Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор технологий беспроводного доступа в телекоммуникационных сетх железнодорожного транспорта 8
1.1. Технологии низкоскоростного доступа 8
1.1.1. Технология стандарта GSM-R 8
1.1.2. Технология стандарта TETRA 21
1.2. Технологии высокоскоростного беспроводного доступа 26
1.2.1. Общие сведения о технологиях высокоскоростного
беспроводного доступа 26
1.2.2. Технология стандарта CDMA 2000 1 х450 (IMT-MC-450) 28
1.2.3. Технология стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi) 30
1.2.4. Технология стандарта IEEE 802.16 (WiMAX) 36
1.3. Выводы 47
2. Методика оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожного узла. качество обслуживания в сетях низкоскоростного беспроводного доступа 48
2.1. Аналитические модели распределения абонентов по территории обслуживания сети 48
2.2. Сопоставление аналитических и экспериментальных оценок качества обслуживания абонентов в железнодорожном узле при беспроводном доступе стандартов GSM-R и TETRA 59
2.3. Учет нагрузки транзитных для соты абонентов 69
2.4. Выводы 74
З. Анализ функциональных возможностей сетей и средств радиодоступа при организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях. качество обслуживания в сетях высокоскоростного беспроводного доступа 76
3.1. Анализ функциональных возможностей сетей радиодоступа при организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях на примере технологии Radio Ethernet стандарта IEEE 802.16 76
3.2. Анализ функциональных возможностей средств радиодоступа при организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях на примере технологии Radio Ethernet стандарта IEEE 802.16 80
3.3. Оценка качества обслуживания абонентов в железнодорожном узле при беспроводном доступе стандарта IEEE 802.16 84
3.4. Выводы 92
4. Методика оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожного транспорта при скоростном движении 93
4.1. Влияние скорости движения на показатели качества обслуживания при беспроводном доступе стандарта TETRA 93
4.2 Влияние скорости движения на показатели качества обслуживания цифровых сетей беспроводного доступа технологии CDMA 99
4.3. Выводы 100
Заключение 102
Список литературы
- Технология стандарта TETRA
- Сопоставление аналитических и экспериментальных оценок качества обслуживания абонентов в железнодорожном узле при беспроводном доступе стандартов GSM-R и TETRA
- Анализ функциональных возможностей средств радиодоступа при организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях на примере технологии Radio Ethernet стандарта IEEE 802.16
- Влияние скорости движения на показатели качества обслуживания цифровых сетей беспроводного доступа технологии CDMA
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время происходит модернизация систем и сетей связи Федерального железнодорожного транспорта. Особенно актуальными являются задачи создания новых сетей радиодоступа по организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях, исследования характеристик цифровой сети технологической радиосвязи с учетом специфики скоростного движения. Настоящая работа решает вопросы научного обоснования решения перечисленных задач.
В настоящее время на сети железных дорог сложилась сложная ситуация с сетями беспроводного доступа (прежде всего - сетями технологической радиосвязи). В эксплуатации находится более 183 тысяч радиостанций, в том числе стационарных - 35 тысяч, локомотивных - 58 тысяч, носимых - 90 тыс. Более 50% средств технологической радиосвязи различного назначения выработали свой ресурс, более 40% - не соответствуют установленным требованиям. Поскольку используются устаревшие аналоговые технологии, то независимо от степени износа все 100%) средств беспроводного доступа подлежат замене.
В программе развития цифровых вторичных сетей связи железнодорожного транспорта предусмотрена и модернизация сетей беспроводного доступа ( сетей технологической радиосвязи). Одним из ее направлений является строительство цифровых систем.
Цифровые сети должны строиться на направлениях транспортных коридоров, на линиях с максимальными объемами грузовых и пассажирских перевозок.
Основными целями создания цифровых систем беспроводного доступа являются решение задач по информационному и технологическому перевооружению железнодорожного транспорта, информационного
сопровождения скоростного и высокоскоростного движения поездов, создание многоуровневой комплексной системы безопасности движения поездов. Это способствует повышению пропускной способности железнодорожных участков и станций, увеличению участковой скорости движения поездов, развитию услуг для пассажиров и клиентов ж.д. транспорта в части информационных услуг и мониторинга перевозок.
Цель работы состоит в совершенствовании методики аналитического оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожных узлов, оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожного транспорта при скоростном движении.
Реализуется следующая последовательность решения задач диссертационной работы:
Обзор технологий беспроводного доступа в телекоммуникационных сетях железнодорожного транспорта.
