Оптимизация беспроводных систем связи в Свердловской области для обеспечения бесперебойной работы мультимедийных приложений на мобильных устройствах

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы работы заключается в том, что информация на сегодняшний день присутствует во всех областях жизнедеятельности человека и является важной составляющей эффективного функционирования организаций различных форм собственности. Увеличение объемов информации влечет за собой активное развитие компьютерных сетей и включение пользователей во всемирные сетевые структуры.
Интенсивное развитие Интернет, повсеместное внедрение новых устройств, прогрессивных методов кодирования, модуляции и передачи информации послужили толчком к развитию беспроводных сетей [17].
Ввиду протяженности систем связи построение требует значительных затрат, поэтому глобальные сети чаще всего создаются крупными телекоммуникационными компаниями для оказания платных услуг абонентам. В сетях передачи информации применяются следующие виды коммутации:
- коммутация каналов – передача аудиоинформации по обычным телефонным (физическим) линиям связи;
- коммутация сообщений, которая в основном применяется для передачи электронной почты, в электронных новостях);
- коммутация пакетов, которая служит для передачи данных, а в последнее время также используется для организации аудио и видеоконференций.
Обмен информацией между внутри сети осуществляется по высокоскоростным каналам связи или магистралям, к которым относятся: выделенные линии, оптические каналы связи и радиоканалы, в том числе спутниковые линии связи. Технологии беспроводного доступа стали использоваться первоначально в качестве дополнения в действующих сетевых сегментах, в том числе там, где технически невозможно или нецелесообразно было организовать кабельную линию связи.
С течением времени сложился определенный круг областей, в которых беспроводные сети являлись наиболее предпочтительным решением.
На базе беспроводной сети может работать целый ряд пользовательских приложений. Ее инфраструктура становится основой для дальнейшего внедрения пользовательских приложений и обеспечивает поддержку таких жизненно важных для сети сервисов, как информационная безопасность, сетевое управление и механизмы гарантии качества сервиса. В таких сетях работают любые приложения, которые работают в традиционных проводных сетях, некоторые специфика возникает лишь из-за пропускной способности сети и мобильности ее пользователей.
Сети радиодоступа общего пользования обычно состоят из размещенных по территории точек доступа (базовых станций), подключенных к внешней цифровой транспортной сети, и мобильных абонентов, которые подключаются к своей базовой станции с помощью своих мобильных абонентских устройств [19].
Пропускной способности сети достаточно для организации систем видеонаблюдения с передачей изображения от нескольких камер, оборудованных беспроводным модулем и расположенных в различных местах, а также автоматизированного учета операций, управления складскими запасами, активами с различным размещением.
Поддерживаются телеметрические приложения, автоматизированные системы управления с получением информации от различных датчиков и передачей команд на исполнительные устройства автоматики.
Объектом исследования выпускной квалификационной работы является «Работа мультимедиа при доступе к высокоскоростным сетям передачи», а предметом – «Возможность модернизации оборудования беспроводных систем связи в области с учетом действующей инфраструктуры».
Цель работы – оптимизация существующей беспроводной сети для обеспечения бесперебойной работы рассматриваемых приложений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести анализ существующих методов построения сетей передачи данных;
2) Разработать требования для модернизации сетевой структуры объекта;
3) Определить технологии и протоколы доступа для реализации;
4) Обосновать выбор оборудования и программных средств;
Практическая значимость работы заключается в обеспечении высокой скорости доступа с расширением возможностей внедрения современных мультимедиа приложений с сохранением требуемого уровня информационной безопасности при невысокой стоимости реализации.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Первая глава выпускной квалификационной работы посвящена анализу существующих методов организации доступа к сетевым ресурсам.
Во второй главе рассмотрены характеристики объекта и существующей сети оператора, принципы организации беспроводных сетей с высокой скоростью доступа, осуществлен выбор стандарта для реализации проекта.
