Введение к работе
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 802.11a/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.
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.
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 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:
разработка требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД;
исследование 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 трафика с учетом необходимости выполнения требований к совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh;
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:
сформулированы принципы построения совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
разработан алгоритм управления маршрутизацией трафика с разделением маршрутов по направлениям передачи данных.
разработан алгоритм управления маршрутизацией трафика в случае
использование антенн с коммутируемой ДН.
разработана модель функционирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
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-сети за счет адаптивного механизма выбора маршрутов, а также алгоритма управления маршрутизацией трафика в случае использование антенн с коммутируемой ДН, позволяющего повысить эффективность mesh-сети 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, 1 заявка на изобретение (№2009149054/09; приоритет от 30.12.2009).
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 ДН.
Модель функционирования совмещенной сети сотовой связи и БШД на основе топологии mesh.
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.
