Совмещенная сеть сотовой связи и беспроводной широкополосной передачи данных на основе топологии mesh

Настасин, Кирилл Сергеевич

Системы, сети и устройства телекоммуникаций

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Совмещенная сеть сотовой связи и беспроводной широкополосной передачи данных на основе топологии mesh

кандидата технических наук: Настасин, Кирилл Сергеевич
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.12.13

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Совмещенная сеть сотовой связи и беспроводной широкополосной передачи данных на основе топологии mesh»

Автореферат диссертации по теме "Совмещенная сеть сотовой связи и беспроводной широкополосной передачи данных на основе топологии mesh"

005009t>^

На правах рукописи

Настасин Кирилл Сергеевич

СОВМЕЩЕННАЯ СЕТЬ СОТОВОЙ СВЯЗИ И БЕСПРОВОДНОЙ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ТОПОЛОГИИ MESH

Специальность 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

2 6 ЯНВ 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

005009540

Работа выполнена на кафедре «Средства связи с подвижными объектами» Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Громаков Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, с.н.с. Скородумов Андрей Иванович кандидат технических наук Голышко Александр Викторович

Ведущая организация:

ОАО «Интеллект Телеком»

Защита диссертации состоится " 'р^лллу* 2012 г. в асов на

заседании диссертационного совета Д 212.125.02 в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан

" IV' Я'^су,

2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.02, к.т.н, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. 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. Уровень проникновения сотовой связи в Российской Федерации в 2011г превысил 160%, а доля пользователей беспроводного широкополосного доступа в мире - 20%.

Современные сети сотовой связи (ССС) характеризуются большой зоной покрытия, высоким качеством передачи речевых сообщений, возможностью доступа в Интернет.

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 радионтерфейса, связанных с условиями распространения радиоволн.

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

Развитие сетей БШД связывают с системами, основанными на ортогональном частотном уплотнении каналов OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), используемом например, в стандартах 802.1 la/g/n {WiFi), 802.16 (WIMAX) и 802.20 (MBWA).

В ближайшие годы еще будет успешно функционировать GSM, параллельно будут развиваться UMTS, а их возможности в условиях ограниченной мобильности будут расширять WiFi и WiMAX. В 2012-2014

годах в коммерческую эксплуатацию должны войти сети на основе технологии LTE, которые могут обеспечить скорость передачи данных до 300 Мбит/с.

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 в ТС, на транспортных сетях приведены в таблице 1.

Таблица 1.

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 $15000-20000 $8000-10000 (организация + год аренды) $20000-25000 $1000-$5000

Наличие доп. услуг Нет Нет Нет Да

Преимущества систем БШД определяют перспективность их использования для построения ТС в сотовой связи. Использование сетей БШД значительно сокращает время строительства ТС и создает более гибкую структуру сети связи, адаптивную к различным стандартам сотовой связи.

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 сетей 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.

В качестве топологии 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.

Необходимо отметить, что применение в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh существующих алгоритмов и протоколов маршрутизации трафика не представляется рациональным, т.к. они не учитывают особенности совмещения сетей и требования к предоставлению и качеству услуг. Следовательно, актуальна задача разработки новых алгоритмов маршрутизации трафика для совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

разработка структуры совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh, создание алгоритма маршрутизации трафика 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:

1. разработка требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД;

2. исследование принципов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;

3. разработка критериев оценки эффективности совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;

4. разработка алгоритмов маршрутизации трафика с учетом необходимости выполнения требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;

5. 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.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. сформулированы принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

2. разработан алгоритм управления маршрутизацией трафика с разделением маршрутов по направлениям передачи данных.

3. разработан алгоритм управления маршрутизацией трафика в случае использование антенн с коммутируемой ДН.

4. разработана модель функционирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

5. по результатам имитационного моделирования получена количественная оценка показателей эффективности совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке принципов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh, позволяющих снизить затраты на создание транспортной backhaul сети для подключения базовых станций сотовой связи и БШД, разработке алгоритмов управления маршрутизацией трафика с разделением маршрутов по направлениям передачи данных, позволяющих увеличить пропускную способность mesh-cera за счет адаптивного механизма выбора маршрутов, а также алгоритма управления маршрутизацией трафика в случае использование антенн с коммутируемой ДН, позволяющего повысить эффективность mesh-cera за счет формирования дополнительных каналов передачи данных в наиболее загруженных направлениях.

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные результаты работы были использованы ОАО «Мобильные ТелеСистемы» и ОАО «Интеллект Телеком» при разработке и внедрении перспективных сетей сотовой связи и БШД.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением расчетных показателей эффективности совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с результатами эксперимента с использованием системы имитационного моделирования NCTUNS 6.0.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н, профессора И. С. Гоноровского. Москва, 19 апреля 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы [1, 2, 3, 4], в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1заявка на изобретение (№2009149054/09; приоритет от 30.12.2009).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

2. Алгоритм управления маршрутизацией трафика с разделением маршрутов по направлениям передачи данных.

3. Алгоритм управления маршрутизацией трафика в случае использование антенн с коммутируемой ДН.