Третья глава содержит описание процессов реорганизации сети по выбранному варианту, вопросы качества и управления ресурсами и решения по модернизации оборудования и антенных систем с учетом критериев пропускной способности и организации покрытия требуемых зон с построением увязанной сети.
В последней части приведены технико-экономические показатели реализации проекта.

Введение 6
1. Методы организации удаленного доступа 9
1.1 Технологии доступа с коммутацией каналов 9
1.1.1 Аналоговые телефонные сети 9
1.1.2 Цифровые сети с интеграцией услуг ISDN 10
1.2 Технологии доступа с коммутацией пакетов 11
1.2.1 Сети X.25 12
1.2.2 Сети Frame Relay 13
1.2.3 Сети с технологий ATM 15
1.2.4 Сети с технологией SMDS 17
1.3. Сети беспроводного доступа 18
1.3.1 Организация беспроводных сетей 18
1.3.2 Технологии мобильных сетей 20
2 Характеристика существующей сети связи 23
2.1 Структура объекта 23
2.2 Действующая сеть и направления связи 26
2.3 Необходимость развития сети 32
3 Реорганизация сети доступа 42
3.1 Построение и функционирование радиоинтерфейса сети LTE 42
3.2 Управление ресурсами и качеством 52
3.3 Модернизация сети радиодоступа 62
3.4 Антенная система 68
4. Технико-экономическое обоснование проекта 70
Заключение 76
Список литературы 79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы рассмотрены различные методы организации сетевого доступа кабельных и беспроводных сетей, и варианты модернизации существующей инфраструктуры одного из крупнейших операторов связи Свердловской области, которая на сегодняшний день является основой для одной из самых крупных сетей в регионе, но при этом уже заметно отстает от развития современных мобильных приложений и не способна удовлетворить потребности абонентов к скорости передачи данных.
Действующая технология EDGE позиционировалась ранее как дополнение к сетям UMTS для обеспечения широких зон покрытия с модернизацией сети GSM для предоставления услуг, требующих более высоких скоростей передачи данных, а также как альтернатива UMTS-сетям для операторов GSМ, не имеющих лицензий на их эксплуатацию и радиоинтерфейс для всех видов работающих по протоколу IP услуг в сетях, включая Voice-over-IP. Там где услуга GPRS уже была внедрена, добавление высокоскоростной передачи данных за счет применения EGPRS было реализовано с минимальными аппаратными изменениями.
Мы видим, что в настоящий момент предоставление услуг мобильного интернета давно точкой соприкосновения интересов крупных телекоммуникационных компаний. Корпоративный взгляд и настрой потребителей должны фокусироваться в направлении следующего поколения услуг данных. Рынок оборудования и перспективы внедрения обновленных услуг на базе технологии передачи мультимедиа содержимого на основе протокола IP (IМS - IP Multimеdia Subsystеm) требуют от владельцев сотовой инфраструктуры дальнейшего развития.
Управление клиентским сервисом должно быть структурировано, в рамках дифференцировано возрастающих способностей рынка. При этом, инвестиции в технологии должны выполняться в короткие промежутки времени. Инфраструктура должна быть приспособлена к изменяющимся условиям для достижения необходимой эффективности.
Сторонние поставщики голосовых, текстовых и видео приложений (так называемы провайдеры ОТТ сервисов Skype, Viber, WhatsApp, Google Voice, и приложения связи, встроенные в популярных социальных сетях отбирают у мобильных операторов их традиционные услуги – голос и сервис SMS, составляющие их основную доходную часть.
Прогрессирующее потребление трафика данных, растущая конкуренция и огромный спрос на услуги мобильной широкополосной передачи данных, требует модернизации сетей и ввода технологии LTЕ и поддержки сервисов IМS.
Таким образом установлено, что в настоящее время, с учетом растущих требований к скорости передачи данных различных мобильных приложений, объема сетевого трафика и ситуации на рынке телекоммуникационных услуг, откладывать внедрение технологии LTE и развитие сети не представляется возможным.
