3g - UMST / 3. Актанбаев Д.М. ИМС-52 (2 версия, 16.11.2017)

2

ВВЕДЕНИЕ

Современные сети связи сложно представить без мобильных широкополосных сетей. Причем если еще двадцать лет назад мобильная связь только внедрялась на территории стран СНГ, причем в основном в крупны городах, то в настоящее время,

то в настоящее время высокоскоростной мобильный интернет и видеосвязь доступна практически по всей населённой территории России и стран СНГ, а также в отдаленных местах. Можно смело сказать, что мобильные широкополосные сети прочно занимают все пользовательские ниши, вплоть до абонентского доступа в труднодоступных местах.

Среди современных систем мобильной радиосвязи наиболее стремительно развиваются системы сотовой радиотелефонной связи. Их внедрение позволило решить проблему экономического использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах и увеличить пропускную способность сетей. Эти системы построены в соответствии с сотовым принципом разделения частот по территории обслуживания и предназначены для обеспечения радиосвязью большого числа абонентов с выходом в ТфОП.

Современные сети сотовой связи (ССС) характеризуются большой зоной покрытия, высоким качеством передачи речевых сообщений, возможностью доступа в Интернет. На примере их эволюции хорошо отслеживаются основные тенденции развития сетей связи.

Объем передаваемой в мире информации и оказываемых услуг связи увеличивается по экспоненциальному закону, при этом реальный спрос постоянно превышает прогнозируемый. Очевидно, что сложившаяся ситуация эффективно стимулирует исследования и разработки по совершенствованию систем связи и телекоммуникаций, приводя к появлению новых технологий, направленных на возможность передачи больших объемов различной информации с более высоким качеством. Одной из таких технологий, наиболее перспективных в аспекте обеспечения высокой пропускной способности, является анализ и прогнозирование необходимого канального ресурса на сетях мобильно связи поколения 3G/4G.

3

Действительно имея качественный инструмент позволяющий определить необходимую пропускную способность в том числе и на перспективу, возможно оптимально производить радиопланирование на местности, обеспечивать сеть нужным количеством БС и в конечном итоге повышать спектр и качество предоставляемых услуг клиентам операторов мобильной связи. Анализ трафика и услуг позволяет также обеспечивать необходимое число ресурсов и оптимизировать затраты на строительство мобильных сетей.

Постоянный рост потребности в широкой полосе пропускания каналов связи привел к значительному росту объемов трафика по всему миру. В связи с этим в последнее время операторы связи начинают инвестировать немалые средства в развитие инфраструктуры своих транспортных сетей с акцентом на внедрение и совершенствование систем управления и автоматического мониторинга состояния линий и каналов связи.

Сложность задачи поддержания сетей связи в работоспособном состоянии растет с такой же скоростью, с какой падает эффективность традиционной стратегии технической эксплуатации, профилактики повреждений каналов связи и ремонтно-

восстановительных работ при возрастании стоимости данных мероприятий.

Основные задачи, возникающие сегодня перед операторами связи:

быстрый рост мобильных сетей последнего поколения вызывает проблемы их документирования, поддержания в исправном состоянии и контроля состояния;

растущая конкуренция заставляет пристальней взглянуть на проблемы качества предоставляемых услуг;

оптимизация количества инженерно-технического персонала (поскольку с ростом сети не рационально пропорционально увеличивать штат сотрудников)

требует определенной автоматизации процессов инсталляции и контроля за оборудованием мультисервисных сотовых сетей.

Дополнение сетей сотовой связи технологиями БШД, обеспечивающими высокоскоростной доступ в Интернет в условиях ограниченной мобильности при небольших дальностях связи и отсутствии непрерывного покрытия.

4

Развитие сетей БШД связывают с системами, основанными на ортогональном частотном уплотнении каналов OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing),

используемом, например, в стандартах 802.11a/g/n (WiFi), 802.16 (WIMAX) и 802.20

(MBWA).

В ближайшие годы еще будет успешно функционировать GSM, параллельно будут развиваться UMTS и их возможности в условиях ограниченной мобильности будут расширять WiFi и WiMAX. В 2012-2014 годах в коммерческую эксплуатацию должны войти системы сотовой связи на основе технологии LTE, которые могут обеспечить передачу данных со скоростью до 300 Мбит/с.

