Проэктирование шпд по спутниковым каналам связи

Введение
В создании и использовании принципиально новых видов техники и технологий предусматривается ряд приоритетных направлений: атомная энергетика, новые материалы и технологии их производства, биотехнология, внедрение новых технологий в Интернете. Внедрение новых технологий, оборудования, электронных систем управления и автоматизация, а также новых форм организации труда позволит перевести интернет технологии на высокоиндустриальную основу, превратив его в высокорентабельное и эффективное.
Наблюдаемые в настоящее время высокие темпы роста объемов предоставления информационных и телекоммуникационных услуг позволяют прогнозировать их преобладание на сетях связи в ближайшем будущем и ростом внедрения услуг нового поколения на основе широкополосного доступа (ШПД). Развитие услуг на основе ШПД, требует решения задач эффективного управления информационными ресурсами с одновременным расширением функциональности сетей связи. Большинство услуг нового поколения являются «приложениями», т.е. их функциональность распределена между оборудованием поставщика услуги и оконечным оборудованием пользователя.
К услугам нового поколения предъявляются такие требования как: мобильность услуг, возможность гибкого и быстрого создания новых услуг, гарантированное качество услуг.
Большое влияние на требования к услугам нового поколения оказывает процесс конвергенции, приводящий к тому, что услуги становятся доступными пользователям вне зависимости от способов доступа. Существующие сети связи общего пользования с коммутацией каналов (СТОП) и коммутацией пакетов (СПД) в настоящее время не отвечают перечисленным выше требованиям. Ограниченные возможности традиционных сетей являются сдерживающим фактором на пути внедрения новых инфокоммуникационных услуг.
С другой стороны, наращивание объёмов предоставляемых услуг может негативно сказаться на показателях качества обслуживания вызовов базовых услуг существующих сетей связи. Все это вынуждает учитывать наличие услуг нового поколения при планировании способов развития традиционных сетей связи в направлении создания Сети Следующего поколения (NGN) на основе широкополосного доступа (ШПД).
С бурным развитием технологии передачи данных по протоколу IP в последние годы в мире наступила эра голосовых и видео сервисов в широкополосных сетях, а число абонентов таких сетей, по данным аналитиков, превысило 100 млн. Появилось целое направление Triple Play - передача голоса, и видео и данных по одному кабелю.
Технология передачи голосового трафика (Voice over IP, VoIP) в таких сетях отработана, качество соответствует классическим цифровым технологиям, а стоимость услуги существенно ниже.
В последние годы спектр технологий ШПД, использующих традиционные и нетрадиционные линии связи в различных средах распространения (медь, алюминий, эфир, оптоволокно), существенно расширился. Высоким требованиям по широкополосности в большей степени отвечают спутниковые технологии на частотах дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов либо оптические диапазоны на земле (FTTx, FSO и др.). Если же брать за основу стоимость предоставления услуг, то перспективными представляются технологии на базе уже построенной инфраструктуры с использованием телефонных и радиотрансляционных линий, линий электропередачи и кабельного телевидения, различных систем радиодоступа (xDSL, PLC, Wi-Fi, WiMAX и др.). Широкополосный доступ как ключевой экономический индикатор, кроме высокой скорости, обеспечивает непрерывное подключение к Интернету и так называемую двустороннюю связь, т. е. возможность принимать и передавать информацию на высоких скоростях одновременно.
Широкополосный доступ не только формирует богатство информационного наполнения (контент) и услуг, но и преобразует весь Интернет в плане сервиса.
Целью данного дипломного проекта является проектирование сетей широкополосного доступа по спутниковым каналам связи.
Основными задачами в проекте являются:
- рассмотреть общие принципы построения сетей абонентского доступа по спутниковым каналам связи;
- разработать структурную схему сети абонентского доступа;
- проанализировать и выбрать оборудование;
- провести расчёт технических параметров;
- спроектировать план размещения оборудования;
- рассмотреть вопросы экологии и безопасности жизнедеятельности;
- провести технико- экономическое обоснование проекта.
Объект проекта - широкополосный доступ по спутниковым каналам связи.
Предмет проекта - информационные потоки.
Широкополосный доступ — broadband — пожалуй, один из самых популярных терминов современной связи. Несмотря на популярность термина broadband, следует хотя бы кратко рассказать о существе дела. Безусловно, основной пружиной появления broadband является Интернет и целая цепочка его следствий, включая дружественный пользовательский интерфейс и возможность доступа к мультимедийным приложениям, представляющим собой совокупность речи, данных и видео. Конечно, особенно видео, ибо именно оно содержит, как уверяют, 98% всей воспринимаемой нами информации, для удовлетворительной передачи которой уже совершенно недостаточны скорости передачи не только аналоговых модемов телефонной сети общего пользования, но и цифровых модемов сети с интеграцией услуг ISDN.