Определение качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожного узла, качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа с учетом скоростного движения, сопоставление аналитических и экспериментальных оценок качества.
Проведение анализа функциональных возможностей сетей беспроводного доступа при организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях.
Исходная основа диссертации. Диссертация основывается на результатах, теоретических и прикладных исследований А.А. Артемова, Ю.В. Ваванова, Г.В. Горелова, А.В. Леднева, Т.В. Климовой, О.Н.Ромашковой, М.Хата, А.Фрея, В. Шмидта и др.
Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, теории вероятностей, теории массового обслуживания.
Научная новизна. Степень научной новизны диссертации определяется тем, что она развивает теорию оценивания качества обслуживания абонентов в сетях
беспроводного доступа с учетом специфики его применения на территории обслуживания в пределах железнодорожного узла и специфики скоростного движения.
Практическая ценность разработанных в диссертации методик оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожного узла, оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа железнодорожного транспорта при скоростном движении заключена в предоставленной возможности получения объективных результатов оценки качества обслуживания при анализе и проектировании систем беспроводного доступа.
Технология стандарта TETRA
Специалисты в области сотовой радиотелефонии пришли к мнению, что система GSM с адаптацией к нуждам ж.д. транспорта не оправдывает всех ожиданий. Точнее говоря, система GSM-R является идеальной для линейной радиотелефонной связи, но ситуация ухудшается в больших узлах, где существует потребность быстрого вызова или группового вызова. Есть небольшие сети, например, маневровые, где выгодна симплексная система с короткими групповыми вызовами. В этой ситуации более выгодна транкинговая система с динамическим доступом к каналу, которая обеспечивает более быстрое соединение и большую эффективность использования каналов. Так, к примеру для автоматического управления движением поездов в системе ERTMS необходима совершенно новая услуга, использующая пакетную передачу данных GPRS (General Package Radio Service).
Стандарт на цифровые транкинговые системы TETRA (Trans-European Trunked Radio) разработан Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Единому стандарту придается большое значение, прежде всего с точки зрения упорядоченного распределения частот. В разработке принимали участие крупнейшие производители транкинговых систем -Motorola, Ericsson, Matra, несмотря на то, что к этому времени они имели собственные системы PMR (Astro, Edacs, Rubis) [4, 11-15].
При выработке параметров нового стандарта учитывались опыт и достижения аналоговых технологий (МРТ 1327, Radiocomm, Mobitex), а также некоторые решения, найденные при создании стандарта GSM. Этим объясняется выбор ширины радиоканала 25 кГц и TDMA. Кстати, разработчики GSM-систем также пришли к необходимости групповой связи, широковещательного режима передачи и приоритетного вызова (версии сотовых систем подвижной связи, условно называемые "GSM-системы транкингового типа") [16-24].
Стандарт обеспечивает передачу как речи так и данных. При этом данные могут передаваться в кадровом и пакетном форматах (до 28 кбит/с). В режиме одновременной передачи речи и данных TETRA может взаимодействовать с системами GSM, получая коммутируемый канал передачи данных. В режиме «только данные» (для него разработан специальный подстандарт PDO - Pacet Data Optimixed) возможны передачи коротких сообщений (пейджинг), видеоизображений, электронной почты и удаленная обработка данных.
В стандарте заложен возможности индивидуального, группового вызова, группового вызова с подтверждением и широковещательного («всем, кто меня слышит»).
Среди дополнительных услуг систем TETRA есть режим прямого вызова (Direct Mode), когда разговор идет без «посредничества» базовой станции, непосредственно между двумя радиостанциями. Наличие этого режима является одним из главных требований служб безопасности.
Среди других требований: несколько уровней приоритета (в том числе принудительное разъединение абонентов с низшим уровнем приоритета), режим сокращенного набора (менее 300 мс), помехоустойчивое кодирование (метод ACELP - наиболее помехоустойчивый из известных) и несколько уровней секретности. Засекречивание может происходить при помощи внешней аппаратуры от абонента к абоненту и может осуществляться в радиоканале (кодирование). Помимо этого, при соединении возможна идентификация абонента в сети [25-47].
Из нестандартных особенностей можно отметить режим «псевдооткрытого» канала. В этом режиме распределение нагрузки и ресурсов сети осуществляется по требованию абонента (с учетом приоритетности удерживания вызова и прочих «спецособенностей» стандарта), в то время, как «открытый» канал подразумевает постоянное распределение нагрузки и ресурсов.
