Качество обслуживания в сетях LTE

Стр 1 из 8Следующая ⇒

Содержание

Введение. 4

1. Основные теоретические сведения. 5

1.1 Общие сведения о стандарте LTE. 5

1.2 Радиоинтерфейс. 7

1.2.1 Нисходящий канал (Downlink) 7

1.2.2 Восходящий канал (Uplink) 9

1.3 Качество обслуживания в сетях LTE. 10

2. Моделирование. 14

2.1 Основные положения теории моделирования. 14

2.2 Определение цели моделирования. 15

2.3 Построение концептуальной модели. 15

2.3.1 Описание предметной области. 15

2.3.2 Классификация моделей. 16

2.4 Формализация модели. 17

2.4.1 Выбор вида модели. 17

2.4.2 Выбор системы имитационного моделирования. 19

2.5 MatLab. 21

2.5.1 Численные вычисления. 22

2.5.2 Анализ и визуализация данных. 22

2.5.3 Программирование и разработка алгоритмов. Язык MatLab. 23

2.6 Simulink. 24

2.6.1 Построение модели. 24

2.6.2 Выбор решателя. 24

2.6.3 Ключевые особенности Simulink. 25

2.7 LTE System Toolbox. 25

2.7.1 Верификация проекта. 26

2.7.2 Симуляция целостной системы.. 26

2.7.3 Ключевые особенности LTE System Toolbox. 27

3. Экспериментальная часть. 28

4. Расчётная часть. 41

4.1 Показатели качества цифровых каналов связи. 41

4.2 Расчёт показателей качества для многопозиционной модуляции. 42

4.3 Расчёт вероятности битовой ошибки в канале связи технологии LTE. 46

5. Безопасность жизнедеятельности. 51

5.1 Общий обзор вредных факторов. 51

5.2 Требования к монитору. 52

5.3 Правильная организация рабочего места. 53

5.4 Освещение рабочего места. 55

5.5 Требования к микроклимату. 56

5.6 Требования по электробезопасности. 57

5.7 Защита от шума. 58

5.8 Пожарная безопасность. 58

Заключение. 64

Приложение А.. 66

Введение

В нашем веке информационных технологий все сферы жизни развиваются с огромной скоростью. Концепция стремительного развития коснулась и телекоммуникационной сферы. Абоненты хотят получать большие скорости при передаче данных, иметь доступ ко всем существующим приложениям, используя всего одно мобильное устройство. Такие услуги и представляет беспроводная технология широкополосного доступа - LTE.

Однако, чем большее количество информации передаётся, тем больше вероятность получения ошибочных бит. Поэтому остро стоит вопрос повышения методов помехоустойчивости каналов связи.

Основным отличием стандарта LTE от предыдущих стандартов сетей связи является применение «плоской» более упрощённой IP-архитектуры, которая способствует уменьшению задержек при установленной Интернет - сессии. В стандарте LTE использовано два принципиально новых метода увеличения пропускной способности. Первый заключается в применении технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output), где передача и приём сигнала осуществляется одновременно через несколько передающих и приёмных антенн. Таким образом, повышается скорость передачи данных в беспроводных сетях. Второй метод заключается в применении OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) модуляции, использующей несколько поднесущих. Преимущество данного метода заключается также в том, что системы связи с LTE могут работать в отсутствии прямой видимости.

В настоящее время на телекоммуникационном рынке идёт борьба за клиентов, поэтому предоставление качественных услуг связи является весьма актуальным вопросом. Существующие работы подробно рассматривают методы повышения помехоустойчивости для каналов связи, использующих фазовую манипуляцию, однако материалов по исследованию квадратурной амплитудной модуляции недостаточно.

В дипломной работе проведено экспериментальное исследование помехоустойчивости канала связи технологии LTE с помощью программной реализации в среде MatLAB при различных уровнях отношения сигнал/шум.