Естественно, проблема развития широкополосных сетей доступа актуальна и для России, что подтверждает живой интерес к организованной редколлегией журнала «Вестник связи» летом прошлого года дискуссии под названием «Who is Mr. Broadband?».
Решение такой глобальной задачи, как broadband, невозможно в рамках существующих сетей связи. Поэтому не менее популярной, чем broadband, является аббревиатура NGN, которая обозначает новое поколение сети - New Generation Network, являющееся необходимым условием реализации broadband. Но за день и даже за год переход к NGN физически невозможен — он будет постепенным и опираться на ту инфраструктуру и те транспортные технологии, в которые сделаны вложения. Переход к NGN будет успешным, если перспективное оборудование сетей связи будет учитывать существующую инфраструктуру сети и поддерживать наиболее распространённые протоколы, обладая при этом при этом новыми функциями.
Очевидно, что наиболее остро вопрос модернизации стоит перед сетью абонентского доступа.
Её ближайшие соседи - сеть абонента (Customer Premises Equipment - CPE) и транспортная сеть (Transport network, core network, backbone network) - имеют практически неограниченные пропускные способности: так, основная локальная сеть Ethernet может обеспечить пропускную способность CPE до 10Гбит/c, а магистраль DWDM до 800 Гбит/с по каждому оптическому волокну (при 80 несущих при полосе модулирующего сигнала 10 Гбит/с). В то же время сама сеть доступа, где в далёкой перспективе возможен переход на оптическое волокно, пока довольствуется существующими медными кабелями (симметричным в ТФОП и коаксиальным в сетях кабельного телевидения КТВ), которые на начальном участке сети от узла доступа (Access Node — AN) дополняются оптическими вставками.


Именно ограниченная пропускная способность «медной» части сети доступа представляет основную проблему при предоставлении высокоскоростных услуг пользователю. Поэтому сеть абонентского доступа и является «узким местом» («bottleneck») между практически безграничными потенциальными пропускными способностями сети помещения пользователя СРЕ и транспортной сети.

Оглавление
Введение 4
1. Анализ исходных данных 9
2.Общие принципы построения сетей абонентского доступа по спутниковым каналам связи 13
3. Разработка структурной схемы сети абонентского доступа 21
4. Анализ и выбор оборудования для сети абонентского доступа 26
5.Расчёт технических параметров 42
6. План размещения оборудования 51
7.Разработка вопросов по экологии и безопасности жизнедеятельности 56
7.1 Мероприятия по охране окружающей среды 56
7.2. Расчёт вентиляции 64
8. Технико-экономическое обоснование проекта 67
8.1 Определение капитальных затрат и эксплуатационных расходов 67
8.2 Расчет эксплуатационных расходов 69
8.3 Расчет доходов от основной деятельности 73
8.4 Расчет основных показателей эффективности капитальных вложений 74
Заключение 78
Список использованных источников 86

Заключение
В дипломной работе рассмотрено построение и расчет сетей с использованием технологий WiMAX.
Технология WiMAX связана с другими сетями и обьорудованием беспроводной связью и доступом в Интернет. WiMAX использует спектр, чтобы доставить "точка- много точек» подключения к Интернету. Различные 802,16 стандарты предусматривают различные виды доступа с портативных коммутаторов для фиксированного доступа к сети.
WiMAX использует механизм, основанный на связи между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на конкретных алгоритмов планирования.
В ходе работы были решены следующие задачи:
был проведен обзор современного состояния цифровых широкополосных систем передачи данных;
рассмотрены варианты применения беспроводных технологий для телеметрии;
приведены преимущества использования беспроводных широкополосных технологий для получения телеметрической информации от специальных объектов;
разработана методология построения цифровых беспроводных решений для передачи телеметрической информации;
рассмотрены вопросы аутентификации и защиты информации при передаче в широкополосных сетях.
В программе Visio была разработана беспроводная сеть, построенная на технологий WiMAX, которое включает в себя станцию для передачи данных, персональные компьютеры и несколько дополнительных устройств.



