Сети сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа (БШД) в настоящее время пользуются возрастающей популярностью со стороны пользователей, приобретая доминирующее значение и увеличивая свою долю на рынке. Для примера, уровень проникновения сотовой связи в Российской Федерации в 2011 г. превысил 160% [2], а доля пользователей беспроводного широкополосного доступа в мире — 20% [3].
Современные сети сотовой связи (ССС) [4,7,8,11,12] характеризуются большой зоной покрытия, высоким качеством передачи речевых сообщений, возможностью доступа в Интернет. На примере их эволюции хорошо отслеживаются основные тенденции развития сетей связи.
Аналоговые ССС первого поколения (1G) NMT-450 и AMPS появились в начале 80-х годов. Главным недостатком аналоговых сетей являлось неэффективное использование частотного ресурса, ограниченная скорость передачи данных, открытый для прослушивания радиоинтерфейс, отсутствие дополнительных услуг [7].
Цифровые ССС — GSM, PDC, D-AMPS, IS-95 [8] - являются сетями второго поколения (2G). Сети второго поколения с использованием коммутации каналов и коммутации пакетов, называют сетями переходного поколения или 2,5G. Например, к 2,5G относят GSM, использующую GPRS (General Packet Radio Service). Технология GPRS позволяет передавать данные в пакетном режиме, в том числе, объединять тайм-слоты, увеличивая скорость передачи данных до 115 кбит/с. В случае EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), за счет применения восьмипозиционной фазовой манипуляции (8PSK), потенциально может обеспечиваться скорость передачи данных до 384 кбит/с. Продолжаются работы по развитию технологии EDGE для увеличения скорости передачи данных до двух раз [8].
Концепция ССС третьего поколения (3G) нацелена на создание условий для предоставления мобильным абонентам услуг мультимедиа, включая высокоскоростную передачу данных, видео и речи с высоким качеством. Технологии сотовой связи третьего поколения с HSPA (High Speed Packet Access) обеспечивают скорость передачи данных до 14,4 Мбит/с от базовой станции (Node В) до мобильной станции (по линии «вниз») и до 5,7 Мбит/с от абонента в сторону Node В (по линии «вверх») [8]. Дальнейшее развитие сетей третьего поколения связано с технологией HSPA+, позволяющей за счет применения модуляции 16QAM и 64 QAM передавать данные по линии «вниз» со скоростью до 42 Мбит/с и по линии «вверх» со скоростью до 11 Мбит/с [6].
В то же время, скорость передачи данных в фиксированных сетях связи превышает возможности сотовой связи на порядки, разрыв по скорости передачи данных в сетях фиксированной и сотовой связи с каждым годом увеличивается из-за физических ограничений радиоинтерфейса, связанных с условиями распространения радиоволн.
Дополнение сетей сотовой связи технологиями БШД [13−23], обеспечивающими высокоскоростной доступ в Интернет в условиях ограниченной мобильности при небольших дальностях связи и отсутствии непрерывного покрытия.
Развитие сетей БШД связывают с системами, основанными на ортогональном частотном уплотнении каналов OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) [10], 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 (Рис. I).
Рис. I Формирование услуг сотовой и беспроводной связи.
Существенным фактором, влияющим на качественные характеристики сетей сотовой связи и БШД, является недостаточно развитая транспортная сеть (backhaul), обеспечивающая передачу данных от подсистемы базовых станций до опорной сети. Тенденция к повышению пропускной способности сетей сотовой связи приводит к необходимости увеличения плотности установки базовых станций, что в свою очередь требует развитие транспортной сети (ТС). Наиболее распространенные технологии, применяемые на транспортных сетях, приведены в таблице I.
Преимущества систем БШД определяют перспективность их использования для построения ТС в сотовой связи. Использование сетей БШД позволяет значительно сократить срок строительства транспортных сетей и создает более гибкую структуру сети связи, адаптивную к различным стандартам сотовой связи.
Таблица I.
Тип ТС PPJI (4xSTMl) Медная витая пара (аренда канала Е1) Волоконно-оптические линии связи БШД (WiMAX).
Скорость < 622 Мбит/с < 2 Мбит/с < 40 Гбит/с < 70 Мбит/с.
Время организации От 1 мес. От 1 недели От 6 месяцев От 1 дня.
Надежность Средняя Высокая Высокая Средняя.
Стоимость $ 15 000−20 000 $ 8000−10 000 (организация + год аренды) $ 20 000−25 000 $ 1000-$ 5000.
Наличие доп. услуг Нет Нет Нет Да.