4. Модель функционирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

5. Результаты моделирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 117 машинописных листах и состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Иллюстративный материал включает 30 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 73 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, направленного на создание совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Сформулированы цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлена структура диссертации.

В первой главе рассматриваются особенности построения сетей сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа. Приведены недостатки традиционных сетей беспроводной связи. Показано, что развитие сетей сотовой связи происходит в направлении повышения скорости передачи данных за счет увеличения рабочей полосы частот. В условиях ограниченного частотного ресурса наблюдается тенденция смещения сетей сотовой связи в область более высоких частот (рис. 1).

Одной из основных проблем развития сотовой связи становится необходимость развития транспортной сети для увеличения плотности

размещения базовых станций сотовой связи. На помощь приходят сети БШД, обеспечивающие высокую скорость передачи данных в условиях ограниченной мобильности. Анализируются известные способы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе технологий IMS (IP Multimedia System), рис.2 и UMA (Unlicensed Mobile Access), рис. 3.

Частота МГц Радиус соты (км) Площадь соты (км) Отношение площадей (450) Отношение площадей (450)

450 50 7850 1.0 0.3

850 30 2826 2.8 0.8

950 27 2289 3.4 1.0

1800 14 615 12.8 3.7

1900 13.3 555 14.2 4.1

2100 12 452 17.4 5.1

Рис.1 Зоны покрытия CCC.

I 1 мост

-......

vcc

I vm»c j 1 emc

Cimqt Swtdi Nrtwoik_

Рис. 2 Способ построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии IMS.

Рис. 3 Способ построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе технологии ЦМА.

Технологии IMS и UMA предлагают два подхода к формированию интегрированной сети сотовой связи и БШД. По существу IMS - это платформа для доставки сервисов, в то время как UMA - это технология, предусматривающая применение нового способа доступа (WLAN). Тем не менее, ни один из этих подходов не решает задачу построения совмещенной сети. Необходим новый подход к решению данной задачи.

Главным преимуществом mesh-сетей по сравнению с -известными сетями, например, PmP (Point-to-Multipoint) является возможность развертывания ограниченного 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 оператору осуществить расширение зоны покрытия. При этом функции ТАР могут быть совмещены, например, транзитная точка доступа может также одновременно являться конечной точкой доступа для пользователя сети. В случае отказа одной или нескольких ТАР, трафик будет автоматически перенаправлен на другие ТАР. Таким образом, повышается надежность mesh-сети.

Формулируются проблемы дальнейшего развития сетей ССС и БШД в направлении увеличения емкости сети и скорости передачи данных.

Возникает задача выбора протоколов маршрутизации трафика для совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Основой для существующих алгоритмов маршрутизации трафика является топология сети и месторасположение ее узлов. Выделяют реактивные (например, AODV -Ad hoc On Demand Distance Vector, DSR - Dynamic Source Routing), проактивные (например, OLSR - Optimized Link State Routing Protocol, MR-LQSR - Multi Radio Link Quality Source Routing protocol) и гибридные (например, HWMP - Hybrid Wireless Mesh Protocol) протоколы маршрутизации трафика. В результате анализа известных алгоритмов показано, что они не приспособлены для маршрутизации трафика в совмещенной сети сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа на основе топологии mesh, а

применяемые метрики не позволяют принимать решение о выборе маршрута на основании ключевых показателей эффективности беспроводных сетей связи. Сделан вывод о том, что на сегодняшний день, с помощью существующих алгоритмов маршрутизации трафика, задача построения совмещенной сети сотовой связи и БЩЦ на основе топологии mesh не решается. Необходима разработка новых алгоритмов маршрутизации трафика в mesh-сетях для эффективного использования ресурсов при построении сетей ССС и БШД на основе топологии mesh.

Результаты работы совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh могут быть подтверждены с помощью имитационного моделирования. В работе приведен обзор существующих систем имитационного моделирования (таблица 2).

В результате сравнительного анализа для подтверждения полученных результатов выбрана система имитационного моделирования NCTUNS 6.0.

Таблица 2.

Система моделирования Immunes NS-2 NCTUns DESMO-J deX

ОБ FreeBSD FreeBSD, Linux, Solaris Linux Windows Linux, Unix

Открытый код Нет Да Да Да Да

Плата за использование Нет Нет Нет Нет Нет

Дискретное/непрер ывное модулирование Дискретное Дискретное Дискретное Дискретное Дискретное

Включенные библиотеки Virtual ethernet, ptp FrameRelay, RIP, OSPF Большое количество Большое количество Отсутствуют Большое количество

Симуляция Да Да Да Да Да

Во второй главе рассматривается задача построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

Задача формирования концепции построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh включает в себя необходимость определения условий межсетевого взаимодействия. Авторами

публикаций последних лет предлагаются следующие требования к современным сетям беспроводной связи: взаимодействие с Интернетом, высокая спектральная эффективность радиоинтерфейса, высокая надежность, мобильность, низкая стоимость. При этом критериями спектральной эффективности, являются:

• минимизация площади территории (зон перекрытия), на которой существуют интерференционные помехи, сопоставимые по мощности с мощностью сигнала;

• не превышение уровнем помех заданной величины на всей территории системы радиосвязи;

• комплексный критерий, который учитывает нагрузку на каналы связи, разнесенных во времени и пространстве выбранных групп частот, количественно выраженный в виде вероятности потерь при заданном качестве обслуживания.