Широкие возможности по передаче данных позволяют подключать в абонентский интерфейс различные виды терминального оборудования: переносные компьютеры, устройства PDA (цифровые ассистенты), факсы, принтеры и т.д.
В стандарте TETRA специфицированы все интерфейсы транкинговой системы: радиоинтерфейс, межсистемный интерфейс линия-станция, шлюзы с УАТС, ТФОП и сетью ISDN, а также интерфейс с центром сетевого обслуживания и управления.
Стандарт способен работать в весьма широком диапазоне частот - от 60 до более чем 1000 МГц. За европейскими службами безопасности уже закреплена полоса от 380 до 400 МГц, а для коммерческих целей выделены диапазоны 410, 450 и 870 МГц.
В стандарте TETRA используется TDMA с четырьмя временными «окнами», что позволяет обеспечить одновременно передачу четырех речевых каналов на несущую. Разнос соседних радиоканалов составляет 25 кГц, как и в обычных PMR системах связи. Требуемый уровень излучения в соседнем канале минус 60 дБ. Дуплексный разнос радиоканалов для передачи и приема равен 10 МГц.
При организации каналов связи для обслуживания многих абонентов применяются две схемы уплотнения TBD. Для линии «вниз» (downlink) используется статистическое временное уплотнение (STM), для линии «вверх» - STMA - статистический многостанционный доступ [48].
Передача по четыре речевым каналам в полосе 25 кГц стала возможной благодаря использованию в стандарте TETRA низкоскоростного кодера речи CELP, относящемся к классу алгоритмов «анализа и синтеза» речи. Скорость передачи цифрового речевого потока на выходе кодера речи равна 4,8 кбит/с В табл. 1.1 [11] приведены сравнительные характеристики и услуги связи стандартов TETRA и GSM. Данные о скорости передачи данных при различных уровнях секретности приведены в табл. 1.2[11].
Сопоставление аналитических и экспериментальных оценок качества обслуживания абонентов в железнодорожном узле при беспроводном доступе стандартов GSM-R и TETRA
Методы оценивания качества обслуживания рассмотрим на примере сети цифровой технологической радиосвязи в Московском железнодорожном узле.
По результатам проведенного опроса работников отделений Московской и Октябрьской железных дорог определено количество потенциальных абонентов сети беспроводного доступа Московского железнодорожного узла. Результаты опроса сведены в табл. П. 1.1 приложения П.1. С учетом классности и специфики работы железнодорожных станций узла для каждой из них определено количество потенциальных абонентов сети цифровой технологической радиосвязи[80,81]. Учитывались абоненты, постоянно находящиеся в соте и транзитные для нее (определялись на основании исполненных графиков движения поездов). Максимальное количество абонентов на этом участке приходится на 17 ч 20 мин.
Вся зона обслуживания сети на территории Московского железнодорожного узла разделена на девять сот, образующих кластер (рис. 2.9). В табл.2.2 приведены номера сот, места расположения базовых станций (БС), количество железных станций, расположенных в пределах соты, количество абонентов в соте с удельными нагрузками 0,025 и 0,15 Эрл (значения удельной нагрузки и категории абонентов, создающих ее,определены в соответствии с [82]).
При расчете необходимого количества каналов БС используем для каждого из 3136 абонентов сети математическое ожидание удельной нагрузки 0,028 Эрл и норму потерь 1% (в соответствии с [82]). Основанное на исходных статистических данных (реальное) количество абонентов в сотах представлено в табл. 2.3, соответствующее ему количество каналов БС - в табл.2.4 (рассчитано по формулам Эрланга и Энгсета).
Поясним использование моделей на примере описанного выше кластера цифровой технологической радиосвязи в Московском железнодорожном узле (состоящего из девяти сот), на котором расположены 3136 абонентов. Каждый абонент создает нагрузку 0,028 Эрл. Норма потерь составляет один процент. На рис.2.10 представлен пример распределения (2.7) при М=3136.
Замена при моделировании реального кластера, образованного кругами (при круговой диаграмме направленности антенны БС) разных диаметров, на кластер, состоящий из равновеликих квадратов, не вносит погрешности в расчет количества каналов БС. Количество абонентов и количество каналов БС в сотах, рассчитанное с использованием аналитических моделей (2.2), (2.3), (2.6) и (2.9), представлено в табл. 2.3 и 2.4 соответственно. Значение эз=0,7098 для модели (2.6) определено в результате приравнивания значения максимального количества абонентов в соте (сота №5) для реального и аналитического распределений.[83]
На рис.2.11 представлено полученное при его использовании распределение абонентов по сотам кластера, а на рис.2.12 - реальное распределение абонентов по сотам кластера.
