1. МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
Харлай Людмила Олексіївна
УДК 396.42:004.7(043.3)
МЕТОДИ ПІДТРИМКИ ЕФЕКТИВНОГО ФУНКЦІОНУВАННЯ
РОЗПОДІЛЕНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ ТА МЕРЕЖ ОПЕРАТОРІВ
СТІЛЬНИКОВОГО ЗВ’ЯЗКУ
Наукова спеціальність – 05.13.05 «Комп'ютерні системи та компоненти»
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата
технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей, результатів
і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
___________________Л.О.Харлай
Науковий керівник
Одарченко Р.С.
канд. техн. наук, доцент
Черкаси – 2018
2. 2
АНОТАЦІЯ
Харлай Л.О. Методи підтримки ефективного функціонування розподілених
комп’ютерних систем та мереж операторів стільникового зв’язку. – Кваліфікаційна
наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора
філософії) за спеціальністю 05.13.05 «Комп’ютерні системи та компоненти». –
Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2018.
Основними науковими результатами дисертаційної роботи є: удосконалено
математичну модель транспортної мережі для комп’ютерних систем оператора
стільникового зв’язку, яка за рахунок представлення структури мережі у вигляді
неорієнтованого графа із визначеними пропускними здатностями ребер, врахування
найважливіших характеристик мережі для надання якісних послуг зв’язку
абонентам згідно із договорами про якість обслуговування, визначеним резервом
пропускної здатності, дозволяє провести оптимізацію витрат операторів
стільникового зв’язку (за рахунок мінімізації функції необхідної пропускної
здатності за умови забезпечення необхідного рівня якості обслуговування
абонентів); вперше розроблено метод удосконалення транспортної мережі
комп’ютерних систем оператора стільникового зв’язку, який за рахунок виконання
послідовних операцій прогнозування кількості трафіку транспортної мережі за
допомогою кореляційно-регресійного аналізу, мінімізації цільової функції
коефіцієнту навантаження, оптимізації маршрутів із забезпеченням необхідної
точності, дає змогу мінімізувати витрати оператора стільникового зв’язку на
побудову транспортного сегменту, при цьому забезпечивши необхідне
довгострокове резервування з метою запобігання перевантажень; удосконалено
метод резервування ресурсів комп’ютерних систем та мереж оператора
стільникового зв’язку, який за рахунок послідовного представлення структури
середовища резервування та пошуці оптимального числа резервних мережних вузлів
3. 3
з урахуванням обмежуючих факторів для резервування каналів зв’язку та
програмно-апаратних елементів обладнання, дозволяє забезпечити необхідний
рівень надійності та якості надання послуг абонентам мереж стільникового зв’язку;
вперше розроблено метод балансування навантаження в транспортній мережі
комп’ютерних систем оператора стільникового зв’язку, що за рахунок послідовного
визначення основних характеристик мережі, оцінювання необхідного резерву
каналів зв’язку, вибору оптимальних маршрутів для відправки пакетів з
урахуванням можливостей балансування навантаження, дає можливість більш
ефективно використовувати пропускну здатність каналів транспортної мережі
стільникового оператора.
Теоретичні результати, отримані в дисертаційному дослідженні, відкривають
можливість виявити і запропонувати нові практичні шляхи підвищення
ефективності комп’ютерних систем та мереж стільникових операторів під час їх
впровадження та удосконалення в Україні на основі використання нових методів
оптимізації транспортних сегментів, резервування обладнання та каналів зв’язку.
При цьому отримані результати дозволяють: проводити оптимізацію параметрів
мережі стільникового оператора; проводити більш ефективне керування мережею
стільникового оператора; запроваджувати нові сервіси для використання в
стільниковій мережі; забезпечувати резервування ресурсів комп’ютерних систем та
мереж; проводити попередню оцінку вартості проектного рішення мережі LTE.
Практична цінність дисертаційної роботи полягає в такому: розроблено
методику вибору оптимальної технології транспортної мережі; розроблено
відповідне алгоритмічне і програмне забезпечення для оцінки вартості мережі LTE;
матеріали дисертаційної роботи упроваджено в ТОВ «РОКС», ТОВ «Депс-
Солюшнз», навчальний процес Національного авіаційного університету, Одеської
національної академії зв’язку ім. О.С.Попова, Київського коледжу зв’язку.
Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами
впровадження.
Ключові слова: транспортна мережа, LTE, ефективність, балансування
навантаження, пропускна здатність, резервування.
4. 4
ABSTRACT
Harlay L.O. Methods of supporting the efficient operation of cellular operators
distributed computer systems and networks. - Qualifying scientific work on the rights of
manuscripts.
Dissertation for obtaining a scientific degree of the candidate of technical sciences
(doctor of philosophy) in specialty 05.13.05 "Computer systems and components". -
Cherkasy State Technological University, Cherkasy, 2018.
The main scientific results of the dissertation work are: improved mathematical
model of transport network for computer systems of the cellular operator by presenting
the structure of the network in the form of a non-oriented graph with the determined
bandwidth of the ribs, taking into account the most important characteristics of the
network for the provision of quality communication services to subscribers according to
the quality of service agreements, defined by the bandwidth reserve, allows to optimize the
costs of cellular operators ( by minimizing the function of the required bandwidth
provided that the required level of customer service is maintained); for the first time the
developed method of improved transport network of computer systems of the cellular
operator through the successive operations of forecasting the amount of traffic of the
transport network, through the correlation-regression analysis, minimization of the target
function of the load factor, optimization of routes with the provision of the necessary
accuracy, minimizes costs of the cellular operator for the construction of the transport
segment, while providing the necessary long-term reservation to prevent overloads; for the
first time the improved method for reserving resources of computer systems and networks
of a cellular operator through the consistent representation of the structure of the
reservation environment and the search for the optimal number of backup network nodes,
taking into account limiting factors for reservation of communication channels and
software and hardware elements of the equipment, allows to provide the necessary level of
reliability and quality of service provision to subscribers of cellular networks; for the first
time the developed method of load balancing in the transport network of the computer
5. 5
systems of the cellular operator through the consistent determination of the main
characteristics of the network, the assessment of the required reserve of communication
channels, the selection of optimal routes for sending packets, taking into account the
possibilities of load balancing, enables to use the bandwidth of the channels of the
transport network of the cellular operator with greater efficiency.
The theoretical results obtained in the dissertation research offer the opportunity to
discover and suggest new practical ways to increase the efficiency of computer systems
and networks of cellular operators during their introduction and improvement in Ukraine
based on the use of new methods for optimizing transport segments, reserving equipment
and communication channels .
In this case, the results allow to optimize the parameters of the cellular network
operator; to conduct more efficient management of the network of the cellular operator; to
introduce new services for usage in the cellular network; to provide backup of resources of
computer systems and networks; to provide a preliminary estimation of the cost of the
LTE network design solution.
The practical value of the dissertation work is as follows: the methodology of
choosing the optimal technology of the transport network is developed; an appropriate
algorithmic and software to estimate the cost of the LTE network is developed; the
materials of the dissertation work were implemented at LLC "ROKS", LLC "Deps-
Solutions", the educational process of the National Aviation University, the State
institution "Kiev College of Communication". The use of the results of the dissertation
work is confirmed by the relevant implementation acts.
Keywords: transport network, LTE, efficiency, load balancing, bandwidth, reserve.
Список публікацій здобувача, в яких опубліковано основні наукові результати:
1. А.А. Скрипниченко, Л.А. Харлай. Методы автоматизированного
управления сетями NGN с разнородным трафиком. Наукові записки Українського
науково-дослідного інституту зв’язку. К., 2015.Вип.6(40). С. 56-63.