Специфика технологии и обеспечение высоких скоростей передачи при использовании многопозиционной, уязвимой к помехам модуляции, делает проблему помехоустойчивости каналов связи весьма актуальной.

Целью дипломной работы является экспериментальное исследование каналов связи технологии LTE для выявления их помехоустойчивости при разных условиях.

Глава 1.Основные теоретические сведения

Общие сведения о стандарте LTE

LTE - это стандарт мобильной связи, разработанный консорциумом 3GPP. Он является усовершенствованием технологий мобильной передачи данных CDMA и UMTS, что и следует из его названия: Long Term Evolution, долговременная эволюция. Развитие сотовых сетей схематично представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Эволюция сетей сотовой связи

Услуги пакетной передачи данных по сетям сотовой связи впервые были предоставлены в рамках стандарта GSM, а точнее, его расширения GPRS (General Packet Radio Service). Дальнейшее свое развитие она получила в EDGE (Enhanced Dataratesfor GSM Evolution), использующем новую модуляцию 8PSK. Сети третьего поколения, представленные стандартами UMTS и IMT-MC, сохранили передачу голоса с коммутацией каналов, но существенно улучшили передачу пакетных данных: благодаря кодовому разделению каналов, сложным методам модуляции и использованию многоантенных систем, пиковая скорость в UMTS (HSPA+) достигает 42,2 Мбит/с.

LTE представляет собой следующий этап развития после сетей 3G (HSDPA, HSUPA, HSPA+), но к 4 поколению сотовой связи относится только LTE-Advanced, (начиная с Rel.10). Это связано с тем, что предыдущие релизы не полностью отвечают требованиям Международного союза электросвязи для сетей 4G (IMT-Advanced). Вся коммутация в сетях LTE - пакетная, для передачи голоса необходимо использование технологии передачи голоса по IP-сетям (VoIP).

Основные цели создания стандарта LTE и предъявляемые к нему требования:

- Уменьшение задержек установления соединения и передачи данных;

- Увеличение битовой скорости передачи данных, в том числе на границе зоны обслуживания;

- Увеличение спектральной эффективности, уменьшение стоимости передачи одного бита;

- Более гибкое использование спектра, как в новых, так и в существующих диапазонах частот;

- Упрощение архитектуры сети;

- Бесшовная передача обслуживания, в том числе между различными технологиями.

Данные цели достигаются использованием в LTE трех основных технологий – мультиплексирование посредством ортогональных несущих (OFDM), многоантенные системы MIMO и эволюционная системная архитектура (SAE) [1].

Как и во всех современных технологиях беспроводной связи, в LTE поддерживаются многоантенные системы (MIMO). Учитывая ориентацию этой технологии на максимально простые абонентские устройства, техника MIMO в LTE максимально упрощена. Стандарт рассматривает MIMO-схемы с одной, двумя и четырьмя передающими и приемными антеннами в различных сочетаниях [2]. В MIMO - системах есть два основных вида передачи – пространственное мультиплексирование и диверсифицированная передача. Первый режим означает, что каждый антенный канал транслирует независимый информационный поток. При этом сами каналы должны быть некоррелированными. Диверсифицированная передача означает, что несколько антенных каналов используются для передачи одного потока данных. Эта техника предназначена для борьбы с замираниями в радиоканале и направлена только на улучшение качества передачи в канале. На скорость передачи она влияет опосредованно, через повышение качества канала.

Архитектура сети LTE, получившая название SAE (System Architecture Evolution - Эволюция системной архитектуры) значительно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Схематично она изображена на рисунке 2. Основные отличия:

- упрощенная архитектура, новая, плоская модель;

- целиком построена на IP;

- обеспечивает большую пропускную способность на сети радиодоступа (RAN);

- обеспечивает меньшую задержку RAN;

- поддерживает мобильность между несколькими гетерогенными RAN (в том числе не-3GPP системы) [3].