Таким образом, совмещенная сеть сотовой связи и БШД должна удовлетворять предъявленным выше требованиям, а синергетический эффект от совмещения сетей должен определяться повышением ключевых показателей эффективности (КПЭ) каждой сети.

С целью оценки эффективности построения совмещенной сети сотовой связи и БШД предложен интегральный показатель эффективности как совокупность взвешенных ключевых показателей, характеризующих работу сети, учитывающий максимальную скорость передачи данных на абонента при фиксированной зоне обслуживания, максимальную пропускную способность на точку доступа, количество абонентов с гарантированной пропускной способностью не ниже Мт_Й1Г01щЬри1 при заданной вероятности отказа в обслуживании, ширину полосу радиочастотного спектра, стоимость сетевой инфраструктуры:

(а| ■ С(5) + Ы • ВТ5_сарас11>' /с! ■ Цаег (Мт_Птои ¡>ЬрШ, Р,,,.,)4]

где С (S)[M6ht/c] - максимальная удельная скорость передачи данных на одного абонента при фиксированной зоне обслуживания S; BTS capacity [Мбит/с] - максимальная пропускная способность на точку доступа (базовую станцию); User (Min_throuhgput, Р0|к) [абонент] - количество абонентов на точку доступа с гарантированной пропускной способностью не ниже Minjhroughput при вероятности отказа в обслуживании не выше Р01|,; F [Гц] - ширина рабочей полосы частот; стоимость сетевой инфраструктуры R[py6]; al, bl, cl - весовые коэффициенты.

Интегральный показатель эффективности совмещенной сети является критерием, определяющим выбор принципов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД для обеспечения максимальной скорости передачи данных абоненту в выделенной полосе частот F, максимальной пропускной способности точки доступа, количества обслуживаемых абонентов при заданной вероятности отказа в обслуживании с использованием возможности динамического перераспределения ресурсов сети, прозрачного горизонтального хендовера, бесшовного межсетевого хендовера, двусторонней проверки безопасности передачи данных и т.д.

По результатам исследований сформулированы принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh (возможность динамического перераспределения ресурсов сети, прозрачный горизонтальный хендовер, бесшовный межсетевой хендовер, двусторонняя проверка безопасности передачи сообщений).

Структурная схема совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh представлена на рис. 4.

Для исследования характеристик каналов связи предлагается использование теории графов, приводится описание ключевых метрик для обоснования веса ребер графа. Канал связи представлен в виде вектор AL(i j) (capacity - пропускная способность канала [Мбит/с], delay - задержка передачи пакетов, [с], reliability- надежность передачи данных в канале, costs- стоимость передачи единицы данных в канале [руб]).

Транспортная , сеть /

Интернет

Рис. 4 Структурная схема совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе

топологии mesh.

В результате исследования характеристик совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с разделением маршрутов для разных направлений передачи трафика (рис. 5) показана целесообразность применения разделяющихся маршрутов в совмещенной сети и создание соответствующих алгоритмов маршрутизации трафика.

Для решения задачи обеспечения необходимого качества обслуживания в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh в условиях ограничения пропускной способности mesh-cera на отдельных участках предложено использование параллельных маршрутов и узлов mesh-сети с антеннами с коммутируемой ДН (рис. 6).

В третьей главе рассматриваются вопросы реализации алгоритмов маршрутизации трафика в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Для проверки выполнения условий функционирования алгоритмов целесообразно использовать упрощенные математические модели mesh-сети, позволяющие провести оценку эффективности сети на основании предложенного интегрального показателя эффективности.

Рис.5 Совмещенная сеть сотовой связи Рис.6 Совмещенная сеть сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с и БШД на основе топологии mesh с разделением маршрутов для разных использованием антенн с направлений передачи трафика. коммутируемой ДН.

Оценка пропускной способности проводится с учетом предположения того, что расположение узлов сети, направление трафика, скорость передачи данных между узлами заранее известны. Рассмотрим случай успешной передачи данных между двумя узлами сети. Обозначим Xs - узел сети с номером s и соответствующим местоположением. Рассмотриваются два подхода к определению пропускной способности сети: на основе протокольной модели и физической модели.

Протокольная модель mesh-сети описывает ситуацию, когда для успешного обмена данными, расстояние между узлами меньше или равно расстоянию до других узлов, плюс защитный интервал.

Введем понятие дистанционной пропускной способность сети АД

[бит-м/с].

Верхняя граница дистанционной пропускной способности для расчетов с использованием протокольной модели составляет:

где п - количество узлов, через которые передаются данные; А. -

пропускная способность между двумя узлами сети при прохождении трафика по маршруту длиной п [Мбит/с]; XV - пропускная способность радиоинтерфейса

[Мбит/с]; ¡- - среднее расстояние между начальным и конечным узлом [м]; Л -константа, определяющая защитный интервал для предотвращения взаимных помех между узлами сети.

