EDGE [Электронный ресурс] / - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/EDGE

Размещено на Allbest.ru