Рисунок 2 - Структура сети стандарта LTE

Радиоинтерфейс

Нисходящий канал (Downlink)

Технология ортогонального частотного мультиплексирования OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) основана на формировании многочастотного сигнала, состоящего из множества поднесущих частот, отличающихся на величину ,выбранную из условия ортогональности сигналов на соседних поднесущих колебаниях. При формировании OFDM сигнала поток последовательных информационных символов длительностью разбивается на блоки, содержащие N символов. Далее блок последовательных информационных символов преобразуется в параллельный, в котором каждый из символов соответствует определенной поднесущей многочастотного сигнала. Причем при этом длительность символов увеличивается в N раз. Таким образом, суммарная ширина спектра многочастотного сигнала соответствует ширине спектра исходного последовательного сигнала.

Целью такого преобразования является защита от узкополосных помех (либо от частичных искажений спектра в результате переотражений и многолучевого распространения). Это достигается тем, что параллельные символы многочастотного сигнала представляют собой кодовое слово помехоустойчивого кода (например, кода Рида-Соломона), который позволяет их восстановить в случае ошибочного приема за счет искажений спектра. Частотно-временное представление OFDM сигнала представлено на рисунке 3. Преобразование сигнала из временной в частотную область обеспечивается дискретным преобразованием Фурье (DFT - Discrete Fourier Transform).

Рисунок 3 - Частотно-временное представление OFDM сигнала

Кроме того, преимущество OFDM заключается в уменьшении необходимого количества временных защитных интервалов. При последовательном сигнале защитные интервалы добавляются между каждыми символами, а при многочастотном – между группами символов (OFDM-символами).

Особенностями сигналов OFDM являются:

- Мультиплексирование несущих колебаний (называемых поднесущими), модулированных информационными символами по выбранному закону (QPSK, 16QAM, 64QAM);

- Поднесущие ортогональны (взаимная корреляционная функция равна нулю), или, по крайней мере, квазиортогональны (на практике);

- Каждый OFDM-символ имеет защитный временной интервал для исключения межсимвольной интерференции. Этот защитный интервал выбирается с учетом импульсной характеристики линии связи (физической среды распространения радиосигнала).

Принцип формирования OFDM-сигнала показан на рисунке 4 [4].

Рисунок 4 - Принцип формирования OFDM-сигнала

Восходящий канал (Uplink)

Особенностью линии «вниз» сети LTE является использование технологии множественного доступа SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) c одной несущей частотой и средней мощностью передачи PAPR. Исключение взаимного влияния пользователей достигается введением циклических префиксов и использованием эффективных эквалайзеров в приемных устройствах. Основная конфигурация антенн линии «вверх» при использовании MIMO предполагает использование двух передающих антенн на мобильном терминале и двух приемных антенн на базовой станции.

Рисунок 5 - Структурная схема передающего устройства SC-FDMA

В процессе модуляции OFDM в технологии множественного доступа SC-FDMA используется дискретное преобразование Фурье DFT (рисунок 5).


Рисунок 6а - Последовательный метод формирования OFDM поднесущих	Рисунок 6б - Смешанный метод формирования OFDM поднесущих

При формировании группового сигнала в линии «вверх» для каждого терминала решается, какая часть поднесущих используется (заполняется данными), а какая нет (заполняется «нулями»). Между каждыми выходами дискретного Фурье вставляется L-1 нулевых символов.

При последовательном распределении поднесущих L=1 (рисунок 6а), то есть между сигналами с выхода преобразователя DFT не вставляются нулевые поднесущие (L-1=0). При смешанном распределении (рисунок 6б), L>1 [4].

Качество обслуживания в сетях LTE

Концепция системы QoS для сетей UMTS мобильной связи 3-го поколения определена в спецификации TS 23.107, и используется также для сетей LTE 4-го поколения.

При разработке и внедрении системы качества обслуживания к атрибутам такой системы предъявляются следующие общие требования.

- Количество и значения атрибутов должны быть такими, чтобы обеспечить возможность многоуровневой градации пользователей.