Объединение возможностей ССС и БШД позволяет эффективно задействовать возможности каждой сети, а ожидаемый синергетический эффект позволяет говорить о создании принципиально новой архитектуры совмещенной сети. Использование совмещенных ресурсов ССС и БШД является одной из ключевых концепций современного этапа развития мобильной связи.

Решение задачи построения совмещенной сети сотовой связи и БШД является одной из наиболее актуальных на современном этапе развития интегрированных сетей сотовой связи различных стандартов: GSM, UMTS, LTE и других.

В первую очередь возникает задача определения принципов построения совмещенной сети. Известные способы конвергенции сетей не предусматривают создание совмещенной сети сотовой связи и БШД, а задача построения транспортной магистральной сети решается традиционными средствами. Необходим поиск новых принципов создания совмещенной сети сотовой связи и БШД, ориентированных на формирование единой среды предоставления услуг.

На сегодняшний день сети на базе технологии UMTS в мире получили развитие,

появляются первые практические реализации сетей, постепенно запускаемые в коммерческую эксплуатацию. Характеристики покрытия для радиосетей являются одними из важнейших показателей их работоспособности. Рассматриваемая технология ориентирована на приложения, чувствительные к задержке и пропускной способности, поэтому вопрос качества связи в ней стоит особенно остро. Повысить качество связи позволяет заложенные в UMTS механизмы диспетчеризации

5

радиоканала и адаптации к его условиям. Поэтому исследование характеристик покрытия, региона планирования, учет рельефных особенностей и местности постройки, а также выработка оптимального критерия адаптации является на сегодняшний день актуальной.

Целью диссертации является анализ и исследование качества обслуживания вызовов в широкополосных сетях мобильной связи на базе технологий 3G/UMTS. В

работе планируется исследовать способы и возможности оптимального построения сети, полного охвата сети UMTS.

Для достижения поставленных целей последовательно решаются следующие задачи:

исследования принципов построения сети сотовой связи и БШД на основе технологии UMTS;

рассмотреть математическую модель обслуживания мультисервисного трафика;

провести моделирование сети с использованием компьютерной модели трафика МСС для подтверждения полученных результатов.

Научная новизна заключается в разработке решений по анализу мультисервисного трафика в широкополосных мобильных сетях.

Практическая ценность данной работы состоит в том, что она дает оценку современным технологиям широкополосной передачи данных, позволяет произвести прогнозирование качества сети и в дальнейшем оптимально осуществлять радиопланирование сетей UMTS на местности.

Область применения - работа может быть применена для исследования современных технологий ШПД, изучения архитектуры сети UMTS и использоваться в качестве общих проектных решений по анализу и прогнозированию трафика в реальных сетях мобильной связи.

В ходе работы над диссертацией планируется:

рассмотреть принципы, протоколы и архитектуру построения на основе стандарта UMTS;

6

исследовать основные модели анализа качества обслуживания вызовов в широкополосных сетях мобильной связи;

провести моделирование характеристик и моделей облуживания в сетях;

проанализировать полученные данные и интерпретировать результаты к реальным сетям;

исследовать теоретические возможности радиоинтерфейса с применением технологии MIMO.

В данной работе для исследования радиоканала применялся метод

математического моделирования, теории телетрафика и теории планирования

эксперимента.

7

1 ТЕХНИЧЕСКИЙ ОБЗОР СТАНДАРТА UMTS

1.1Поколение мобильных сетей 3G

Сотовые сети поколения 3G/4G в своей основе опираются на технологии пакетной передачи данных. Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона, в диапазоне около 2 ГГц, передавая пакетные данные и голосовой трафик со скоростью до 3,2 Мбит/с. Новое поколение сетей позволяет организовывать видеозвонки, вести активный сёрфинг в сети интернет, обеспечивать качественную голосовую связь, просматривать на смартфоне телепрограммы и кино.

К сетям поколения 3G неотъемлемо включают в себя следующие распространенные стандарты сотовой радиосвязи:

стандарт WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access -

широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) - технология радиоинтерфейса, использующая широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов, использующий две широкие полосы радиочастот по 5

МГц. Стандарт WCDMA, работает в диапазоне 1900-2100 МГц и изначально создавался как надстройка над GSM с целью предоставления услуг высокоскоростного интернета.

стандарт UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System -

универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система) - технология сотовой связи, разработана для внедрения 3G в Европе. Для передачи данных через радиоэфир используется технология WCDMA.

стандарт CDMA2000 является стандартом 3G в эволюционном развитии сетей

CDMA.