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 backhaul сети решается традиционными средствами. Необходим поиск новых принципов создания совмещенной сети сотовой связи и БШД, ориентированных на формирование единой среды предоставления услуг.
В данной работе исследуются вопросы создания совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh как наиболее отвечающей запросам современной информационной среды [24].
В качестве топологии сети сети БШД рассматривается полносвязная топология mesh, как одна из наиболее перспективных по скорости передачи данных и надежности. Такая топология может получить широкое развитие в настоящее время в связи с масштабным развертыванием сетей БШД [24].
Главным преимуществом mesh-сетей по сравнению с известными сетями, например, PmP (Point-to-Multipoint) является возможность развертывания определенного числа точек доступа, имеющих непосредственное соединение с транспортной сетью оператора (GAP — Gateway Access Point), и некоторого количества транзитных точек доступа (ТАР — Transit Access Point), что позволяет операторам осуществить непрерывное расширение зоны покрытия сети сотовой связи. При этом функции ТАР могут быть совмещены, например, транзитная точка доступа может также одновременно являться конечной точкой доступа для абонента сотовой сети. В случае отказа одной или нескольких ТАР, трафик будет автоматически перенаправлен на другие ТАР. Таким образом, обеспечивается высокая надежность mesh-сети.
Необходимо отметить, что применение в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh существующих алгоритмов и протоколов маршрутизации не представляется рациональным, т.к. они не учитывают особенности совмещения сетей и требования к качеству услуг. Следовательно, актуальна задача разработки новых алгоритмов маршрутизации для совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh [25].
Цели работы и задачи диссертации. Целями данной работы являются разработка принципов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с учетом особенностей построения этих сетей, разработка структуры совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh, создание алгоритма маршрутизации с поддержкой качества обслуживания с учетом требований, предъявляемых к сетям сотовой связи, разработка компьютерной модели совмещенной сети, проведение моделирования совмещенной сети с использованием предложенной модели ее функционирования для практического подтверждения результатов работы.
Для достижения поставленных целей последовательно решаются следующие задачи:
• разработка требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД;
• исследования принципов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;
• разработка критериев оценки эффективности совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;
• разработка алгоритмов маршрутизации с учетом необходимости выполнения требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;
• проводится моделирование совмещенной сети с использованием компьютерной модели для подтверждения полученных результатов.
Методы исследования. В работе использованы методы теории множеств, теории алгоритмов, теории графов, теории телетрафика, теории планирования эксперимента и теория моделирования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции: Научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения д.т.н, профессора И. С. Гоноровского. Москва, 19 апреля 2007 г.
По теме диссертации опубликовано 4 научные работы [1, 9, 10, 25]. В первой главе рассматриваются проблемы передачи данных в сетях сотовой связи и БШД, особенности их функционирования. Сформулированы проблемы дальнейшего развития ССС и БШД в направлении увеличения емкости сети и скорости передачи данных. Показана неэффективность применения традиционных способов повышения емкости и скорости передачи данных. Рассматриваются существующие способы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД. Приводится обзор сетей БШД на основе топологии mesh, их преимущества и недостатки по сравнению с традиционными сетями БШД. Анализируются существующие алгоритмы маршрутизации трафика в mesh-сетях с точки зрения возможности их применения в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Выявленные недостатки обобщаются, по результатам их анализа показано, что на сегодняшний день, с помощью существующих алгоритмов маршрутизации, задача построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh практически не решается. Обосновывается актуальность задачи оптимизации использования ресурсов mesh-сетей и делается вывод о необходимости разработки новых алгоритмов маршрутизации трафика в mesh-сетях для эффективного использования ресурсов при построении совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
На основании проведенного анализа способов повышения емкости и скорости передачи данных в ССС, а также способов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД, существующего алгоритмического обеспечения для маршрутизации в mesh-сетях, формулируются цели и задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассматривается задача построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Делается вывод об отсутствии интегрального показателя эффективности совмещенной сети сотовой связи и БШД. Для решения задачи сравнения эффективности с точки зрения выполнения набора приложений (передача речевых сообщений, видео в реальном времени, файлов большого объема и т. д.) для различных по своей структуре сетей беспроводной связи предлагается использовать интегральный показатель эффективности на основании общих показателей с различным весом. На его основе разрабатываются требования к совмещенной ССС и БШД (возможность динамического перераспределения ресурсов сети, высокий уровень ключевых показателей эффективности, прозрачный горизонтальный хендовер, бесшовный межсетевой хендовер, двусторонняя проверка безопасности передачи сообщений). Сформулированы требования к mesh-cera для построения совмещенной сети сотовой связи и БШД. По результатам исследований предлагаются принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh, приводится анализ основных ее характеристик.