- Использование механизма QoS не должно мешать политике эффективного использования радио-ресурсов, независимому развитию базовой сети и сети радиодоступа.

- Все атрибуты и их комбинации должны иметь однозначно определённые значения.

Исходя из перечисленных общих требований к качеству обслуживания, в спецификациях сформулированы конкретные технические требования, касающиеся набора параметров QoS.

- Механизмы QoS функционируют в рамках одноранговой (peertopeer) модели организации связи в границах “пользовательский терминал - сетевой шлюз”, обеспечивая взаимно-однозначное отображение между сетевыми услугами и внешними приложениями.

- Управление качеством обслуживания осуществляется на основе конечного, по возможности, минимального набора параметров QoS, поддерживающих эффективное использование радиоресурсов, а также ассиметричное функционирование сквозных каналов.

- Методы управления QoS реализуются на основе последовательных сессий, применительно к пакетной передачи данных, в том числе, к мультипотоковой передаче, когда несколько различных потоков имеют один и тот же адрес.

- Сетевые ухудшения и усложнения, вызванные внедрением системы качества обслуживания, должны быть по возможности минимизированы, так же, как и количество дополнительной информации, хранимой и передаваемой в сети.

- Пользовательские приложения должны иметь возможность индикации значений QoS при передаче данных в различных сетевых узлах.

- Система качества обслуживания должна быть динамической, позволяющей изменять параметры QoS в течение активной сессии.

Рассмотрю архитектуру системы качества обслуживания и передачу услуг в рамках такой системы, на примере случая, когда связь осуществляется между оконечным оборудованием (ОО), подключённым к пользовательскому терминалу мобильной сети, и терминальным оборудованием, расположенным во внешней пакетной сети.

Аналогично понятию сквозного канала вводится понятие сквозной услуги (end-to-endservice) как последовательности действий между двумя оконечными пользователями и, соответственно, частей услуг - по их отношению к определённым сетевым составляющим: в локальном канале “оконечное оборудование - пользовательский терминал” (Terminal Equipment/Mobile Terminallocal BearerService), в канале сети LTE (LTE Bearer Service), во внешнем канале (External Bearer Service). Таким образом, возникает многоуровневое взаимодействие при передаче услуги в различных сетевых узлах и на различных уровнях.

Передача услуги по сети LTE рассматривается, в соответствии с сетевой архитектурой, отдельно в сети радиодоступа (Radio Access Bearer Service), где обеспечивается конфиденциальная передача пользовательских данных либо с заранее выбранным либо установленным по умолчанию уровнем качества обслуживания, и в базовой пакетной сети (Core Network Bearer Service), также могущей поддерживать различное качество обслуживания.

Перечислю и кратко опишу основные функции сети LTE, относящиеся к управлению качеством обслуживания. В пользовательской плоскости такие функции направлены на поддержку пользовательского трафика и сигнализации с определёнными ограничениями, установленными параметрами QoS.

Функция отображения(MF, Mapping Function) обеспечивает наделение каждого предназначенного для передачи пакета данных соответствующими параметрами QoS.

Функция классификации(CF, Classification Function) предназначена для выставления пакетам данных параметров QoS, предназначенных для определённого ПТ, в том случае, если для этого ПТ в сети установлено несколько каналов передачи услуг.

Функция управления ресурсами(RMF, Resource Manager Function) распределяет доступные ресурсы между услугами в соответствии с параметрами QoS.

Функция согласования (очистки) трафика(TCF, Traffic Conditioner Function) обеспечивает согласование между потоком пользовательских данных и установленным уровнем качества обслуживания. Те пакеты данных, которые не соответствуют выставленным параметрам QoS, будут отброшены или помечены как несоответствующие для последующего отбрасывания после накопления.

В плоскости управления, как обычно, сосредоточены функции, необходимые для реализации механизмов управления и контроля.