сигнал/шум С/Ш для заданной пары узлов с пороговым значением С/Ш радиолинии для передачи данных при заданной пропускной способности XV. При этом неравенство, определяющее пропускную способность тевИ-сети для физической модели имеет вид:

с заданной пропускной способностью радиоинтерфейса а - константа, описывающая характер распространения радиоволн в окружающей среде.

топологии mesh является географическое совмещение узлов mesh-cera и базовых станций сети сотовой связи в местах расположения последних. Топология сети сотовой связи не может быть нарушена в силу особенностей сотовой связи, в тоже время отсутствуют жесткие требования к расположению узлов mesh-cera. Для сетей сотовой связи характерна регулярная топология с равномерным пространственным распределением базовых станций. Геометрическое расположение базовых станций зависит от применяемого фактора повторного использования частот N. Наиболее часто применяют N = 3, 4, 7, 9. При этом, как правило, применяется шестиугольная геометрия соты,

Физическая модель mesh-cera основана на сравнении отношения

где Р - пороговое отношение С/Ш в радиолинии для передачи данных

Особенностью совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе

причем каждый узел теБЬ-сети, совмещенный с базовой станцией сети сотовой связи, будет находиться в кластере из семи сот, с соседними узлами шезЬ-сети может быть организовано до шести каналов связи. Следовательно, степень вершин графа будет меньше или равна 6, а применительно к матрице смежности это означает, что каждая строка и столбец матрицы смежности будут содержать максимум б ненулевых значений.

Задача поиска маршрутов на основании матрицы смежности хорошо изучена и решается с помощью методов дискретной математики.

Для выполнения математических операций при определении оптимальных маршрутов с вектором АЫ^ по аналогии с методом Шимбелла, применяемым для одномерных векторов длины пути, обладающим аддитивными свойствами, вводятся специальные операции для элементов вектора АЬу.

Для нахождения маршрута из ТАР1 в ТАР] известны алгоритмы поиска маршрутов, например алгоритм Дейкстры поиска кратчайших маршрутов из вершины. Данный алгоритм основан на «поиске в ширину», т.е. на последовательном анализе расстояний до всех соседних вершин, затем до вершин, соседних им и т.д. Данный алгоритм позволяет найти кратчайший маршрут из вершины ТАР1 в ТАР]. Вместе с тем, в условиях совмещенной сети сотовой связи и БШД данный алгоритм маршрутизации трафика представляется неэффективным, так как на основании данного алгоритма не реализуются протоколы маршрутизации трафика с учетом необходимости обеспечения уровня обслуживания (¡»оБ путем разделения маршрутов или увеличения связности сети с применением антенн с коммутируемой ДН.

Алгоритм поиска совокупности маршрутов произвольной длины предусматривает наличие п-мерной матрицы совместности маршрутов для определения возможности одновременной передачи данных по маршрутам произвольной длины. Задача формирования совокупности маршрутов произвольной длины решается с учетом проверки совместности маршрутов с помощью п-мерной матрицы совместности. Вычисление пропускной

способности шеБЬ-сети производится для случая протокольной модели, так как в данном случае не осуществляется оценка качества каналов связи. Рассмотрим случай разделения маршрутов, когда передача данных одновременно по нескольким маршрутам произвольной длины позволяет повысить пропускную способность по сравнению со случаем одного маршрута. Блок - схема алгоритма определения совокупности маршрутов произвольной длины представлена на рис. 7.

^ Начало^

Получение запроса на предоставление обслуживание ЯОоБ

7 о

® / Маршрут не 7 /Маршрут / / Маршрут //О.

/ существует / / найден / Ч_/7 не найден /

® Да

да ©

Обновление таблиц

соседей тевИ-сети

БОовМа х=0

маршрутов длины п

| п=п*1 I @

Проверка совместности маршрутов длины пгои1е, выделение совместных маршрутов 8го1Ле(1-г) .оценка суммарного ЭОоЗ

Рис.7 Блок- схема алгоритма определения совокупности 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 mesh-сети в рамках совмещенной сети сотовой связи и БШД, разработан алгоритм маршрутизации трафика в mesh-сети. В результате применения антенн с коммутируемой ДН появляются дополнительные линии связи, наличие которых фиксируется в матрице смежности и матрице инцидентности. Кроме того, в результате применения антенн с коммутируемой ДН меняются характеристики каналов связи, что находит свое отражение в изменении значения соответствующего вектора AL(i,j) (capacity). При этом, для вычисления пропускной способности используется физическая модель. Укрупненная схема алгоритма маршрутизации трафика в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с применением антенн с коммутируемой ДН показана на рис.8.

Преимуществом данного алгоритма является возможность применения динамического перераспределения емкости сети. В зависимости от текущих потребностей в передаче данных, формируются дополнительные каналы связи 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.