Сравнение данных табл.2.4 для реального значения количества каналов кластера с оценками, рассчитанными с использованием моделей (2.2) и (2.3), подтверждает сформулированное выше положение о граничном характере этих оценок, причем реальное значение существенно ближе к верхней оценке, предоставляемой моделью (2.2).
Значения показателей точности моделирования, обеспечиваемой аналитическими моделями, представлены в табл.2.5.
Значения показателя 1 свидетельствуют о достаточно высокой точности моделирования с позиции определения количества каналов кластера.
Однако более важным для практики является точное определение необходимого количества каналов БС.
Приведенные в табл. 2.5 данные свидетельствуют о том, что в этом случае наиболее целесообразно использование модели (2.9) и модели (2.6) при аз=0,7098.
Когда можно предварительно оценить общее количество абонентов на территории обслуживания, используем модель (2.9) для определения количества каналов БС с последующим завышением полученных результатов на 10-15%.
Когда можно оценить предварительно общее количество абонентов на территории обслуживания и максимальное количество абонентов в соте используем модель (2.6) (подбирая значение коэффициента as описанным выше способом) для определения количества каналов БС с последующим завышением полученных результатов на 10-15%.
И в том, и в другом случаях превышение на 10-15% полезно и в плане учета перспективы развития сети.
Для условий рассмотренного примера сети цифровой технологической радиосвязи в Московском железнодорожном узле использование моделей (2.9) и (2.6) при аз=0,7098 (при завышении полученных результатов на 10%) обеспечивает по показателю 4 точность моделирования 5,1%) и 4,3%.
Количество групп каналов БС (при использовании оборудования стандарта TETRA группа каналов БС состоит из 16-ти каналов) в сотах, рассчитанное с использованием аналитических моделей (2.2), (2.3), (2.6) и (2.9), представлено в табл. 2.6.
Анализ функциональных возможностей средств радиодоступа при организации высокоскоростной передачи данных на железнодорожных станциях на примере технологии Radio Ethernet стандарта IEEE 802.16
WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access, стандартизированная институтом IEEE технология широкополосной беспроводной связи, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях. Технологию WiMAX можно использовать для реализации широкополосных соединений "последней мили", развертывания точек беспроводного доступа, организации высокоскоростной связи между филиалами компаний и решения других подобных задач.
WiMAX в версии IEEE 802.16-2004 - стандарт беспроводной связи, который обеспечивает широкополосную связь на площади радиусом более 30 км с пропускной способностью, сравнимой с кабельными соединениями - до 10 Мбит/с и более. Технология WiMAX позволяет работать в любых условиях, в том числе, в условиях плотной городской застройки, обеспечивая высокое качество связи и скорость передачи данных.
Оборудование сетей WiMAX функционирует в нескольких частотных каналах шириной 10 МГц в пределах диапазона 2 ГГц -11 ГГц.
По своей сути WiMAX представляет технологию, позволяющую обеспечить доступ в интернет со скоростью сетей класса ТІ, с производительностью и покрытием, гораздо большим, нежели у современных сетей Wi-Fi. В свою очередь, продолжением "магистральных веток" WiMAX как раз и становятся локальные сети Wi-Fi, различные типы бизнес- и бытовых кабельных/DSL сетей конечных пользователей [88].
Обеспечивая коммуникации в радиусе 10 километров и более, точки WiMAX создают покрытие на значительных площадях, предоставляя провайдерам услуг достаточно гибкие условия для обеспечения этой самой пресловутой "связи последней мили".
Стандарт 802.16 предоставляет возможность предоставлять пиковую скорость обмена данными до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции.
Такой канал обеспечивает до 60 соединений ТІ и сотни связей с домами, использующими DSL-подключения (при полосе 20 МГц). В последнем случае предоставляется качество обслуживания (QoS) на уровне "наилучшего возможного". При этом предоставляется минимальные задержки, что важно при передаче голоса (например, в режиме VoIP) [74].
В целом базовые характеристики стандарта 802.16 предусматривают дальность действия до 50 километров, покрытие с возможностью работы вне прямой зоны видимости, пиковую скорость обмена данными до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции при том, что типовая базовая станция будет иметь до 6 секторов покрытия (рис. 3.1) [88].