Функция управленияуслугами(SMF, Service Manager Function) является координирующей функцией при установке, модифицировании и управлении услугами, а также управляющей для функций управления качеством обслуживания в пользовательской плоскости.

Трансляционная функция(TF, Translation Function) преобразует внутренние примитивы услуг сети LTE в модули различных протоколов взаимодействующих внешних сетей, включая преобразования атрибутов услуг сети LTE в параметры QoS протоколов внешних сетей.

Функция управления возможностями(A/CCF, Admission/Capability Control Function) обеспечивает информацией обо всех возможных ресурсах сетевых узлов, определяя при каждом запросе (или модифицировании) услуги, могут ли сетевые узлы обеспечить требуемые ресурсы. Данная функция также контролирует возможность предоставления самой услуги, т.е. реализована ли в сети запрашиваемая услуга.

Функция управления подпиской(SCF, Subscription Control Function) обеспечивает контроль доступности различных услуг для абонентов с требуемыми параметрами QoS.

В сетях LTE доставку производят с помощью сквозных каналов (bearer) с соответствующим качеством обслуживания (Quality of Service, QoS), наиболее важными из которых являются:

- классы трафика,

- задержки,

- надежность,

- приоритеты,

- скорости передачи.

В рамках требований QoS все типы услуг подразделяются на 9 классов, каждому из которых соответствует идентификатор QCI (QoS Class Identifier). Кроме этого, организуемые для передачи трафика сквозные каналы подразделяются на 2 группы в соответствии с типом выделяемого ресурса:

- с гарантированной скоростью передачи GBR (Guaranteed Bit Rate),

- с негарантированной скоростью передачи Non-GBR.

Качественные показатели передач для трафика 9 разных классов приведены в табл ице 1.

Таблица 1 - Качественные показатели передач для трафика 9 разных классов.

QCI	Тип ресурса	Приоритет	Задержка (мс)	PERL	Примеры услуг
1	GBR	2	100	10^-2	Телефония в режиме реального времени
2		4	150	10^-3	Видеотелефония, видео в режиме реального времени
3		3	50	10^-3	Игры в режиме реального времени
4		5	300	10^-6	Видео с буферизацией
5	Non-GBR	1	100	10^-6	Сигнализация (IMS)
6		6	300	10^-6	Видео с буферизацией, TPC/IP услуги для приоритетных пользователей
7		7	100	10^-3	Аудио, видео в режиме реального времени, интерактивные игры
8		8	300	10^-6	Видео с буферизацией, TPC/IP услуги
9		9	300	10^-6	Видео с буферизацией, TPC/IP услуги

При реализации передачи данных с гарантированной скоростью eNB должен управлять ресурсами в динамическом режиме. Услуги классов QCI 1,2, 3 и 7 - это сервисы, предоставляемые абоненту в реальном времени по протоколу UDP/IP. Основным ограничивающим фактором для их реализации является допустимая задержка в доставке пакетов.

Значение PERL (Packet Error Loss Rate) показывает надежность передачи пакетов, которое оценивается по относительной величине непринятых пакетов. Величина PERL ≤ 10^-6 достигается при доставке пакетов с помощью протокола TCP/IP. Наибольший приоритет имеет сигнальный трафик. Класс 9 применяется по умолчанию при доставке TCP/IP трафика (чтение файлов из Интернета, E-mail, видео) непривилегированным пользователям.

Передачу сервисного потока данных конкретной услуги осуществляют с помощью сквозного канала (bearer) соответствующего класса QCI. Основными параметрами, характеризующими сквозной канал, являются:

- для GBR классов передачи гарантированная и максимальная скорость передачи, которая не может быть превышена,

- установленный и сохраняемый приоритет.

Для сквозных каналов с негарантированной скоростью передачи устанавливают суммарную скорость передачи потоков по всем каналам. Сквозные каналы GBR классов - это выделенные каналы. [5].

Глава 2. Моделирование

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1828; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!