Решения рассмотрены в довольно широком спектре, но, с учетом частотного плана, где выделенная полоса 2,4-2,5 ГГц не позволяет даже удовлетворить потребности федеральных операторов, были рассмотрены различные варианты построения высокоскоростной сети на базе действующего оборудования сети.
Для достижения поставленной цели предложено большинство базовых станций, введенных в эксплуатацию после 2010 года подвергнуть так называемому рефармингу c максимальным использованием действующего оборудования и антенных систем GSM-1800. Это позволит реализовать требуемые технологии без массовой замены базовых станций на 4G/LTE универсальные. Основной поставщик оборудования базовых станций оператора – компания Huawei, предлагает на рынке недорогое готовое решение, позволяющая также дополнить его многоантенной технологией MIMO (Multiple Input Multiple Output). В зависимости от класса пользовательского оборудования, в LTE возможно использовать схему 4х4 MIMO, т.е. сочетание четырех передающих и четырех принимающих антенн.
Сети LTE позволят предоставить более производительные услуги мобильного широкополосного доступа с применением комбинации максимальных скоростей и большой пропускной способности системы в любом направлении. Инфраструктура разработана таким образом, что развертывание сети и эксплуатация сильно упрощается. LTE также имеет возможность масштабирования и разнесенного использования частотных диапазонов. Архитектура LTE-SAE принятого решения обеспечит межсетевое взаимодействие с действующими сетями GSM и технологией EDGE.
Модернизация базовых станций осуществляется с использованием легко заменяемых модулей и обновленного программного обеспечения. Отдельные модули для LTE установить проще, чем современное оборудование многодиапазонных сетей.
При проведении технико-экономического анализа сделан вывод, что внедрение инфраструктуры LTE не определяется сегодня эффективностью затрат, а диктуется реальной ситуацией на рынке коммуникаций и прирастающим в геометрической прогрессии объемом передачи данных беспроводных сетей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тихвинский В.О., Юрчук А.Б., Терентьев С.В. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. – М.: Эко-Трэндз, 2010. – 281 с.
2. Биккенин Р. Р. Теория электрической связи : учебное пособие для студ. высших учебных заведений / Р. Р. Биккенин, М. Н. Чесноков.-М. : Издательский центр “Академия”, 2010. -336 с.
3. Макаров С. Б. Телекоммуникационные технологии: введение в технологии GSM : учеб. пособие для высш. учеб. заведений / С. Б. Макаров, Н. В. Певцов, Е. А. Попов, М. А. Сиверс.-М. : Издатель-ский центр “Академия”, 2006.-256 с.
4. Волков А. Н. UMTS. Стандарт сотовой связи третьего поколения / А. Н. Волков, А. Е. Рыжков, М. А. Сиверс. -СПб. : Издательство “Линк”, 2008.-224 с.
5. Кааринен Х. Сети UMTS. Архитектура, мобильность, сервисы / Х. Кааринен, А. Ахтиайнен, Л. Лаитинен, С. Найан, В. Ниеми. -М. : Тех-носфера, 2007.-464 с.
6. Попов Е. А. Технология GPRS пакетной передачи данных в сетях GSM : учеб. пособие / Е. А. Попов.-СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008.-182 с.
7. Солонина А. И. Основы цифровой обработки сигналов. Курс лек-ций / А. И. Солонина, Д. А. Упахович, С. М. Арбузов, Е. Б. Соловьёва. - СПб. : БХВ-Петербург, 2005. -768 с.
8. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко.-СПб. : БХВ-Петербург, 2011.-768 с.
9. Ткаченко В.А. Глобальные вычислительные сети и технологии глобальных сетей. Авторский курс [Электронный ресурс] – URL: http://www.lessons-tva.info/edu/telecom-glob/glob.html (дата обращения: 06.05.2014)
10. Энциклопедия сетевых протоколов [Электронный ресурс] – URL: http://www.protocols.ru/modules.php?name=Content&pa=list_pages_categories&cid=13 (дата обращения: 11.05.2014)
11. Гаранин М.В., Журавлев А.А., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации: Учебное пособие для вузов / М.В. Гаранин, В.И. Журавлев, С.В. Кунегин. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.