2. Я.І. Торошанко, Л.И. Танцюра, Л.О. Харлай, К.В. Хмара. Моделювання
системи управління телекомунікаційною мережею із затримками сигнальної і
6. 6
управляючої інформації. Телекомунікаційні та інформаційні технології. К., 2015.
Вип.4. С. 24-29.
3. С.В. Водопьянов, Л.А. Харлай, Е.В. Толстикова, В. Н. Боровик. Управление
безопасностью бортовой локальной сети в информационно-вычислительной системе
аэроузла. Захист інформації. К., 2015. Т. 17, Вип. 4. С. 292-297.
4. L. Kharlay, M. Vysochinenko, S. Fedyunin. Method of management by the hosts
requests of wireless network with the use of polling method. Eastern European scientific
journal. 2016. No. 6. PP. 112-113.
5. У.С. Козелкова, Я.И. Торошанко, Л.А. Харлай. Управление потоками
данных в цифровых телекоммуникационных сетях с разнородным трафиком. Вісник
Національного університету «Львівська політехніка». Серія «Радіоелектроніка та
телекомунікації». Львів, 2016. Вип. 819.
6. L. Kharlay, A. Skrypnichenko, Shu. Chang, Y. Toroshanko. Adaptive Control of
Traffic Flows and Congestions in Computer Corporate Networks. Wschodnioeuropejskie
Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal): Nauki inżynieryjne i techniczne.
2016. № 9. PP. 67-72.
7. Л.О. Харлай. Аналіз алгоритмів резервування ресурсів мережі. Альманах
науки. К., 2017. № 1. С.56.
8. Р.С. Одарченко, Л.О.Харлай. Дослідження ефективності стільникових
мереж в Україні. Актуальні дослідження в сучасному світі: збірник наукових праць.
11(31). Ч.10. Переяслав-Хмельницький, 2017.
9. Р.С. Одарченко, Л.О. Харлай, А.О. Абакумова. Програмне забезпечення для
оцінки ключових показників якості обслуговування зі сторони абонента
стільникової мережі. Інженерія програмного забезпечення. №4. 2017.
10. Р.С.Одарченко, Л.О.Харлай. Метод резервування ресурсів та балансування
навантаження в транспортній мережі із урахуванням основних характеристик
мережі. Технічні науки та технології: науковий журнал. Чернігів, 2018. Вип.1. С.89-
96.
11. R. Odarchenko, N. Dyka, O. Poligenko and L. Kharlai, A. Abakumova. Mobile
Operators Base Station Subsystem Optimization Method. 4th International Scientific and
7. 7
Practical Conference IEEE «Problems of Infocommunications. Science and Technology»
(Kharkiv, ocob,10-13, 2017) (PICS&T-2017). URL: https://ieeexplore.ieee.org/
document/8246342/metrics?part=1.
12. Р.С. Одарченко, Л.О. Харлай. Розширена класифікація послуг
стільникового оператора. Матеріали Всеукраїнської науково-практичної інтернет-
конференції «Автоматика та комп’ютерно- інтегровані технології у
промисловості, телекомунікаціях, енергетиці та транспорті». (Кропивницький.
16-17 листопада, 2017). С. 216-217.
13. Л.О. Харлай, Р.С. Одарченко. Удосконалення архітектури транспортної
мережі стільникового оператора. XVIII міжнародна науково-технічна конференція
«Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах» . (Одеса, 8-13
червня, 2018) ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2018. С. 195-197
14. О.Ю. Коновалов, О.О. Манько, К.Б. Нікіфоренко, Л.О. Харлай. Методи
захисту інформації на оптичних ІТ-мережах. Сімнадцята міжнародна науково-
технічна конференція ОНАЗ ім. О.С. Попова (Одеса, 8-13 червня 2017), 2017
Список публікацій, які засвідчують апробацію результатів дисертації
1. Л.О. Харлай. Протоколи управління ключами, сучасний стан. Восьма
міжнародна науково-технічна конференція «Проблеми телекомунікацій». (Київ,22-
25 квітня 2014р.) К.: КПІ, 2014. С. 234-237.
2. Л. О. Харлай. Засади застосування системи ключових показників
ефективності для управління телекомунікаційними мережами. Міжнародна науково-
технічна конференція «Сучасні інформаційно-телекомунікаційні технології». (Київ,
17-20 листопада 2015р.) К.: ДУТ, 2015. Т.3 . С. 169-171.
3. Я. И. Торошанко, Л. А. Харлай. Сравнительный анализ устройств
коммутации сетей NGN с разнородным трафиком. Международная научно-
техническая конференция «Современные информационно-телекоммуникационные
технологии». (Київ, 17-20 листопада 2015р.) К.: ДУТ, 2015.Т. 3. С. 49-50.
4. Л.О. Харлай. Методи селекції перевантажень та відмов мережних вузлів.
Десята міжнародна науково-технічна конференція «Проблеми телекомунікацій” і
Восьма Міжнародна науково-технічна конференція студентів та аспірантів
8. 8
«Перспективи розвитку інформаційно- телекомунікаційних технологій та систем».
(Київ, 19-22 квітня 2016 р) К.: НТУУ КПІ, 2016.
5. Л. О. Харлай. IP-інфраструктура як засіб побудови транспортних мереж
операторів мобільного зв’язку. Одинадцята міжнародна науково-технічна
конференція «Проблеми Телекомунікацій» і Дев’ята міжнародна науково-технічна
конференція студентів та аспірантів «Перспективи розвитку інформаційно-
телекомунікаційних технологій та систем». (Київ, 21-24 квітня 2017) К.:
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського» інститут телекомунікаційних систем НДІ, 2017. С.87-90.
6. О.Ю. Коновалов, О.О. Манько, К.Б. Нікіфоренко, Л.О.Харлай. Принцип
захисту інформації на лінійних спорудах ІТ. Шістнадцята міжнародна науково-
технічна конференція ОНАЗ ім. О.С. Попова, (Одеса, 8-13 червня 2017) 2017.
7. О.Ю. Коновалов, О.О. Манько, К.Б. Нікіфоренко, Л.О. Харлай, Н.Я.Латун.
Метод захисту оптичних муфт ІТ-мереж від несанкціонованого доступу.
шістнадцята міжнародна науково-технічна конференція ОНАЗ ім. О.С. Попова
(Одеса, 8-13 червня 2017) 2017.
8. О.Ю. Коновалов, О.О. Манько, К.Б. Нікіфоренко, Л.О. Харлай, Н.Я. Латун.
Захист інформації ІТ-мереж від несанкціонованого доступу на ділянці WiFi.
шістнадцята міжнародна науково-технічна конференція ОНАЗ ім. О.С. Попова,
(Одеса, 8-13 червня 2017) 2017.
9. М.С. Височіненко, Л.О. Харлай. Контроль якості обслуговування при
ініціюванні сеансів зв’язку. Проблеми інформатизації. Тези доповідей восьмої
міжнародної науково-технічної конференції. (Київ, 11-12 квітня 2017) К.:
Державний університет телекомунікацій, 2017.
10. R. Odarchenko, A. Abakumova, N. Dyka, O. Poligenko and L. Kharlai.
Estimation of the communication range and bandwidth of uav communication systems in
the complex conditions of multibeam radio waves propagation. 4th International Scientific
and Practical Conference IEEE «Problems of Infocommunications. Science and
Technology» (Kharkiv, ocob,10-13, 2017) (PICS&T-2017). URL:
https://ieeexplore.ieee.org/ document/8308799/.