Получение запроса на предоставление обслуживание ЯОоЗ

Составление матрицы смежности гтюБИ-сети с учетом дополнительных связей, определение птах

Гп=1, БОоЭМах^О I

О ©

Формирование маршрутов

длины л, проверка совместности маршрутов, оценка суммарного БОаБ

|БС!о5Ма» ^БОоЗ | (?)

I п=п*1 I @

Рис. 8 Схема алгоритма маршрутизации трафика в сетях БШД с применением антенн с коммутируемой ДН.

В результате анализа разработанных алгоритмов на основе сравнения пропускной способности теБЬ-сетей с маршрутизацией трафика 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 на 22%, а при разделении на 5 маршрутов на 204% (рис. 9).

На практике следует ожидать более низких показателей повышения

пропускной способности канала из-за отсутствия возможности разделить

передачу данных на соответствующее количество равноценных

дополнительных каналов, ограниченностью радиочастотного спектра и необходимостью проводить дополнительные операции по разделению трафика передачи данных.

250%

200%

150%

100%

11 маршрут

— 2 маршрута

— • -3 маршрута

---4 маршрута

...... 5 маршрутов

Рис.9 Пропускная способность сетей БШД на основе топологии mesh без разделения маршрутов и с разделением на минимально достаточное количество

маршрутов.

Таким образом, предложенные алгоритмы позволяют повысить пропускную способность совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

На основании предложенных алгоритмов реализуются протоколы маршрутизации трафика 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 базовых станций GSM 900, соединенных посредством контроллера и маршрутизатора с базовой станцией сети БШД на основе топологии mesh.

В зоне действия базовой станции сотовой связи находится 2 мобильных терминала сотовой связи. Для передачи данных по линии «вниз» выделено 6 TDMA кадров GSM. Визуальное изображение компьютерной модели совмещенной mcsh-сети представлено на рис .10.

а®

Е№ ЕЛ! Й_т«и И_Тм» flJSMUne ц.swung SimUMiw. У»* Hrto

< ■ А » -- .-■+«■ •■■•Ш*«Ш»М|> ** + II * »1 ■■■■. »»■ лш

lX* l L4tivi.* v г.* mm я ■

■ • » ** 1 /Л \«1ЧЧ 5£«i D Е R Р

а <а

I»

: ;

Ф L

1Г®

10 il -я—®

о яп .га вв ооо'

Рис. 10 Визуальное изображение компьютерной модели совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

Результаты моделирования представлены на рис. 11 и рис 12. Можно отметить, что в результате моделирования подтверждена возможность создания совмещенной сети сотовой связи и БШД на базе топологии mesh. Полученная скорость передачи данных соответствует реально достижимой в данных сетях.

Рис. 11 Скорость передачи данных мобильного терминала сети БШД совмещенной сети сотовой связи и БШД на базе топологии mesh по результатам моделирования.

0,025 0,02

0,05 u

0,045 £ to

0,04 s 0,035 0,03

— Downlinkl --Uplinkl

0,015 0,01 0,005

Рис.12 Скорость передачи данных мобильного терминала сотовой связи совмещенной сети сотовой связи и БШД на базе топологии mesh по результатам моделирования.

Основные результаты и выводы.

1. Рассмотрены принципы построения сетей сотовой связи и БШД, проведен сравнительный анализ их достоинств и недостатков, показаны преимущества построения совмещенной сети сотовой связи и БШД для увеличения пропускной способности.

2. Рассмотрены способы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД по технологии IMS и UMA. Показано, что использование традиционных способов построения совмещенной сети сотовой связи и БШД неэффективно

для построения единой взаимодополняющей сети. Обоснована необходимость разработки новых принципов построения совмещенной сети, удовлетворяющей требованиям к высокой скорости передачи данных при обеспечении требуемой надежности, мобильности, низкой стоимости, взаимодействию с Интернетом.

3. Сформулированы основные требования к совмещенной сети сотовой связи и БШД.

4. Исследованы принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Предложена и проанализирована структурная схема взаимодействия сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Показано, что совмещенная сеть сотовой связи и БШД на основе топологии mesh должна иметь возможность динамического перераспределения ресурсов сети, высокий показатель эффективности, поддерживать прозрачный горизонтальный хендовер, бесшовный межсетевой хендовер и обеспечивать высокий уровень информационной безопасности.

5. Разработан интегральный показатель эффективности, позволяющий провести комплексную оценку совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

6. Предложен алгоритм определения совокупности маршрутов произвольной длины в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

7. Предложен алгоритм маршрутизации трафика в совмещенных сетях сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с использованием разделения маршрутов для разных направлений передачи трафика.

8. Предложен алгоритм маршрутизации трафика в совмещенных сетях сотовой связи и БШД на основе динамического перераспределения емкости по направлениям передачи данных с применением антенн с коммутируемой ДН.

9. 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.

10. Проведено имитационное моделирование работы передачи данных в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh. Результаты моделирования подтверждают основные положения диссертационной работы.

11. По результатам моделирования сделан вывод о возможности применения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh для организации backhaul транспортной сети в сетях LTE и LTE Advanced.

Публикации по теме работы.