В стеки протоколов 3G? Важную роль играет технология высокоскоростного пакетного доступа по входящему каналу HSDPA (англ. High Speed Downlink Packet Access). Данная технология представляет собой дополнение к сетям 3GPP и

описывается в спецификации 5-й версии стандарта WCDMA. Технология WCDMA,

8

при прочих равных условиях и при сопоставимых размерах сот применение многокодовой передачи позволяет достигать скоростей передачи до 10 Мбит/с.

Особенности технологии HSDPA заключаются:

схемы адаптивной модуляции и кодирования - QPSK и 16 QAM;

протокол ретрансляции HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request);

определение оперативной очередности передачи пакетов на БС eNode B.

Технология HSDPA позволяет обслуживать разных абоннетов, осуществляя мультиплексирование с временным и кодовым разделением (TDMA и CDMA),

оптимально подходит для обработки и передачи пульсирующего пакетного трафика

вмногопользовательской разделяемой среде.

Внастоящее время во, еще идет процесс внедрения сетей 3G, и разворачивание новых БС поверх существующих систем GSM, хотя прослеживается четкая тенденция к стремлению «перескочить» развертывание сетей 3G и сразу перейти к сетям 4G.

1.2Концепция сети 3G

Мобильная связь поколения 3G строится на основе пакетной передачи данных и стека протоколов IP версии 4 и 6. Для реализации систем третьего поколения разработаны рекомендации по глобальным стандартам мобильной связи:

обеспечение качества передачи речи аналогичного сетям ТфОП;

обеспечение безопасности и конфиденциальности, поддержка аутентификации пользователей;

обеспечение всех видов роуминга, в том числе и бесшовного;

поддержка местных и международных операторов;

эффективное использование частотного спектра;

полная поддержка пакетной и канальной коммутации;

поддержка сотовых структур с иерархической архитектурой;

взаимодействие с системами космической связи;

поэтапное наращивание скорости передачи данных вплоть до 14 Мбит/с.

9

Несомненным является факт, что конечная цель для индустрии телекома,

заключается в создании единой мировой среды мобильной связи, поддерживающей широкополосные системы и обеспечивающей глобальную мобильность, в результате чего возникает целое семейство стандартов, обеспечивающие услуги поколения 3G.

Достоинством сетей 3G является большая скорость передачи пакетных данных по радиоканалу. В сетях EDGE (англ. Enhanced Data Rates for GSM Evolution),

которые относятся к стандарту 2G обеспечивается скорость передачи до 473,6 кбит/с,

что на сегодняшний день явно нелостаточно. В сетях третьего поколения 3G для передачи данных применяется технология HSDPA, скорость передачи которой измеряется мегабитами и в пределе может достигать 14,4 Мбит/с.

Стандарт 3G разработан Международным Союзом Электросвязи (ITU) и

называется IMT-2000. Цель создания стандарта заключается в сопряжении и синхронизации систем третьего поколения для обеспечения глобального роуминга.

Реализация мультисервисных мобильных сетей предполагает в перспективе слияние сотовой связи с информационными и компьютерными технологиями, полное обновление оборудования и систем, в следствии чего происходит расширение спектра предоставляемых услуг, включая услуги высокоскоростной передачи данных,

глобального роуминга и мультимедиа, независимо от географической расположенности абонента и скорости его передвижения. В настоящее время современные смартфоны предоставляют пользователю практически неограниченные возможности доступа ко сети интернет.

Для решения задачи «последней мили», а именно организации связи базовых станций мобильного оператора, необходимы инновационные технические решения,

позволяющие сохранить скорость и качество передачи информации. Иначе теряется главная цель создания мобильной сети нового поколения. Основными техническими средствами для решения этой задачи являются высокоскоростные оптоволоконные,

радиорелейные системы связи, которые обладают как преимуществами, так и недостатками в конкретных сферах применения.

Стандарт IMT-2000 базируется признаках, определяющих архитектуру и принципы построения сетей поколения 3G. На первом этапе развертывания сети 3G

10

должны обеспечивать высокие скорости передачи для различных степеней

мобильности абонента в зависимости от величины зоны покрытия:

до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (до 3 км/ч) и локальной зоне;

до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне;

до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).

Услуги, предоставляемые сетью 3G представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Услуги систем 3-го поколения

В рамках стандарта IMT-2000 допустимы 2 стратегии перехода к сетям поколения 3G: постепенное (эволюционное) и одномоментное (революционное),

факторы которых представлены в таблице 1.2.

11