9. 9
11. Л.О. Харлай. Методи захисту інформації в оптичних мережах. 3-а
Всеукраїнська науково-практична конференція «Перспективні напрями захисту
інформації». (Одеса, 2-6 вересня 2016 р) Одеса, 2017.
12. Н. Кунах, Л. Харлай, А. Коновалов, К. Никифоренко, Ю.Сотниченко,
Ю.Матюшичев. Метод измерения показателя преломления при производстве
оптических волокон. XVIII міжнародна науково-технічна конференція
«Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах». (Одеса, 8-13
червня, 2018) ОНАЗ ім.О.С. Попова, 2018. С. 49-51.
13. О.Г. Григоренко, Л.О. Харлай. Еволюція технологій транспортних мереж
мобільного оператора. Наукові дослідження: закономірності та парадокси: зб.
матеріалів міждисциплінар. наук.-практ. конф. (Київ, 18 травня 2018) К., 2018. С.
17-19.
10. 10
ЗМІСТ
ВСТУП................................................................................................................................12
РОЗДІЛ 1 ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ТРАНСПОРТНИХ СЕГМЕНТІВ СУЧАСНИХ
СТІЛЬНИКОВИХ МЕРЕЖ...............................................................................................20
1.1. Дослідження архітектури розподілених транспортних мереж стільникових
операторів...........................................................................................................................20
1.1.1.Архітектура мережі LTE....................................................................................20
1.1.2 Архітектура мережі LTE-Advanced .................................................................21
1.1.3. Транспортна мережа..........................................................................................23
1.2. Методика вибору оптимальної технології транспортної мережі...........................25
1.3. Дослідження основних рішень для побудови транспортних мереж .....................30
1.4. Формування вимог до сучасних транспортних мереж............................................34
1.5. Методи впровадження засобів OTN-маршрутизації...............................................40
1.6. Оцінка ефективності транспортних мереж ..............................................................42
1.7. Існуючі методи підвищення ефективності транспортних мереж операторів
стільникового зв’язку........................................................................................................46
Висновки до розділу 1...................................................................................................... 49
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ......................................................................... 51
РОЗДІЛ 2 УДОСКОНАЛЕННЯ АРХІТЕКТУРИ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ
СТІЛЬНИКОВОГО ОПЕРАТОРА.................................................................................. 55
2.1. Математична модель транспортної мережі стільникового оператора ................. 55
2.2. Метод оптимізації транспортної мережі стільникового оператора...................... 59
2.2.1. Прогнозування потоків трафіку транспортної мережі.................................. 59
2.2.2. Методи та моделі прогнозування потоків трафіку........................................ 67
2.2.3. Оптимізація структури транспортної мережі ................................................ 77
Висновки до розділу 2...................................................................................................... 80
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ......................................................................... 82
РОЗДІЛ 3 МЕТОДИ РЕЗЕРВУВАННЯ РЕСУРСІВ ТА БАЛАНСУВАННЯ
НАВАНТАЖЕННЯ ТРАНСПОРТНОЇ МЕРЕЖІ СТІЛЬНИКОВОГО ОПЕРАТОРА85
11. 11
3.1. Методи резервування ресурсів транспортної мережі стільникового оператора. 85
3.1.1. Резервування каналу зв’язку транспортної мережі.................................... 85
3.1.2. Резервування програмно-апаратних елементів обладнання ...................... 90
3.1.3. Узагальнене представлення структури середовища резервування............ 97
3.1.4. Пошук оптимального числа резервних мережних вузлів з урахуванням
обмежуючих факторів.................................................................................................... 102
3.2. Метод балансування навантаження в транспортній мережі ............................... 109
Висновки до розділу 3.................................................................................................... 113
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ....................................................................... 115
РОЗДІЛ 4 ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗРОБЛЕНИХ МЕТОДІВ ТА МОДЕЛЕЙ................ 120
4.1. Прогнозування потоків трафіку в стільниковій мережі....................................... 120
4.2. Моделювання балансування навантаження.......................................................... 125
4.3. Розробка програмного забезпечення для оцінки вартості мережі...................... 131
Висновки до розділу 4.................................................................................................... 138
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ....................................................................... 140
ВИСНОВКИ.................................................................................................................... 142
ДОДАТОК А ................................................................................................................... 144
ДОДАТОК Б.................................................................................................................... 145
ДОДАТОК В……………………………………………………………………………155
12. 12
ВСТУП
Актуальність теми. У зв’язку з рoзвиткoм тeхнoлoгій, a тaкoж з пoявoю нoвих,
більш удoскoнaлeних мoбільних пристрoїв, які нaдaють кoристувaчaм більшe
мoжливoстeй, з’являється нeoбхідність у нaявнoсті постійного висoкoшвидкіснoгo
бeзпроводового інтeрнeт з’єднaння. Сучaсні смaртфoни, плaншeтні персональні
комп’ютери, нoутбуки тa інші «рoзумні» пристрoї нaдaють кoристувaчaм нoві
мoжливoсті. Зaвдяки цьoму з’являється пoпит нa більш швидкісний зв’язoк. Тaк,
зaвдяки цьoму сучaсні oпeрaтoри мoбільнoгo зв’язку пoчинaють впрoвaджувaти у
свoї мeрeжі нoві тeхнoлoгії, які здaтні нaдaти aбoнeнтaм нeoбхідну швидкість
з’єднaння і якість зв’язку. Oднією з тaких тeхнoлoгій є LTE.
LTE – цe нoвe пoкoління мoбільнoгo зв’язку, що хaрaктeризується більш
висoкими швидкoстями пeрeдaчі дaних. Дaні мeрeжі мaють унікaльну aрхітeктуру,
зaвдяки якій і дoсягaються істoтнo вищі пoкaзники нe тільки швидкoсті, aлe й якoсті
зв’язку.
Oднaк, поряд з цим oпeрaтoри мoбільнoгo зв’язку пo всьoму світу фіксують
різкe зрoстaння oбсягів пeрeдaних дaних, який бaгaтo в чoму oбумoвлeний
пoпулярністю смaртфoнів і плaншeтних кoмп’ютeрів, щo зaбeзпeчують зручний
дoступ дo всіх нoвих дoдaтків і сeрвісів. Рoзрoбляючи мoдeлі рoзвитку свoїх мeрeж,
oпeрaтoри зaклaдaють мінімум двoкрaтнe річнe зрoстaння трaфіку. A зa прoгнoзoм
трaфік дaних у мoбільних мeрeжaх зa найближчі п’ять рoків може вирости більше
ніж в сто разів.
Щoб впoрaтися зі зростаючим об’ємом трaфіку, зaлишaючись при цьoму
прибуткoвими, стільникoвим oпeрaтoрaм нeoбхіднo впрoвaджувaти більш швидкісні
й eкoнoмічні рaдіoтeхнoлoгії, підвищувaти прoстoрoву eфeктивність шляхoм
рoзгoртaння мaлих стільників, сучасних високопродуктивних комп’ютерних систем
(мультимедійні сервери, шлюзи, хмарні сховища тощо), зaбeзпeчуючи
збaлaнсoвaний рoзвитoк транспортних мeрeж, як їх комунікаційної складової.
13. 13
При цьому основною вимогою до проектування такої мережі є вибір найбільш
вигідної і якісної технології передачі даних.
Очевидно, що за допомогою існуючих комп’ютерних систем, мереж та їхніх
компонентів задовольнити запити абонентів практично неможливо, тому можна
виділити основні причини необхідності удосконалення компонентів комп’ютерних
систем та комунікаційних технологій існуючих мереж четвертого покоління:
- зниження темпів зростання клієнтської бази операторів мобільного зв'язку в
мережах 3G;
- розвиток мультимедійних послуг, що вимагають високої пропускної
спроможності каналів зв'язку та підвищеної продуктивності комп’ютерних систем
та їхніх компонентів;
- відносно невисока ефективність використання частотного ресурсу та
транспортних комунікаційних сегментів в існуючих мережах.