Выполняя дипломную работу, можно сделать вывод, что с помощью программ Visio можно проектировать компьютерные сети различного масштаба и назначения: от локальных и беспроводных сетей, насчитывающих несколько десятков компьютеров, до межгосударственных глобальных сетей, построенных с использованием технологий WiMAX.
Охрана труда и здоровье трудящихся на производстве, когда особое внимание уделяется человеческому фактору, становится наиважнейшей задачей. При решении задач необходимо четко представлять сущность процессов и отыскать способы, устраняющие влияние на организм вредных и опасных факторов и исключающие по возможности травматизм и профессиональные заболевания.
При улучшении и оздоровлении условий работы труда важными моментами, является комплексная механизация и автоматизация технологических процессов, применение новых средств вычислительной техники и информационных технологий в научных исследованиях и на производстве.
Под термином широкополосный доступ обычно понимается организация скоростного канала (чаще дуплексного или полудуплексного) до нескольких Мбит/с от абонента к какому-либо публичному ресурсу, например публичной сети (Интернет, ТфОП и т. д.). Также очень важно, что широкополосный доступ обеспечивает абоненту интеграцию всевозможных услуг (Интернет, специализированные данные, видео, голос и т. д.).
Как отмечено в [4], начало бурного развития широкополосных технологий пришлось на середину 90-х годов. Сейчас в мире насчитывается более 100 млн. широкополосных пользователей, для которых доступ организован при помощи различных технических средств, таких как DSL, ADSL, кабеля, спутникового канала, наземного радиоканала и т. д. Практически все аналитики оценивают ежегодный прирост как 30 - 40 %.



Последнее означает, что даже при сохранении этих темпов через 7 - 8 лет можно ожидать увеличения числа пользователей широкополосного доступа на порядок, а к 2008 г. число широкополосных подключений может составить 325 млн., при этом основной прирост ожидается за счет клиентов юго-восточной Азии [5].
По-видимому, по темпам роста широкополосный доступ ожидает судьба Интернета в целом, только с задержкой примерно на десятилетие. Что же касается распределения абсолютных цифр по различным странам - картина может существенно отличаться. Не исключено, что лидерами в широкополосном доступе окажутся страны с менее развитой структурой Интернет, период развития которых как раз и придется на наибольший рост широкополосного доступа [6, 7].
Для оценки качества и распространения широкополосного доступа обычно используются качественные и количественные показатели, к которым относятся скорость передачи, надежность канала, качественный набор услуг, а также приведенная цена [6, 7].
Скорости доступа в пересчете на одного абонента за последние несколько лет выросли от 64 до 512 кбит/с и более. Качественный набор услуг со временем дополняется телефонией, видео и большим спектром информационных и бизнес-приложений. Цены же лавинообразно падают.
Беспроводный широкополосный доступ ожидает еще более радужная перспектива. Его доля в широкополосном доступе должна вырасти от 2 - 3 % в настоящее время до 8 % через пять лет (по пессимистичным прогнозам) и 15 % (по оптимистичным). Дальнейшие прогнозы весьма условны. Дело в том, что они делаются при условии стабильных технологий, переживающих линейное, качественное улучшение и линейное уменьшение в цене. Беспроводный же широкополосный доступ находится в преддверии технологической революции, связанной с внедрением стандарта IEEE 802.16 (см. ниже). При положительном исходе она может существенно ускорить темпы роста.

Технологические и организационные особенности стандартов IEEE 802.16a, IEEE 802.16 - 2004 / ETSI HIPERMAN
Понятно, что для создания систем широкополосного радиодоступа с интеграцией услуг основополагающие принципы, заложенные в беспроводные системы на предыдущих этапах, нуждаются в существенной корректировке. На сигнальном уровне требуется обеспечить оптимальное использование канала с точки зрения работы на уровне пропускной способности Шеннона при любом уровне обменных соотношений “скорость - помехоустойчивость”. На протокольном уровне необходимо обеспечить качество обслуживания (QoS) любому абоненту сети.
Разработанный Институтом IEEE стандарт 802.16 представляет собой рассчитанную на внедрение в городских и сельских беспроводных сетях (WirelessMAN) технологию широкополосной связи, а точнее беспроводного широкополосного доступа операторского класса. В этом его основное отличие от группы стандартов IEEE 802.11. Технические характеристики предыдущей версии стандарта - IEEE 802.16а, утвержденные в январе 2003 г. и предусматривающие работу оборудования в диапазоне от 2 до 11 ГГц, позже вошли в принятый этим летом стандарт IEEE 802.16-2004.
Широкий диапазон частот (от 2 до 66 ГГц), предусматриваемый стандартом IEEE 802.16 - 2004, позволяет развертывать каналы передачи данных с высокой пропускной способностью с использованием передатчиков, устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и высотных зданиях. Принимающее и передающее оборудование, работающее по этому стандарту, может находиться не только в зоне прямой видимости. Следует отметить, что Европейский эквивалент стандарта IEEE 802.16a называется ETSI HIPERMAN.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - это коммерческое “имя” стандарта беспроводной связи 802.16 поддержанного промышленной группой, в состав которой входят известные компании.