1. Громаков Ю.А. Настасин К.С. Исследование применения mesh-сети в современных системах беспроводного доступа. «Информационно-измерительные и управляющие системы», №11 г. М.: Радиотехника. 2007.

2. Заявка 2009149054 Российская Федерация, МПК A H04W80/00. Способ передачи данных в системе сотовой связи и система для его реализации. Громаков Ю.А. Настасин К.С. Родионов В.В. ; заявители Громаков Ю.А. Настасин К.С. Родионов В.В. ; пат. поверенный Багян Л.Г. - №2009149054/09 ; заявл. 30.12.2009 ; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19 ; приоритет 30.12.2009, Зс.

3. Настасин К.С., Родионов В.В. Особенности маршрутизации в совмещенной сети сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа. // Электронный журнал «Труды МАИ», 2011. - Вып. №49.

4. Громаков Ю.А. Родионов В.В. Настасин К.С. Способ повышения скорости передачи данных в сетях GSM на основе когнитивного радио. // Электросвязь - 2012 - № 1.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Настасин, Кирилл Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Проблемы передачи данных в сетях сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа.

1.1 Системы и сети передачи информации. Сети сотовой связи и БШД.

1.2 Недостатки традиционных сетей сотовой связи и актуальность задачи создания совмещенной сети сотовой связи и

1.2.1 Совмещенная сеть сотовой связи и БШД на основе технологии IMS.

1.2.2 Совмещенная сеть сотовой связи и БШД на основе технологии UMА.

1.2.3 Сравнительный анализ характеристик mesh-сетей с сетями БШД.

1.3 Определение актуальных направлений исследований в области построения и применения mesh-сетей.

1.4 Исследование проблемы ограничения пропускной способности mesh-сетей.

1.5 Сравнительный анализ алгоритмов маршрутизации трафика в mesh-сетях.

1.6 Программные средства для имитационного моделирования mesh-сетей.

1.7 Цели и задачи исследования.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Формирование совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

2.1 Ключевые показатели эффективности сетей сотовой связи и

БШД на основе топологии mesh.

2.2 Определение требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД.

2.3 Анализ структурной схемы совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

2.4 Исследование характеристик каналов связи совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

2.5 Исследование модели совмещенной сети сотовой связи и

БШД на основе топологии mesh.

2.6 Исследование характеристик совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с разделением маршрутов для разных направлений передачи трафика.

2.7 Исследование характеристик совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с динамическим перераспределением емкости с применением антенн с коммутируемой диаграммой направленности.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Реализация алгоритмов маршрутизации трафика.

3.1 Оценка максимального уровня качества обслуживания и максимально возможной длины маршрутов в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

3.2 Моделирование процессов функционирования и оптимизация пропускной способности каналов передачи данных совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии

3.3 Алгоритм маршрутизации трафика для минимально достаточного количества маршрутов в совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh с разделением маршрутов.

3.4 Алгоритм определения совокупности маршрутов произвольной длины.

3.5 Алгоритм маршрутизации трафика в сетях БШД с применением антенн с коммутируемой ДН.

3.6 Анализ разработанных алгоритмов.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Подтверждение полученных результатов.

4.1 Особенности программного комплекса NCTUNS.

4.2 Моделирование совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.

4.3 Применения полученных результатов в сетях сотовой связи

4G LTE advanced.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Введение 2011 год, диссертация по радиотехнике и связи, Настасин, Кирилл Сергеевич

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 2011г. 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 $15000-20000 $8000-10000 (организация + год аренды) $20000-25000 $1000-$5000

Наличие доп. услуг Нет Нет Нет Да

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.

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.

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.

Заключение диссертация на тему "Совмещенная сеть сотовой связи и беспроводной широкополосной передачи данных 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.

Библиография Настасин, Кирилл Сергеевич, диссертация по теме Системы, сети и устройства телекоммуникаций

2. International telecommunications union (ITU) Электронный ресурс.: содержит разделы и статьи, посвященные новостям Международного союза электросвязи Режим доступа: http://www.itu.int/newsroom , свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

3. MForum Analytics Электронный ресурс.: содержит разделы и статьи, посвященные сотовой связи; мобильным телефонам Режим доступа: http://www.mforum.ru , свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

4. Vijay К. Garg, Joseph Е. Wilkes Principles & Applications of GSM.Prentice-Hall Inc.l999-486c.

5. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Радио и связь. 1996. 239с.

6. Громаков Ю.А. Концепция развития мобильной и беспроводной связи общего пользования. «Электросвязь» № 12 г. Москва Электросвязь 2008.

7. Заявка 2009149054 Российская Федерация, МПК A H04W80/00. Способ передачи данных в системе сотовой связи и система для его реализации Текст. Громаков Ю.А. Настасин К.С. Родионов В.В. ; заявители Громаков Ю.А.

8. Настасин K.C. Родионов В.В. ; пат. поверенный Багян Л.Г. №2009149054/09 ; заявл. 30.12.2009 ; опубл. 10.07.2011, Бюл. №19 ; приоритет 30.12.2009, Зс.