Основною метою змін інформаційно-комунікаційних технологій є збільшення
якості та збільшення спектра послуг. Серед головних змін слід відмітити
використання технології all-over-IP («все по IP») з конвергенцією різнорідного
трафіку в рамках єдиної IP-мережі, підвищення вимог до швидкості передачі на всіх
ділянках мережі, а також виникнення потреб користувачів у декількох видах послуг
(передача даних та інтерактивного відео) із заданим рівнем якості обслуговування.
В сучасних умовах є потреба в ефективних програмно-апаратних засобах
керування потоків трафіку, що враховували б його різнорідність . Водночас в
оператора повинні бути засоби управління потоками, що дозволяли б гарантувати
певний рівень якості послуг для кожного окремого абонента, який отримує
індивідуальний інформаційний потік.
У теорії управління комп’ютерними системами та мережами наукою
накопичено значний теоретичний матеріал і практичний досвід, причому вагомий
внесок у розвиток моделей та методів управління мережними ресурсами зробили
вітчизняні та закордонні вчені, серед яких Kleinrok L., Gallager R., Ford L.R.,
Fulkerson D.R., Гольдштейн Б.С, Стеклов В.К., Вінницький В.П., Яновський Г.Г.,
Димарський Я.С., Романов О.І., Глоба Л.С., Уривський Л.О., Кравчук С.О. та ін.
14. 14
Як було показано у працях вищезазначених учених, можливість передачі
трафіку через вже доволі поширені мережі DWDM як складової комп’ютерних
систем стільникових операторів робить процес передачі більш ефективним, проте
залишається ряд невирішених завдань, зокрема, надійність доставки, максимальна
утилізація каналів, захищеність передаваних даних тощо.
Тому однією з головних проблем створення та розвитку сучасних
комп’ютерних систем та комунікаційних мереж операторів стільникового зв'язку є
необхідність підвищення ефективності транспортних каналів стільникових мереж
зв’язку. Вищезгадана проблема, яка вирішувалась у даній дисертаційній роботі,
обумовлює її актуальність.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема
дисертаційної роботи та обраний напрямок досліджень безпосередньо пов’язаний з
реалізацією положень «Стратегії розвитку інформаційного суспільства в Україні»
(затверджена Кабінетом Міністрів України від 15 травня 2013 року), «Плану заходів
на 2015-2017 роки щодо впровадження в Україні у 2017 році системи рухомого
(мобільного) зв'язку четвертого покоління» (Рішення Національної комісії, що
здійснює державне регулювання у сфері зв’язку та інформатизації № 434 від
18.08.2015), Основних пріоритетних напрямків «Національних проектів»:
«Відкритий світ» (створення інформаційно-комунікаційної (4G) освітньої мережі
національного рівня) та «Місто майбутнього» (формування стратегічного плану
системи та проектів розвитку міста), «Основними науковими напрямами та
найважливішими проблемами фундаментальних досліджень у галузі природничих,
технічних і гуманітарних наук НАН України на 2014-2018 роки», з міжнародними
програмами, зокрема, Horizon 2020 (ICT-08-2017 5G PPP Convergent Technologies,
ICT-13-2016: Future Internet Experimentation - Building a European experimental
Infrastructure, ICT-07-2017: 5G PPP Research and Validation of critical technologies and
systems). Основні наукові результати отримано в рамках науково-дослідної роботи
НДР № 36Б115 "Розробка методів синтезу тестових моделей поведінки програмних
об’єктів, підвищення оперативності передачі та захисту інформації у
телекомунікаційних системах" (№ держреєстрації 0115U003103).
15. 15
Роль автора в зазначеній науково-дослідній роботі, в якій дисертант був
безпосереднім виконавцем, полягає в аналізі існуючих методів щодо підвищення
ефективності транспортних сегментів стільникових мереж зв’язку.
Мета роботи. Метою дисертаційної роботи є забезпечення ефективного
використання комунікаційних транспортних каналів як складової комп’ютерних
систем операторів стільникового зв’язку.
Досягнення поставленої мети передбачає розв’язання таких завдань:
1. Проаналізувати ефективність використання транспортних каналів як
складової комп’ютерних систем операторів стільникового зв’язку та методи і
алгоритми її підвищення.
2. Удосконалити математичну модель комунікаційної транспортної мережі
стільникового оператора як складової комп’ютерних систем операторів
стільникового зв’язку.
3.Розробити метод удосконалення комунікаційної транспортної мережі як
складової комп’ютерних систем операторів стільникового зв’язку.
4.Удосконалити метод резервування ресурсів комп’ютерних систем та мереж
операторів стільникового зв’язку.
5.Розроботи метод балансування навантаження в комунікаційній транспортній
мережі комп’ютерної системи оператора стільникового зв’язку.
6 Провести імітаційне моделювання для оцінки ефективності розроблених у
роботі моделей і методів.
Об'єкт дослідження є процес передавання даних у комунікаційних мережах
комп’ютерних систем операторів стільникового зв’язку.
Предмет дослідження є методи та моделі передавання даних у
комунікаційних мережах комп’ютерних систем операторів стільникового
зв’язку.
Методи дослідження. Для досягнення поставлених цілей у дисертаційній
роботі використано методи теорії інформації та передавання сигналів; методи теорії
телетрафіку; методи комп’ютерного моделювання; методи прямого синтезу;
математичної статистики.
16. 16
Наукова новизна. У роботі отримані такі наукові результати:
1. Удосконалено модель транспортної мережі для комп’ютерних систем
оператора стільникового зв’язку, яка за рахунок представлення структури мережі у
вигляді неорієнтованого графа із визначеними пропускними здатностями ребер,
врахування найважливіших характеристик мережі для надання якісних послуг
зв’язку абонентам згідно із договорами про якість обслуговування, визначеним
резервом пропускної здатності, дозволяє провести оптимізацію витрат операторів
стільникового зв’язку (за рахунок мінімізації функції необхідної пропускної
здатності за умови забезпечення необхідного рівня якості обслуговування
абонентів).
2. Вперше розроблено метод удосконалення транспортної мережі комп’ютерних
систем оператора стільникового зв’язку, який за рахунок виконання послідовних
операцій прогнозування кількості трафіку транспортної мережі за допомогою
кореляційно-регресійного аналізу, мінімізації цільової функції коефіцієнту
навантаження, оптимізації маршрутів із забезпеченням необхідної точності, дає
змогу мінімізувати витрати оператора стільникового зв’язку на побудову
транспортного сегменту, при цьому забезпечивши необхідне довгострокове
резервування з метою запобігання перевантажень.
3. Удосконалено метод резервування ресурсів комп’ютерних систем та мереж
оператора стільникового зв’язку, який за рахунок послідовного представлення
структури середовища резервування та пошуку оптимального числа резервних
мережних вузлів з урахуванням обмежуючих факторів для резервування каналів
зв’язку та програмно-апаратних елементів обладнання, дозволяє забезпечити
необхідний рівень надійності та якості надання послуг абонентам мереж
стільникового зв’язку.
4. Вперше розроблено метод балансування навантаження в транспортній мережі
комп’ютерних систем оператора стільникового зв’язку, що за рахунок послідовного
визначення основних характеристик мережі, оцінювання необхідного резерву
каналів зв’язку, вибору оптимальних маршрутів для відправки пакетів з
урахуванням можливостей балансування навантаження, дає можливість більш
17. 17
ефективно використовувати пропускну здатність каналів транспортної мережі
стільникового оператора.