WiMAX Forum - организация, в которую входит ряд ведущих коммуникационных компаний (Airspan Networks, Alvarion Ltd, Aperto Networks, Fujitsu Microelectronics America, Intel, OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN Inc и др.). Ее целью является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всем мире, сертификация оборудования 802.16, а также подготовка спецификаций, призванных обеспечить совместимость оборудования разных производителей. Одна из целей WiMax - дальнейшей разделение труда на рынке производителей беспроводного оборудования. Поставщики элементной базы, такие как Intel и Fujitsu, будут разрабатывать ее для всех производителей оборудования, а те смогут сконцентрировать свои усилия на оборудовании со стандартной элементной базой. По данным аналитиков, члены WiMAX представляют собой более 75 % рынка производителей оборудования широкополосного беспроводного доступа.
По данным WiMAX, базовая станция (БС) стандарта 802.16 способна обслуживать абонентов на удалении до 50 км, при этом последним не потребуется обеспечивать прямой видимости между антеннами БС и абонентского устройства. Скорость передачи данных в разделяемом канале будет достигать 70 Mбит/с на один сектор, что вполне достаточно для предоставления доступа на скорости 1,5 Мбит/с для более чем 60 корпоративных клиентов или обслуживания нескольких сотен домашних пользователей. Обычно БС будут обслуживать до 6 секторов.
Как указывалось выше, ключевым моментом для существующего этапа развития беспроводных сетей, включая будущие WiMAX-сети, является OFDM-модуляция. Теоретические ее основы были заложены в работах Р. Галлагера в пятидесятых годах прошлого века [9].
Р. Галлагер оценивал теоретическую пропускную способность Шеннона для канала с переменной межсимвольной интерференцией и аддитивным гауссовским белым шумом. Такой канал может служить моделью реальных радиоканалов с замираниями, взаимными помехами и шумами.
Было показано, что при передаче по такому каналу многомерными сигналами из N последовательных отсчетов, разделенных L защитными символами, где L не меньше памяти канала, дальнейшему преобразованию этих сигналов в ортогональном базисе (например, Фурье) с учетом характеристик канала, исходный канал преобразуется к следующему виду.
Исходный канал виртуально представляется в виде N параллельных каналов с аддитивным гауссовским шумом с различными отношениями сигнал/шум, но без памяти (межсимвольной интерференции). Естественно, такое преобразование требует точного знания импульсного отклика канала или его частотной характеристики. Таким образом, Р. Галлагер вычислял пропускную способность исходного канала как среднее арифметическое параллельных каналов без памяти.
Существенно позже, с развитием цифровой элементной базы и появлением возможности реализовать даже самые невероятные теоретические идеи, была построена так называемая ступенчатая конструкция [10], суть которой состоит в следующем.
После ортогонального преобразования параллельные каналы разбиваются на подгруппы с близкими друг к другу отношениями сигнал/шум. Сигналы внутри одной и той же подгруппы модулируются квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) одной и той же кратности. Так, например, может оказаться N1 сигналов с модуляцией КАМ2, N2 сигналов с модуляцией КАМ4, N3 сигналов с модуляцией КАМ16, N4 сигналов с модуляцией КАМ64. Естественно N1 N2 N3 N4 защитный интервал некоторый запас N.
Далее единая конструкция из N параллельных каналов кодируется единым корректирующим кодом, исправляющим ошибки. Если N достаточно велико, корректирующий код и его алгоритм декодирования оптимальны, канал измеряется точно и его изменения быстро отслеживаются, то реализуется оптимальная схема с отличием от пропускной способности Шеннона на доли дБ. Фактически все это и заложено в WiMAX-совместимое оборудование.
Для WiMAX-совместимого оборудования на физическом уровне в качестве размера блока FFT выбрано N256, из которых 192 поднесущие информационные, 8 - для измерения характеристик канала, остальные могут тратиться на защитные интервалы от 1/4 до 1/32. В стандарте выбраны параметры КАМ от 2 до 256: мощная каскадная кодовая конструкция с внутренним сверточным кодом с декодированием по алгоритму Витерби и внешним кодом Рида-Соломона. Опционально может использоваться другая кодовая конструкция на основе турбо-кодов.
Предусмотрен специальный режим векторной OFDM - OFDMA, когда сигналы 16 абонентов могут объединяться в общий OFDM-кадр. Это обеспечивает взаимную ортогональность абонентов в эфире, минимизирует их мощности и может приводить к дополнительному системному энергетическому выигрышу до 12 дБ.
Заложенная в стандарт сигнально-кодовая конструкция в принципе адаптивна - система подстраивается к характеристикам канала в каждый момент времени, “перекачивая” скорость в помехоустойчивость и наоборот. Так, например, в идеальном по энергетике канале все поднесущие OFDM будут работать с модуляцией КАМ64 с минимальной избыточностью сверточного кода 3/4, обеспечивая частотную эффективность 4,5 бит/с/Гц при отношении сигнал/шум 24 дБ. В условиях наихудшей энергетики модуляция для всех поднесущих будет КАМ2, сверточный код - со скоростью 1/2, частотная эффективность - 1 бит/с/Гц, а отношение сигнал/шум - 6 дБ. Все это обеспечивает дополнительный системный выигрыш 18 дБ.
Также в стандарт заложены возможности использования технологии “интеллектуальных” антенн, что может обеспечивать дополнительный энергетический выигрыш в канале с замираниями не менее 30 дБ. Эти технологии могут использоваться в различных комбинациях - от простого пространственного разнесения на передающей или приемной стороне - до сложной “интеллектуальной” системы, практически означающей организацию нового вида множественного доступа - пространственного.
На МАС-уровне используются следующие основные идеи. Линии «вверх» и «вниз» управляются базовой станцией, абоненты «не слышат» друг друга, в протоколе учитывается задержка распространения сигнала. Поддерживается качество обслуживания абонента (QoS). Предусмотрена оптимизация размера передаваемого блока для минимизации потерь - маленькие блоки объединяются при передаче, а большие наоборот дробятся. Поддерживается также внешнее обнаружение ошибок. Предусмотрено временное и частотное дуплексирование, различные диапазоны частот и разные полосы сигнала в эфире от 1,75 до 10 МГц. Также в перспективе предусмотрена поддержка мобильности абонентов.