12. Семиуровневая модель OSI [Электронный ресурс] - URL: http://citforum.ru/nets/switche/osi.shtml (дата обращения: 11.05.2014)
13. Хендерсон Л., Дженкинс Т. Frame Relay. Межсетевое взаимодействие. – М.: Горячая линия - Телеком, 2000. - 320 с.
14. Берлин Л.Н. - Коммутация в системах и сетях связи. - М.: Эко-Трендз, 2006. – 344 с.
15. Основы построения объединенных сетей [Электронный ресурс] - URL: http://www.feedback.ru/yurix/networking/cisco/15.html (дата обращения: 17.05.2014)
16. Сети связи Гольдштейн Б. С., Соколов Н. А., Яновский Г.Г. – СПб.: «БХВ – Петербург», 2010. – 400 с.
17. Шубин В.И., Красильникова О.С. Беспроводные сети передачи данных: Учебное пособие – М.: Вузовская книга, 2012. – 104 с.
18. Лиэри Дж., Рошан П. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 302 с.
19. Кулябов Д.С., Королькова А.В. Архитектура и принципы построения современных сетей и систем телекоммуникаций: Учеб. пособие – М.: РУДН, 2008. - 281с.
20. Гельгор А.Л., Попов Е.А. Технология LTE мобильной передачи данных: учеб. пособие – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – 204 с.
21. Беспроводные сети [Электронный ресурс] - URL: http://opds.sut.ru/old/electronic_manuals/pc_net/besprovod/dostup/dcf.htm (дата обращения: 22.05.2014)
22. Гейер Дж. Беспроводные сети. Первый шаг: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. – 192 с.
23. Сергей Пахомов. Анатомия беспроводных сетей//КомпьютерПресс. 2002.№7. С.167-175.
24. Аникин А. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM [Электронный ресурс] – URL: http://www.wireless-e.ru/assets/files/pdf/2011_4_6.pdf (дата обращения: 22.05.2014)
25. Григорьев В.А. Сети и системы радиодоступа / В.А. Григорьев, О.И. Лагутенко, Ю. А. Распаев. – М.: Эко-Трендз, 2005. – 384 с.
26. Зингеренко Ю.А. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей / Учебное пособие. – СПб: ГУ ИТМО, 2005. - 143 с.
27. Беделл П. Сети. Беспроводные технологии: секреты профессионалов: пер. с англ. – М. : НТ Пресс, 2008. - 441 с.
28. Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В.. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.
29. Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. М.: Эко-Трендз, 2001. – 300с.
30. Кукса Е.А. Моделирование дальности действия и пропускной способности базовой станции мобильных сетей LTE // Молодой ученый. – 2011. – №8. Т.1. – С. 68-73.
31. Ратынский М.В. Основы сотовой связи. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2010. – 248 с.
32. Huawei LTE1800. Оборудование радиодоступа [Электронный ресурс]
http://www.huawei.com/ru/ProductsLifecycle/RadioAccessProducts/SingleRANProducts/hw-201147.htm
(дата обращения: 23.05.2014)
33. Принципы построения телекоммуникационных сетей [Электронный ресурс] – URL:
http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/YAT/TELECOMM/PDI/METOD/U_P/WEBUMK/frame/1.htm (дата обращения: 23.05.2014)
34. Ример М.И, Касатов А.Д., Матиенко Н.Н. Экономическая оценка инвестиций, 2-е изд. – СПб.: Питер, 2008. – 480 с.
35. Финансовый менеджмент: теория и практика: Учебник для вузов/под ред. Е.С. Стояновой. – 6-е изд. – М.: Перспектива, 2008 – 282 с.
36. Рекомендации МСЭ-Р М.816: Услуги, предоставляемые системой IMT-2000.
37. Рекомендации МСЭ-Р М. 1308: Эволюция сухопутных подвижных систем связи к IMT-2000.