Практичне значення отриманих результатів. Теоретичні результати,
отримані в дисертаційному дослідженні, відкривають можливість виявити і
запропонувати нові практичні шляхи підвищення ефективності комп’ютерних
систем та мереж стільникових операторів під час їх впровадження та удосконалення
в Україні на основі використання нових методів удосконалення транспортних
сегментів, резервування обладнання та каналів зв’язку.
При цьому отримані результати дозволяють: здійснювати оптимізацію
параметрів мережі стільникового оператора; проводити більш ефективне керування
мережею стільникового оператора; запроваджувати нові сервіси для використання в
стільниковій мережі; забезпечувати резервування ресурсів комп’ютерних систем та
мереж; проводити попередню оцінку вартості проектного рішення мережі LTE.
Практична цінність дисертаційної роботи полягає в такому:
- розроблено методику вибору оптимальної технології транспортної мережі;
- розроблено відповідне алгоритмічне і програмне забезпечення для оцінки
вартості мережі LTE;
Матеріали дисертаційної роботи упроваджено в ТОВ «РОКС», ТОВ «Депс-
Солюшнз» навчальний процес Національного авіаційного університету, Київського
коледжу зв’язку, Одеської національної академії ім. О.С.Попова. Використання
результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.
Особистий внесок автора. Основні положення й результати дисертаційної
роботи отримані автором самостійно. Роботи, виконані разом із співавторами,
наведені в переліку публікацій. З робіт, що опубліковані у співавторстві,
використовуються результати, отримані особисто здобувачем. У роботах,
опублікованих у співавторстві, автору дисертації належить: математичні моделі
різнорідного мережевого трафіку [1], питання розробки алгоритмів і побудови
математичної моделі для оцінювання величини і впливу затримок сигнальної і
управляючої інформації на ефективність пошуку і локалізації місць відмов,
перевантажень і аварійних режимів в мережах телекомунікації [2], математичні
18. 18
моделі марковських процесів загибелі та розмноження з нестаціонарними
імовірностями переходу [3], математична модель запитів до вузлів безпроводової
мережі з використанням методу полінга [4]; модифікований метод адаптивного
формування потоків даних і налаштування системи управління з прямим та
зворотним зв’язком за результатами поточних вимірювань швидкості заповнення
буфера формувача [5]; метод адаптивного формування потоків мережевого трафіку
[6]; аналіз алгоритмів резервування ресурсів мережі [7]; дослідження ефективності
стільникових мереж в Україні [8]; алгоритм для розробленого програмного
забезпечення [9]; метод резервування ресурсів та балансування навантаження в
транспортній мережі з урахуванням основних характеристик мережі [10], метод
оптимізації підсистеми базової станції мобільних операторів [11], розширена
класифікація послуг стільникового оператора [12], удосконалення архітектури
транспортної мережі стільникового оператора [13], методи захисту інформації в
оптичних мережах [14].
Апробація результатів дисертаційного дослідження. Основні теоретичні та
практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на таких
конференціях і семінарах: Восьма міжнародна науково-технічна конференція
«Проблеми телекомунікацій», 22-25 квітня 2014 р., м. Київ, КПІ.; Міжнародна
науково-технічна конференція «Сучасні інформаційно-телекомунікаційні
технології», 17-20 листопада 2015 р., м. Київ, ДУТ; Международная научно-
техническая конференция «Современные информационно-телекоммуникационные
технологии», «Развитие информационных технологий», 17-20 ноября 2015 г., г.
Киев, ДУТ; Десята міжнародна науково-технічна конференція «Проблеми
телекомунікацій» і Восьма Міжнародна науково-технічна конференція студентів та
аспірантів «Перспективи розвитку інформаційно- телекомунікаційних технологій та
систем» 19–22 квітня 2016 р,м.Київ, НТУУ "КПІ"; одинадцята міжнародна науково-
технічна конференція "Проблеми Телекомунікацій" і дев’ята міжнародна науково-
технічна конференція студентів та аспірантів «Перспективи розвитку інформаційно-
телекомунікаційних технологій та систем» 18–21 квітня 2017 р.; шістнадцята
19. 19
міжнародна науково-технічна конференція ОНАЗ ім. О.С. Попова; восьма
міжнародна науково-технічна конференція «Проблеми інформатизації» 11 – 12
квітня 2017 року, ДУТ; 10 - 13 October, 2017 on the basis of Kharkiv National
University of Radio Electronics will be held the 4th International Scientific and Practical
Conference «Problems of Infocommunications. Science and Technology» (PICS&T-
2017); 3-а Всеукраїнська науково-практична конференція «Перспективні напрями
захисту інформації»; Всеукраїнська науково-практична інтернет-конференція
«Автоматика та комп’ютерно- інтегровані технології у промисловості,
телекомунікаціях, енергетиці та транспорті», 16-17 листопада 2017 року, XVIII
міжнародна науково-технчічна конференція «Вимірювальна та обчислювальна
техніка в технологічних процесах», червень 2018 р.
Публікації. Основні зміст, наукові положення та результати дисертації
викладено у 27 наукових працях, основні 14 з яких наведено у авторефераті, в тому
числі – 7 статей у фахових наукових журналах [1-3],[5],[8-10] що входять до
переліку МОН України, 2 наукові статті у фахових виданнях інших країн [4], [6], 4
тези доповідей на конференціях, зокрема 1 апробація [11] на конференції IEEE.
Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох
розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг
роботи складає 159 сторінок, у тому числі 132 основного тексту. Дисертація містить
45 рисунків та 11 таблиць. Список використаних джерел на 13 сторінках містить 133
найменування.
20. 20
РОЗДІЛ 1
ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ТРАНСПОРТНИХ СЕГМЕНТІВ СУЧАСНИХ
СТІЛЬНИКОВИХ МЕРЕЖ
1.1. Дослідження архітектури розподілених транспортних мереж
стільникових операторів
1.1.1. Архітектура мережі LTE
Long Term Evolution (LTE, англ. Long Term Evolution — «довготерміновий
розвиток») — назва мобільного протоколу передачі даних; проект 3GPP, стандарт з
вдосконалення UMTS для задоволення майбутніх потреб у швидкості [1].
Мережі 4G на основі стандарту LTE працюють у всіх існуючих діапазонах
частот, що виділені для стільникового зв’язку по усьому світу. У Північній Америці
700, 750, 800, 850, 1900, 1700/2100, 2500 та 2600 MГц, відповідно діапазони 4, 7, 12,
13, 17, 25, 26, 41; 2500 MГц у Південній Америці; 800, 900, 1800, 2600 MГц у
Європі, відповідно діапазони 3, 7, 20; 1800 та 2600 MГц у Азії, відповідно діапазони
1, 3, 5, 7, 8, 11, 13, 40; 1800 MГц та 2300 MГц у Австралії та Новій Зеландії
відповідно діапазони 3МГц та 40МГц [2].
Швидкість закачування за стандартом 3GPP LTE в теорії досягає 326,4 Мбіт/с
(download), і 172,8 Мбіт/с на віддачу (upload). Практично забезпечує швидкість
передачі даних від базової станції до пристрою абонента до 100 Мбіт/с і швидкість
від абонента до базової станції — до 50 Мбіт/с.
Мережа LTE складається з двох найважливіших компонентів: мережі
радіодоступу E-UTRAN і базової мережі SAE (System Architecture Evolution) або
EPC (Evolved Packet Core Network) (Рис. 1.1) [3].
21. 21
Рис.1.1 Архітектура мережі LTE
Основним досягненням такої архітектури, в порівнянні з попередніми
поколіннями є менші затримки при передачі як даних користувача, так і керуючої
інформації у зв'язку з проходженням через менше число проміжних елементів [4, 5].