Список использованных источников
1. Барбаумов В.Е. и др. Сборник задач по финансовым инвестициям/ В.Е. Барбаумов, И.М. Гладких, А.С. Чуйко. М.: Финансы и статистика, 2014. – 352 с.
2. Берлин А.Н. Телекоммуникационные сети и устройства. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. - 319 с.
3. Вахрин П.И. Инвестиции: учебник. – М.: Дашков и К0, 2004. – 384 с.
4. Владимиров А.А., Гавриленко К.В., Михайловский А.А.. Wi-fi: боевые приемы взлома и защиты беспроводных сетей. М.:NT Press, 2012.
5. Гуртов В.К. Инвестиционные ресурсы / В.К. Гуртов. – М.: Экзамен. – 2012, 384 с.
6. Инвестиции: учебник/ кол. авторов: под ред. Г.П. Подшиваленко. – М.: Кнорус, 2014. – 496 с.
7. Некрасова И.В. Инвестиции: уч. пособие / И.В. Некрасова, В.А. Алешин, А.И. Зотова . – Ростов-н/Д: Феникс, 2013 – 310 с.
8. Ример М.И., Касатов А.Д., Матиенко Н.Н. Экономическая оценка инвестиций/ под. ред. М.И. Римера. – СПб.: Питер, 2012. – 480 с.
9. Советов Б.Я. Моделирование систем: учебное пособие. М.: Высшая школа, 2014
10. Шарп У., Александер Г., Бэйли Дж. Инвестиции: пер. с англ. – М.: Инфра-М, 2004. – 1028 с.
11. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. \под ред. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. - М.: Техносфера, 2013
12. Царев В.В. Оценка экономической эффективности инвестиций. – СПб.: Питер, 2012. – 464 с.
13. Шапкин А.С. Экономические и финансовые риски. Оценка, управление, портфель инвестиций: монография. – М.: Дашков и К0, 2013. – 544 с.