Полоса пропускания, выделяемая клиентам, может контролироваться на стороне провайдера, что позволит, к примеру, обеспечить физическим лицам канал на уровне цифровых абонентских линий (DSL), а организациям - до уровня выделенной телефонной линии (ТІ) [89].
Используя исходную информацию о количестве работников, находящихся в Московском железнодорожном узле, произведем оценку качества обслуживания абонентов в железнодорожном узле при беспроводном доступе стандарта IEEE 802.16 технологии WiMAX.
Первый вариант расположения базовых станций в пределах Московского железнодорожного узла представлен на рис. 3.2.
При расчете необходимого количества каналов БС используем для каждого из абонентов сети математическое ожидание удельной нагрузки 0,027 Эрл и норму потерь 1% (в соответствии с [80]).
Основанное на исходных статистических данных (реальное) количество абонентов в секторах представлено в табл. 3.1.
Влияние скорости движения на показатели качества обслуживания цифровых сетей беспроводного доступа технологии CDMA
На основании выполненных исследований получены следующие результаты и выводы.
1 .Для получения оценок (в том числе граничных) необходимого числа каналов систем беспроводного доступа в телекоммуникационных сетях железнодорожного транспорта использованы модели, основанные на двумерных равномерном, причинно-вырожденном, гиперпричинном, композиции причинно-вырожденного и равномерного, усеченном пуассоновском распределениях абонентов на территории обслуживания. Замена реального кластера, образованного кругами (при круговых диаграммах направленности антенн базовых станций БС), на используемый при моделировании кластер, состоящий из равновеликих квадратов, не вносит погрешности в расчет количества каналов БС.
2.На примере оценивания качества обслуживания абонентов в сетях низкоскоростного беспроводного доступа (стандартов TETRA и GSM-R) Московского железнодорожного узла иллюстрированы сформулированные в диссертации общие для сетей беспроводного доступа выводы
- модели, основанные на двумерных равномерном и причинно-вырожденном распределениях абонентов на территории обслуживания, предоставляют граничные оценки необходимого числа каналов (групп каналов) БС причем реальное значение существенно ближе к верхней оценке, предоставляемой моделью равномерного распределения;
- при известном общем количестве абонентов на территории обслуживания следует использовать модель усеченного пуассоновского распределения для определения количества каналов (групп каналов) БС с последующим завышением полученных результатов на 10-15%;
- при известных общем количестве абонентов на территории обслуживания и максимальном количестве абонентов в одной из сот следует использовать модель композиции причинно-вырожденного и равномерного распределений (с определением значения коэффициента композиции ее) для
определения количества каналов (групп каналов) БС с последующим завышением полученных результатов на 10-15%. И в том, и в другом случаях превышение на 10-15% полезно и в плане учета перспективы развития сети;
- использование аналитических моделей для моделирования количества групп каналов БС обеспечивает более высокую точность по сравнению с моделированием количества каналов БС.
- использование аналитического моделирования позволяет производить оценку количества каналов (групп каналов) БС, исключающую достаточно трудоемкое статистическое обследование для определения реального количества каналов.
З.В качестве базовой технологии сети высокоскоростного беспроводного доступа в телекоммуникационных сетях железнодорожного транспорта выбран перспективный стандарт ШЕЕ 802.16., для которого определены принципы организации, обеспечивающие доступ стационарных и мобильных пользователей к необходимым информационным ресурсам, высокоскоростную беспроводную передачу видеоинформации и телеметрии в режиме реального времени в интересах конкретных служб, решения задач по обеспечению безопасности движения поездов.
4.На примере сети высокоскоростного беспроводного доступа (стандарта IEEE 802.16) Московского железнодорожного узла при различных вариантах размещения базовых станций БС произведена оценка необходимого числа каналов.
5.Предложена методика оценивания качества обслуживания абонентов в сетях беспроводного доступа на железнодорожном транспорте при скоростном движении. В расчетные формулы известной методики расчета зон обслуживания в сетях низкоскоростного беспроводного доступа железнодорожного транспорта введено дополнительное затухание, учитывающее увеличение отношения сигнал/шум (ОСШ) на входе приемника при существенном увеличении скорости движения. Определена его зависимость от скорости движения подвижного объекта. Предложено дополнение методики ориентированное на определение координационного расстояния. Определена необходимость существенного уменьшения расстояния между БС в сетях беспроводного доступа на железнодорожном транспорте при скоростном движении.