Обмін даними в мережі EPC відбувається тільки по IP протоколу з комутацією
пакетів, що суттєво відрізняє мережу LTE від мереж попередніх поколінь, в яких
використовувалася комутація каналів між окремими елементами. В дану мережу
входять елементи, що відповідають за управління, маршрутизацію, комутацію і
зберігання різних даних, про які далі буде розказано більш докладно.
1.1.2 Архітектура мережі LTE-Advanced
Процес визначення майбутнього сімейства стандартів IMT-Advanced почався зі
звернення ITU-R , який вимагав представити можливий Radio Interface Technologies
(RITs) і налаштування Radio Interface Technologies (SRITs) для IMT-Advanced [1].
Проте, всі специфікації, наявні на момент, для IMT-Advanced не мали нових
22. 22
технічних деталей, які відповідали б властивостями майбутніх 4G систем. Замість
цього, вони посилалися на Рекомендацію M.1645 [6], в якій були нечітко визначені
цілі розвитку сімейства стандарту IMT-Advanced: дійти до 100 Мбіт / с для
мобільного доступу і до 1 Гбіт / с для стаціонарного радіодоступу. На жаль, це не
було реалізовано до листопада 2008 року, коли були описані вимоги до технічних
характеристик для IMT-Advanced інтерфейсу [7].
В таблиці 1.1 нижче приводиться порівняння вимог IMT-Advanced, LTE Rel.8 і
LTE-Advanced [6, 8, 9, 10].
Таблиця 1.1
Порівняння вимог до IMT-Advanced, LTE Rel.8 і LTE-Advanced
Параметр Вимоги ІМТ-А LTE Rel.8 LTE-A (Rel.10)
Ширина каналу мінімум 40 МГц до 20 МГц до 100 МГц
Пікова
спектральна
ефективність:
-низхідний канал
-висхідний канал
15 біт/с/Гц
6,75 біт/с/Гц
16 біт/с/Гц
4 біт/с/Гц
16 (30)* біт/с/Гц
8,1(16,1)** біт/с/Гц
Затримка:
-сигнальні дані
-дані користувача
<100мс
<10мс
50мс
4,9мс
50мс
4,9мс
* - значення приведені для конфігурації 4*4 (в дужках 8*8)
** - значення приведені для конфігурації 2*2 (в дужках 4*4)
23. 23
1.1.3. Транспортна мережа
Архітектура мережі LTE розроблена таким чином, щоб забезпечити підтримку
пакетного трафіку з так званою «безшовною» (seamless) мобільністю, мінімальними
затримками доставки пакетів і високими показниками якості обслуговування [10].
Вона представлена на рис. 1.2.
Internet
Оператори
ІР-сервісів
MME
Evolved Packet Core
PCRF
PDN GW
S-GW
SGI SGI
eNB
eNB
eNB
Femtocell
S1
S1
S1
S1
S1
S1
X2
X2
X2
S7
S5
Backhaul Backbone
Рис. 1.2. Транспортна мережа LTE
Для належної підтримки нових широкосмугових технологій радіодоступу в
транспортних мережах повинна бути підвищена ефективність передачі інформації
при зниженні вартості доставки кожного мегабайта трафіку та забезпеченні якості
обслуговування (QoS), необхідного кожному типу трафіку [11]. Класична
транспортна мережа оператора стільникового зв'язку складається з двох основних
сегментів [10, 11]:
- розподільної мережі (backhaul), що зв'язує базові станції з контролерами і
центрами комутації рухомого зв'язку (Mobile Switching Center, MSC);
24. 24
- магістральної мережі (backbone), що забезпечує високошвидкісний транспорт
між центрами комутації.
До основних критеріїв для оцінки транспортної мережі можливо віднести [12 –
14]:
- пропускна здатність каналу зв'язку - критерій, що визначає максимальну
пропускну здатність каналу зв'язку, яка може бути досягнута при використанні тієї
чи іншої технології;
- максимальна довжина транспортної ділянки - критерій, який використовується
виключно для оцінки технологій побудови транспортних мереж і визначає
максимальну (відповідно до стандарту або рекомендації) відстань, на яку може бути
організований канал зв'язку з використанням тієї чи іншої технології (вимірюється в
км);
- час відновлення зв'язку - критерій, що визначає орієнтовний час відновлення
зв'язку (оновлюється можливість передачі корисної інформації) на ділянці мережі,
побудованому з використанням тієї або іншої технології, після відновлення
фізичного каналу (вимірюється в мс);
- можливість управління навантаженням - критерій, який відображає підтримку
тієї або іншої технологією механізмів управління навантаженням в мережі
(гнучкість маршрутизації, підтримка динамічної реконфігурації і т.д.;
- підтримка резервування - критерій, який відображає підтримку тієї або іншої
технологією механізмів резервування каналів зв'язку (можливість перемикання в
автоматичному режимі на резервний напрямок у випадку виходу з ладу основного).
резервування мережі збільшує характеристику надійності, що в умовах
магістральних мереж є досить вагомим критеріїм, тому даний параметр
використовується для оцінки;
- доступність обладнання - критерій, що відображає наявність (або відсутність)
досить великого ринку виробників і моделей устаткування, яке може бути
використане для будівництва транспортної мережі з використанням тієї чи іншої
технології.
25. 25
- доступність фахівців - критерій, що відображає наявність (або відсутність)
достатньої кількості фахівців на місцевому ринку праці, які можуть бути задіяні для
будівництва, розвитку та поточного обслуговування обладнання тієї чи іншої
технології побудови транспортної мережі оператора;
- сумісність обладнання різних виробників - критерій, що відображає
можливість використання обладнання, необхідного для побудови транспортної
мережі за допомогою тієї чи іншої технології, виробленого різними виробниками.
Критерії можливо об’єднати у наступні фактори:
- ефективність – є важливим параметром транспортної мережі , що відображає
якісні характеристики мережі, можливість найкращого забезпечення послуг своїм
абонентам. До критеріїв відносяться: пропускна здатність, маршрутизація,
управління навантаженням, довжина лінії.
- надійність – є найважливішим параметром для оцінки магістральної мережі,
адже не важливо наскільки ефективною є мережа якщо вона не працює. Тому
забезпечення безперебійного надання послуг та швидкого відновлення зв’язку є
важливіше ніж параметри ємкості та швидкості. До критеріїв відносяться: час
відновлення, резервування, інтенсивність відмов, час напрацювання.
вартість – є вагомим критерієм для побудови локальних мереж, але для
магістральних мереж кінцева вартість не є найважливішим параметром, для якості
мережі важливіше якість обслуговування абонентів, та надаваємих їм послуг, а не
вартість на досягнення цих послуг. До критеріїв відносяться: доступність
спеціалістів, вартість системи, вартість 1 біта, сумісність обладнання.
1.2. Методика вибору оптимальної технології транспортної мережі
Для визначення можливостей впровадження стільникових мереж нових
поколінь було проведено аналіз існуючих технологій транспортних мереж [15, 16].
Для цього було запропоновано математичний апарат для проведення оцінки
існуючих технологій транспортних мереж, та вибору оптимальної технології за
допомогою експертних оцінок провідних фахівців.
26. 26
Для визначення кращих систем було розроблено методику порівняльної оцінки
мереж, на основі якої є можливим здійснення вибору оптимальної транспортної
мережі.
Серед основних критеріїв для оцінки транспортної мережі було віднесено
наступні:
- пропускна здатність каналу зв'язку;
- максимальна довжина транспортного ділянки;
- час відновлення;
- можливість управління навантаженням;
- підтримка резервування;
- доступність обладнання;
- доступність фахівців;
- сумісність обладнання різних виробників.