Для исследования характеристик каналов связи предлагается использование теории графов, приводится описание ключевых метрик для обоснования веса ребер графа. На основании теории графов предлагается модель mesh-сети с учетом необходимости выполнения требований к совмещенной ССС и БШД. На основании исследования характеристик совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с разделением маршрутов для разных направлений передачи трафика показана целесообразность применения разделяющихся маршрутов в совмещенной сети и создание соответствующих алгоритмов маршрутизации. Предлагается использование параллельных маршрутов и узлов mesh-сети с использованием антенн с коммутируемой диаграммой направленности с целью повышения ключевых показателей эффективности mesh-сети, а также варианты реализации данных решений в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
В третьей главе рассматриваются вопросы реализации алгоритмов маршрутизации в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Для проверки выполнения условий функционирования алгоритма применяются упрощенные математические модели mesh-сети, позволяющие провести оценку эффективности сети на основании предложенного интегрального показателя эффективности.
Рассмотрены два подхода к определению пропускной способности беспроводной сети на основе протокольной и физической модели.
Протокольная модель описывает ситуацию, когда для успешного обмена данными, расстояние между узлами меньше или равно расстоянию до других узлов плюс защитный интервал.
Физическая модель основана на сравнении отношения С/Ш для заданной пары узлов с пороговым значением С/Ш радиолинии для передачи данных при заданной пропускной способности W.
Проведено исследование алгоритма поиска совокупности маршрутов произвольной длины, предусматривающего наличие п-мерной матрицы совместности маршрутов для определения совместности данного маршрута не только для одинаковой, но и для произвольной длины маршрутов. Вычисление ключевых показателей эффективности (КПЭ) производится для случая протокольной модели, т.к. в данном случае не осуществляется оценка качества каналов связи. Рассмотрен случай разделения маршрутов, когда передача данных одновременно по нескольким маршрутам произвольной длины позволяет обеспечить лучшие значения КПЭ, чем в случае одного маршрута.
Преимуществом данного алгоритма является возможность наиболее полного использования ресурсов сети — пропускной способности каналов связи. Алгоритм позволяет получить комбинацию маршрутов различной длины, построение которых возможно совместно, таким образом, повышается использование доступных ресурсы сети. Алгоритм не ограничивается нахождением совокупности маршрутов, позволяющих реализовать минимальный требуемый уровень качества обслуживания, но позволяет предоставить максимально возможное качество. Реализация данного алгоритма достаточна ресурсоемкая, т.к. требует построения п-мерной матрицы совместности маршрутов для реализации функции поиска совместных маршрутов произвольной длины. Кроме того, алгоритм не предусматривает работу нескольких пользователей одновременно и не рассматривает возможности управлении емкостью сети.
С целью реализации возможности применения антенн с коммутируемой ДН в шезЬ-сети в рамках совмещенной сети сотовой связи и БШД, разработан алгоритм маршрутизации трафика в тезЬ-сети. В результате применения антенн с коммутируемой ДН появляются дополнительные линии связи, наличие которых фиксируется в матрице смежности и матрице инцидентности, а также меняются характеристики каналов связи, что находит свое отражение в изменении значения соответствующего вектора AL (ij) (capacity). При этом, для вычисления пропускной способности mesh-сети применяется физическая модель.
Преимуществом данного алгоритма является возможность динамического перераспределения емкости сети. В зависимости от текущих потребностей в передаче данных, формируются дополнительные каналы связи на основе соединений между узлами с антеннами с коммутируемой ДН. После перераспределения потребностей в передаче данных на другой участок сети, алгоритм автоматически при следующем обращении перераспределит каналы связи для обеспечения максимально возможного показателя эффективности сети.
В результате анализа работы разработанных алгоритмов на основе сравнения пропускной способности mesh-сетей с маршрутизацией согласно предложенных и существующих алгоритмов для единичной пропускной способности между двумя узлами, показано, что суммарная пропускная способность возрастает уже при разделении передачи данных по трем маршрутам. При этом достигается повышение суммарной пропускной способности до 22%, а при разделении на пять маршрутов до 204%.
На практике следует ожидать более низких показателей повышения пропускной способности канала из-за возникновения дополнительных негативных факторов, как-то отсутствие возможности разделить передачу данных на соответствующее количество равноценных дополнительных каналов, ограниченность радиочастотного спектра, необходимость проводить дополнительные операции по разделению трафика передачи данных.