9. Громаков Ю.А. Родионов В.В. Настасин К.С. Способ повышения скорости передачи данных в сетях GSM на основе когнитивного радио. // Электросвязь 2012 - № 1.

10. Громаков Ю.А., Северин А.В., Шевцов В.А. Технологии определения местоположения в GSM и UMTS. M.: Эко-Трендз. 2005.-144с.

11. Rysavy Peter. Data capabilities: GPRS to HSDPA and beyond. Rysavy research. 1999. 62c.

12. Шахнович И. Стандарт IEEE 802.1 In уж скоро. Примирение непримиримых., «Электроника». №1 г. М: - Электроника:НТБ. 2006

13. Крылов Ю. Стандарт IEEE 802.1 In Решение от компании Metalink, «Электроника». №7 г. М: - Электроника:НТБ. 2006

14. Ljudmila Bakarajeva. Семейство стандартов IEEE 802.15 Bluetooth (IEEE 802.15.1). Infotehnoloogia teaduskond.Raadio- ja sidetehnika instituut Telekommunikatsiooni oppetool. Tallin. 2007. 23c.

15. Роман Подойницын. Андрей Сафронов. Многообразие в единстве. «Сети» № 17 г. М: Открытые системы. 2006.

16. IEEE Std IEEE 802.16-2004 (Revision of IEEE Std IEEE 802.16-2001). IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. IEEE, 1 October 2004

17. Bernhard H . Walke, Stefan Mangold, Lars Berleman. IEEE 802 Wireless systems. Protocols, Multi-hop mesh/Relaying, Performance and Spectrum Coexistence. John Willey and Sons , LTD. 2006-3 82c.

18. Hui Liu. Guoqing Li. OFDM-Based broadband wireless networks. John Willey & Sons Ltd. 2005 251c.

19. Yan Zhang, Jijun Luo, Honglin Hu. Wireless mesh networking. Architectures, Protocols and Standards. New York: Auerbach Publications. 2007 -610c.

20. Настасин K.C., Родионов B.B. Особенности маршрутизации в совмещенной сети сотовой связи и беспроводного широкополосного доступа. // Электронный журнал «Труды МАИ», 2011. Вып. №49.

21. Громаков Ю.А. Родионов В.В. Настасин К.С. Способ повышения скорости передачи данных в сетях GSM на основе когнитивного радио. // Электросвязь 2012 - № 1.

22. Н.А Важенин, В.А. Вейцель, А.С. Волковский и др.; Под ред. Р.Б. Мазепы. Радиосистемы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МАИ. 2002. - 568с.: ил.

23. Энциклопедия@Вгоас1са81:т§.ги Электронный ресурс.: содержит разделы и статьи посвященные телевидению, радиовещанию и печати; Режим доступа: http://www.broadcasting.ru , свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

24. William Webb. Wireless Communications. The Future. John Willey & Sons Ltd. 2007 252c.

25. ГОСТ P 50922-2006. Защита информации. Основные термины и определения.

26. Oezguer Oyman. Arogyaswami J. Paulraj. Leverages of Distributed MIMO Relaying: A Shannon-Theoretic Perspective. Information Systems Laboratory, Stantford University. 2005. 10c.

27. Тихвинский В.О. Терентьев С.В. Минаев И.В. Анализ эффективности использования спектра системами мобильной сотовой связи UMTS и LTE. «Мобильные телекоммуникации» №8 г. Москва.Профи-Пресс. 2008.

28. N. J. A. Sloane, Aaron D. Wyner. Claude E. Shannon: Collected Papers. Wiley-IEEE Press. 1993-968c.

29. Maxim Raya, Panos Papadimitratos, Jean- Pierre Hubaux. Securing Vehicular Communications. 1536-1284/06 IEEE Wireless communications.

30. Shih-Lin Wu, Yu-Chee Tseng. Wireless Ad hoc networking. Auerbach publications. New York. 2007 641c.

31. Zdenek Becvar. Jan Zelenka. Handovers in the mobile WIMAX. Research in Telecommunication Technology 2006. Brno. ISBN 80-214-3234-8.37.1an F. Akyildiz, Xudong Wang. A Survey on Wireless Mesh Networks. IEEE Radio Communications. September 2005. 43c.

32. Ramjee Prasad. OFDM for Wireless Communications Systems. Artech House, Inc. Boston. London. 2004. - 272c.

33. Salo G Glisic. Advanced Wireless Networks. 4G technologies. John Willey & Sons Ltd. 2006 860c.

34. Кормен, T., Лейзерсон Ч., Ривест P., Штайн, К. Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms / Под ред. И. В. Красикова. — 2-е изд. —М.: Вильяме, 2005. — 1296 с

35. Кремер А. Концепция информационной безопасности Сетей связи общего пользования Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации — 2-е изд. —М.: Вильяме, 2005. — 1296 с

36. Андерсон Джеймс А. Дискретная математика и комбинаторика. :Пер. с англ. М: Издательский дом «Вильяме», 2004. - 960с. :ил

37. J. Моу OSPF version 2.IETF Expérimental RFC 2178, April 1998.

38. J. P. Richard Draves and B. Zill, "Routing in multi-radio, multi-hop wireless mesh networks," MobiCom'04, 2004.

39. Иванов Б.Н. Дискретная математика. Алгоритмы и программы: Учебн. пособие/ Б. Н. Иванов М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003 -288с.: ил.