Для оцінки технологій критерії були об’єднані у наступні фактори:
-ефективність;
-надійність;
-вартість.
Використовуючи метод попарного порівняння елементів ієрархії, було
побудовано матриці парних порівнянь для ієрархії, що відбиває основні вигоди від
системи передачі. Для кожної матриці розрахуємо нормований вектор пріоритетів
(Е), власне число матриці (λmax) і відношення узгодженості (СІ). Розрахунок виглядає
наступним чином – функція eigenvals (D) обчислює власний значення квадратної
матриці D.
Розрахунок нормованого вектора пріоритетів ведеться за наступним
алгоритмом:
1) перемножуються елементи кожного рядка, отриманий результат записується
в стовпець.
2) береться корінь n-го ступеня з кожного елемента знайденого масива (n -
порядок матриці).
3) складаються елементи стовпця.
27. 27
4) кожен з елементів стовпця ділиться на отриману суму.
Даний спосіб обчислення є наближеним і ефективний лише для симетричних
матриць, досить близьких до узгоджених.
Елементи завдання порівнюються попарно по відношенню до їх впливу («вазі»,
або «інтенсивності») на загальну для них характеристику. Порівнюючи набір
складових проблеми один з одним, виходить квадратна матриця виду:
A1 A2 A3 A4
A1 W1/W1 W1/W2 W1/W3 W1/W4
A2 W2/W1 W2/W2 W2/W3 W2/W4
A3 W3/W1 W3/W3 W3/W3 W3/W4
A4 W4/W1 W4/W3 W4/W3 W4/W4
A1 A2 A3 A4
A1 A11 A12 A13 A14
A2 A21 A22 A23 A24
A3 A31 A32 A33 A34
A4 A41 A42 A43 A44
Ця матриця має властивість зворотньої симетричності, тобто:
aij = 1/ aji,
де індекси i та j відносяться до рядку і стовпцю відповідно.
A1 , А2 , А3 … Аn - безліч з n елементів, w1, w2,w3, …wn - відповідно їх вага і
інтенсивність.
Далі з метою визначення вектора пріоритету альтернатив щодо факторів і
фокуса ієрархії було здійснено ієрархічний синтез.
Вектор пріоритетів альтернатив щодо фактора «Ефективність» визначається
шляхом перемноження матриці, сформованої із значень векторів пріоритетів
(«пропускна здатність», «довжина лінії», «управління навантаженням»,
«маршрутизація») на вектор, що визначає значимість критеріїв якості, розташованих
29. 29
Графічно можна відобразити діаграму розподілу вибору систем передачі за
обраною методикою (рис. 1.4).
Технологія
0
10
20
30
40
50
60
IP_MPLS
IPoDWDM
SONET SDH
Рис 1.4. Діаграми вибору технології мережі
Також можна зобразити ієрархічну структуру проблеми вибору системи, та
показати розподіл важливості критеріїв (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Ієрархія проблеми вибору технології мережі
30. 30
Таким чином, можна зробити висновок, що за розробленою методикою,
вибраним локальними пріоритетами, серед досліджуваних систем найкращою є
мережа на базі технології IPoDWDM max( ) 54,128%generalW . Хоча, як можна бачити з
отриманих оцінок, технологія IP MPLS лише трохи поступається їй. А технологія
SONET SDH вже значно відстає, і це свідчить про те, що остання технологія вже
досить застаріла і не може задовольнити всіх потреб користувачів
телекомунікаційних ресурсів.
1.3. Дослідження основних рішень для побудови транспортних мереж
Обладнання транспортної мережі необхідно вибирати, в першу чергу
керуючись особливостями технології LTE [16, 17], а також, щоб дане обладнання
відповідало вимогам надійності, відрізнялося ефективністю, гнучкістю,
компактністю , володіло широким набором функцій і задовільняло поняттю « ціна -
якість ». Головною умовою при виборі обладнання транспортної мережі є надійна
передача даних користувачів, дотримуючись розрахованої пропускної здатності
мережі LTE.
Транспортна мережа проектуємої мережі LTE буде реалізована за допомогою
оптоволоконних ліній передачі по технології Ethernet. В технології Ethernet
(стандарт IEEE 802.3) визначені наступні швидкості: Ethernet на швидкості 10
Мбіт/с, Fast Ethernet на швидкості 100 Мбіт/с, Gigabit Ethernet на швидкості 1 Гбіт/с
і 10 Gigabit Ethernet на швидкості 10 Гбіт/с. Швидкості в 1 і 10 Гбіт/с подходять для
транспортної мережі [10, 34].
Істотною перевагою систем Ethernet є широка масштабованість і максимальна
наближеність до стеку протоколів IP. У світі проектування мобільних мереж
існують різні рішення вибору обладнання, як мережі радіодоступу, так і
транспортної мережі. Компанії - виробники обладнання для мереж мобільного
зв'язку надають операторам пакети готових рішень, що складаються з підібраного за
різними показниками стека апаратури. В пакети готових рішень для реалізації
транспортної мережі мобільного оператора можуть входити робочі станції,
31. 31
комутатори, маршрутизатори, мультисервісні станції, а також спеціалізоване
обладнання для управління мережею.
На сьогоднішній день серед всіх рішень різних компаній- виробників
комутаційного обладнання для реалізації транспортної мережі LTE виділяються
рішення двох компаній: «Huawei Technologies» і «Alcatel – Lucent». Проведемо
короткий аналіз рішень цих компаній і зведемо дані в таблицю 1.2.
Таблиця 1.2
Дані аналізу рішень для реалізації транспортної мережі LTE компаній «Huawei
Technologies» і «Alcatel – Lucent» [19]
Комутаційне обладнання
транспортної мережі LTE
Компанії-виробники
«Huawei Technologies» «Alcatel – Lucent»
1. Комутаційне
обладнання мережі радіо
доступу E-UTRAN
RRU3908 – виносний
радіочастотний блок.
Забезпечує обробку сигналів
основних частот і
радіочастотних сигналів. Один
RRU3908 виконує функцію
двох прийомопередавачів
Cервісний
маршрутизатор
7750SR: підходить для
крупно масштабних
мереж в мегаполісах;
IP – маршрутизація, 10
портів Ethernet, висока
ціна;
32. 32
Продовження табл.1.2.
2. Комутаційне
обладнання
інтелектуальної інтеграції
BBU3900 являється блоком
обробки базових частот для
встановлення всередині
приміщення, який забезпечує
централізоване управління
експлуатацією і
обслуговуванням, а також
обробку сигналізації всієї
системи базової станції і
забезпечує опорний сигнал
синхронізації.
Маршрутизатор
сервісної агрегації 7705
SAR: 6 портів 10/100
Ethernet Base-T, 2
порта GEBase-TX з
модулями SPF; низька
ціна, низька
продуктивність;
3.Обладнання для
реалізації EPC LTE,
управління послугами
Мультисервісна платформа
BSC 6900 lte huawei:
продуктивність 320 Гбіт/с;
інтерфейси – GE, 10GE; висока
ціна; масштабованість;
протоколи передачі – OSPF,
RIPv2, EIGRP, BGP; час
напрацювання на відмову 7
років; протокол управління –
SNMP; IP-маршрутизація
Система управління
мережею 5620 SAM:
включає в себе
декілька комутаторів і
маршрутизаторів;
підтримка Ethernet,
ATM; IP –
маршрутизація;
протоколи передачі –
OSPF, BGP
Із таблиці 1.2 видно, что рішення компанії «Huawei Technologies» для реалізації
транспортної мережі LTE являється кращим по багатьом параметрам і ціна на
обладнання даного виробника менша, а також висока якість виконання і високий
рівень технічної підтримки дозволяють зробити вибір саме в користь даної
продукції.