Таким образом, предложенные алгоритмы позволяют значительно повысить показатели эффективности совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
На основании предложенных алгоритмов реализуются протоколы маршрутизации в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
В четвертой главе приводятся результаты моделирования совмещенной ССС и БШД на основе топологии mesh в различных вариантах ее реализации. Моделирование выполняется в среде имитационного моделирования NCTUNS 6.0.
За основу принята регулярная структура mesh-сети, в которой 9 базовых станций расположены на расстоянии 200 метров друг от друга, что практически соответствует плотности покрытия в городских условиях.
Сеть сотовой связи состоит из базовой станции стандарта GSM 900, соединенной посредством контроллера и маршрутизатора с базовой станцией сети. В результате моделирования экспериментально подтверждена возможность создания совмещенной сети сотовой связи и БШД на базе топологии mesh. Полученная скорость передачи данных соответствует реально достижимой в данных сетях.
Основные положения, выносимые на защиту:
• Принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
• Алгоритм управления маршрутизацией трафика с разделением маршрутов по направлениям передачи данных.
• Алгоритм управления маршрутизацией трафика в случае использование антенн с коммутируемой диаграммой направленности.
• Модель функционирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
• Результаты моделирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.
1. Разработана модель совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с использованием системы имитационного моделирования NCTUNS 6.0. Модель содержит девять базовых станций mesh-сети, два мобильных терминала mesh-сети, базовую станцию сотовой связи, два мобильных терминала сотовой связи.
2. Разработаны структурная схема базовой станции mesh-сети и сети сотовой связи в рамках модели совмещенной сети.
3. Проведено имитационное моделирование работы передачи данных в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Результаты моделирования подтверждают основные положения диссертационной работы.
4. По результатам моделирования сделаны выводы о возможности применения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh для организации backhaul транспортной сети в сетях LTE и LTE Advanced.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертационная работа посвящена исследованию совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
Об актуальности создания совмещенной сети для передачи данных говорится в первой главе. Следует отметить, что задачи, решаемые с помощью совмещенной сети сотовой связи и БШД ни в чем не уступают по сложности и требованиям задачам, которые ставятся перед современными беспроводными сетями. С развитием информационных технологий возрастает роль беспроводной передачи данных, как универсального средства доступа в интернет. Растущее с каждым днем количество пользовательских приложений, требующих обмена данными с Интернет, обуславливает как рост трафика, так и его диверсификацию, формируя новые требования к показателям эффективности беспроводных сетей передачи данных. При этом возрастают вычислительные мощности процессоров управления, открывая новые возможности для управления сетью на основе математически просчитанной модели с использованием специальных алгоритмов маршрутизации трафика.
Для решения задачи построения совмещенной сети сотовой связи и БШД, работа разбита на три этапа. На первом этапе, во второй главе, сформулированы требования к совмещенной сети сотовой связи и БШД. Определены ключевые показатели эффективности совмещенной сети, предложен интегральный показатель эффективности. На основе требований предложена структурная схема совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Показана целесообразность применения mesh-сети в качестве транспортной backhaul-сети в совмещенной сети сотовой связи и БШД. Сформулирована задача разработки алгоритмов маршрутизации трафика с поддержкой качества обслуживания для разделения маршрутов. Предложено применение антенн с коммутируемой ДН для динамического перераспределения емкости mesh-сети.
На втором этапе, в третьей главе, предложена математическая модель оценки максимального уровня обслуживания и максимальной длины маршрутов в совмещенной сети сотовой связи и БШД. Разработан алгоритм маршрутизации трафика для минимально достаточного количества маршрутов в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. В качестве развития данного алгоритма предложен алгоритм определения совокупности маршрутов произвольной длины. Для реализации mesh-cera с применением антенн с коммутируемой ДН разработан соответствующий алгоритм. В завершение второго этапа проведен анализ разработанных алгоритмов. Показано, что скорость передачи данных в случае маршрутизации трафика с поддержкой разделения маршрутов теоретически на 25% больше скорости передачи данных по лучшему маршрута для каждого дополнительного маршрута при трех и более маршрутов.
На третьем этапе, в четвертой главе, разработана компьютерная модель совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с применением системы имитационного моделирования NCTUNS 6.0. Полученные ранее результаты практически подтверждены с применением компьютерного моделирования. Модификацией модели является модель с применением антенн с коммутируемой ДН. В результате получены экспериментальные значения скорости передачи данных для сотовой связи и сети БШД.
Таким образом, полученные в результате работы результаты обладают высокой научно-практической ценностью, актуальностью и могут с успехом применяться в области телекоммуникаций.