40. Вишневский В. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера .2003г- 512с.

41. Вишневский В., Лаконцев Д., Сафонов А., Шпилев С. Маршрутизация в широкополосных беспроводных mesh-сетях стандарта IEEE 802.11s «Электроника» №6 г. М.: Электроника НТБ 2008г.

42. Воскресенский Д.И. Гостюхин В.Л. Максимов В.М. Пономорев Л.И. Устройства СВЧ и антенны./Под. ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Радиотехника . 2006г. - 376с.:ил.

43. Строганова Е.П. Интеллектуальные антенны для сетей 3G. «Технологии и средства связи», №6 г. М.: Гротек. 2008.

44. Microsoft research Электронный ресурс.: содержит разделы и статьи посвященные разработкам компании Microsoft в области связи Режим доступа: https://research.microsoft.com/en-us/projects/mesh/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз., англ.

45. J. Tang, G. Xue, and W. Zhang, "Interference-aware Topology Control and QoS Routing in Multi-Channel Wireless Mesh Networks," Рабочие материалы конференции ACM MobiHoc. 2005.

46. David B. Johnson. Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Hosts. Proceedings of the Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, pp. 158-163, IEEE Computer Society, Santa Cruz, CA, December 1994.

47. Charles E. Perkins. Elizabeth M. Belding-Royer. Samir R. Das. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing. IETF Experimental RFC 3561, July 2003.

48. P. Jacquet, P. Muehlethaler. T. Clausen, A. Laouiti. A. Qayyum. L. Viennot. "Optimized Link State Routing Protocol for Ad hoc Networks," Proceedings of INMIC 2001, Pakistan 2001.

49. P. Bose. P. Morin. I. Stojmenovic. J. Urrutia. Routing with Guaranteed Delivery in Ad hoc Wireless Networks. ACM Wireless Networks vol. 7. no. 6. November 2001.

50. Brad Karp. H.T. Kung. GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks. Mobicom 2000. Boston. MA. August 2000.

51. Piyush Gupta. P.R. Kumar. The Capacity of Wireless Networks. IEEE Transactions on Infortation Theary, vol 46. NO. 2, March 2000.59.0сипов И.Е., MESH-сети: технологии, приложения, оборудование, Технологии и средства связи, №4, сентябрь октябрь, 2006.

52. Назаров А. Н. Сычев К. И. Модели и методы расчета показателей качества функцонирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. Красноярск: изд-во ООО «Поликом», 2010. - 389 е.: ил.

53. Ермаков С. М. Методы Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1971г.

54. Xiaobing Wu. Jiangchuan Liu. Guihai Chen. Analysis of Bottleneck Delay and Throughput in Wireless Mesh Networks. 1-4244-0507-6/06 IEEE

55. Joseph D. Camp and Edward W. Knightly The IEEE 802.11s extended service set mesh networking standard. Communicaions Magazine IEEE. Volume 46 issue 8 pp. 120-126 August 2008.

56. Farooq Anjum, Petros Mouchtaris. Security for Wireless Ad hoc networks. Jonh Willey and Sons, INC. 2007-247p.

57. Tim Leimueller, Elmar Schoch, Frank Kargl. Position Verification Approaches for Vehicular Ad Hoc Networks. 1536-1284/06 IEEE Wireless communications.

58. Голышко A.B. IMS: полезные рекомендации. «Connect» 2009 №5 - С.2.6.

59. Naouel Ben Salem Jean-Pierre Hubaux. A Fair Scheduling for Wireless Mesh Networks. First IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks (WiMesh 2005); 2005 September 26; Santa Clara; CA.

60. Крупнов A.E. Скородумов А.И. Перспективы формирования рынка услуг нового поколения и операторы виртуальных сетей подвижной связи. «Мобильные системы» 2005. №6. - С. 24-32.

61. S. Nelson and L. Kleinrock. Spatial TDMA: A Collision-Free Multihop Channel Access Protocol. IEEE Transactions on Commnuications, 33(9), 1985. '

62. A. Mishra. Security and quality of service in Ad hoc wireless networks. Cambribge University Press. 2008- 180p

63. Marc Mosko. J.J. Garcia-Luna-Aceves. Multipath Routing in Wireless Mesh Networks. First IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks (WiMesh 2005); 2005 September 26; Santa Clara; CA.

64. Шорин О. А. Методы оптимального распределения частотно-временного ресурса в системах подвижной радиосвязи : дис. д-ра. тех. наук : 05.12.13: защищена 23.06.2006 М: РГБ, 2006.- 351 с. : 71:06-5/394.

65. Голышко А.В. IMT: концепция развития мобильной связи будущего -«Радио» №2. С. 7-11.

Похожие работы

Радиотехника и связь
05.12.00