Обладнання транспортної мережі для передачі даних по технології LTE
ділиться на [21]:
1. Транспортне обладнання мережі радіодоступа.
2. Транспортне обладнання інтелектуальної агрегації.
33. 33
У той час як технологія DWDM розвивається в напрямку більш високих рівнів
продуктивності (100G, 500G і 1 Тбіт/с), хоча пропускна здатність сервісів не
перевищує 10G, вищеописана архітектура вже не працює. Використання
мультиплексування ROADM для автоматизації оптичного транзитного трафіку в
багатьох мережах, де канали 100G повністю зайняті сервісами, виправдано, але в
більшості випадків залишаться незаповнені канали. Так як при використанні
мукспондеров для впровадження сервісів необхідне ручне з'єднання волокна,
установка додаткових мукспондеров в розподільних вузлах для переведення
аналогових сервісів в електронні, а часто і кілька стадій мультиплексування,
здійснити заповнення дорогих каналів стає дуже затратним, що зумовлює низьку
ефективність архітектури [21].
Поширена проблема неузгодженості каналів вимагає рішення, тут і вводиться
цифрова комутація - з її допомогою можна організувати управління смугою
пропускання (рис 1.6).
(а) (б)
Рис. 1.6. Цифрова комутація
(а – без комутації; б – з комутацією)
На відміну від мультиплексування ROADM, засоби цифрової комутації можуть
«розкрити» канал і в прямому сенсі маніпулювати сервісами аж до рівня в 1 Гбіт/с.
Це досягається шляхом перетворення фотонів в каналі в електрони і відправки їх на
матрицю комутації, де вони комутуються електронними засобами. Після цього
вузловий комутатор може підключати сервіси, що надходять, відключати їх,
перенаправляти їх з одного спектрального каналу і групувати з іншими сервісами, а
34. 34
потім розмічати ці сервіси, перенаправляючи їх в інший канал. Такі операції
здійсненні з будь-яким сервісом, портом і каналом в будь-якому напрямку і не
сприяють блокуванню каналу - тобто, вони заповнюються і використовуються
ефективніше, а, отже, знижується їх необхідна кількість для роботи певних сервісів
каналів.
Менша кількість каналів означає меншу кількість необхідних модулів DWDM і
шасі для вбудовування даних модулів, меншу кількість волоконних з'єднань, менше
електроенергії, менше операцій для забезпечення роботи систем. Всі перераховані
вище елементи впливають на обсяг капітальних і експлуатаційних витрат, які будуть
потрібні протягом деякого періоду часу для забезпечення масштабованості мережі.
В кінцевому підсумку, рівень комутації можна об'єднати з автоматизованим рівнем
управління, наприклад, GMPLS, для управління мультиплексуванням ROADM,
оптичною або електронною комутацією, здатною забезпечити суттєву економію
коштів при проектуванні і експлуатації мережі.
1.4. Формування вимог до сучасних транспортних мереж
Випадки використання, основні принципи проектування та бачення системи
приводять до вимог 5G, котрим повинна задовольняти майбутня система
стільникового широкосмугового зв'язку [36] (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Ключові вимоги до мереж 5G
35. 35
У 10000 разів більше трафіку потрібно буде проводити через всі стільникові
широкосмугові технології в якийсь момент часу між 2020 і 2030 роками. Потреба в
додатковій потужності йде рука об руку з доступом до більшої кількості спектра на
більш високих частотах несучої. Нова система 5G повинна бути спроектована таким
чином, щоб забезпечувати розгортання в нових частотних діапазонах.
Прогнозується стрімке зростання кількості пристроїв від десяти до ста на
кожного користувача стільникового зв'язку [23]. Загальна тенденція така, що в
кінцевому підсумку буде підключено все, що може виграти від підключення до
мережі, починаючи від світлофорів, побутової техніки до автомобілів, медичного
устаткування і систем електропостачання. Це відкриває необмежені можливості для
людей, бізнесу та суспільства. Забезпечення такого роду підключень - завдання, яке
належить вирішити технологіям 5G.
Іншим фактором є радіо затримка менше, ніж одна мілісекунда, що дуже
важливо для:
- досягнення високих швидкостей передачі даних, зберігаючи при цьому
низьку вартість обладнання
- забезпечення швидкого часу відгуку процедури в системі
- цілого ряду нових випадків застосування, таких як дистанційне керування
машинами і об'єктами в хмарі або Tactile Internet
Пікові швидкості передачі даних системи 5G повинні бути вище, ніж 10 Гбіт/с,
але що більш важливо, швидкість передачі даних на границі покриття (95%
користувачів) повинна становити 100 Мбіт/с. Це дозволить використовувати
стільниковий Інтернет в якості надійної заміни кабелю там, де це необхідно.
Мобільність повинна бути забезпечена при швидкостях, як сьогодні або вище
- звичайно, невеликі стільники будуть оптимізовані для більшої мобільності, але
більш високі швидкості також будуть підтримуватися.
Точне позиціонування пристрою також має бути можливим з 5G, в приміщенні,
а також на відкритому повітрі. Засновані на місцезнаходженні послуги стають все
більш важливими і будуть супроводжуватися зазначенням місця розташування на
36. 36
основі реального часу. Інше застосування фіксуючих пристроїв більш точно, ніж в
даний час може бути радіо розподіл ресурсів на основі позицій пристроїв.
Безпека буде дуже важливою вимогою для 5G і ця тенденція вже вирішується.
У новій системі, не тільки безпека конфіденційних персональних даних, а й безпека
від вставки неправдивої інформації в систему повинна бути забезпечена, з якомога
простішими процедурами [24].
Надання високоякісного доступу до послуг. Існуючі технології мобільного
широкосмугового доступу, такі як HSPA і LTE [26, 27], будуть і далі розвиватися, і
забезпечать основу нового стандарту мереж п'ятого покоління. Так, наприклад,
повсюдно стануть доступними швидкості передачі даних на рівні сотень Мбіт/с.
Забезпечення високої якості доступу до високошвидкісних мобільних сервісів стане
можливим завдяки впровадженню технології інтелектуальних антен з великим
числом керованих елементів, освоєнню нових діапазонів більш високого ступеня
координування між базовими станціями. З'являться нові сценарії розгортання
мереж. Так, все більше операторів будуть вдаватися до стратегії розгортання малих
сот. Крім того, зміни відбудуться і в парадигмі комунікацій в бік все більшого
впливу межмашинної взаємодії.
Забезпечення надвисокої пропускної здатності мережі. Для того, щоб
забезпечити обробку надвисокого обсягу користувацького трафіку і швидкості
передачі даних, вимірювані в кілька Гб/с в конкретних сценаріях передбачається
впровадження надщільного розгортання мереж, базові станції в яких будуть
використовувати дуже широку смугу пропускання у верхніх діапазонах частот за
допомогою нових технологій радіодоступу. Надщільні мережі будуть складатися з
малопотужних базових станцій, встановлюваних з набагато більш високою
щільністю в порівнянні з базовими станціями, існуючими сьогодні. У крайніх
випадках, усередині приміщень базові станції будуть встановлюватися в кожній
кімнаті, а поза приміщеннями вони розміщуватимуться по відношенню один до
одного на відстані ліхтарних стовпів. З метою надійної підтримки гігабітних
швидкостей, надщільні мережі повинні забезпечувати смугу пропускання не нижче
декількох сотень мегагерц з можливістю розширення до декількох гігагерц.
