Расчет количества зон уверенного приема радиосигнала сети LTE на территории Советского района города Самара с возможностью трансляции по ней интерактивного телевидения IPTV. Определение оптимального количества базовых станций для построения сети.
Аннотация к работе
В сети UMTS по сравнению с сетью GSM наибольшие изменения претерпела подсистема базовых станций. Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к элементу SGSN (Serving GPRS support Node - узел обслуживания абонентов GPRS), после чего через GGSN (Gateway GPRS Support Node - узел маршрутизации) поступают к другим внешним сетям передачи данных, например Internet. Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS. Wi-Fi сеть может использоваться: - для беспроводного подключения пользователей к сети; Хэндовер между сетью LTE и другой сетью 3GPP при осуществлении голосового вызова происходит с помощью взаимодействия логического элемента MME с сервером MSC по интерфейсу Sv в случае вызовов из сети LTE в традиционный домен коммутации каналов (CS-домен); и с помощью взаимодействия логического элемента MME с узлом SGSN по интерфейсу S3 в случае голосового вызова из сети LTE в домен коммутации пакетов (PS-домен).В данной дипломной работе было проведено сравнение основных стандартов беспроводной связи, обзор технологий, используемых в рассмотренных сетях, приведены структурные элементы этих сетей, диапазоны частот на территории РФ, в которых работает каждая из них, преимущества и недостатки технологии LTE. Проведен обзор технологии IPTV, строение и оборудование головной станции, оборудование пользователей интерактивного телевидения. Также была рассмотрена возможность и способы просмотра IPTV через 4G сеть LTE, приложена схема объединения этих сетей. Территорией для организации сети LTE с возможностью трансляции интерактивного телевидения был выбран Советский район города Самара.
Введение
В современном мире потребность человека быть свободным от проводной инфраструктуры постоянно растет, но желание не терять связь с окружающим нас миром через телефон, Интернет и телевидение зачастую остается неизменным. Телевидение вошло в нашу жизнь уже достаточно давно и нынешний темп жизни требует разработки решений, позволяющих пользоваться телевидением без привязки к определенным помещениям, будь то дом, офис или торговый центр.
Благодаря современным беспроводным технологиям с поддержкой таких сетевых протоколов передачи данных как HSPA (High Speed Packet Access) и LTE (Long Term Evolution) появляется возможность повсеместного использования высокоскоростного мобильного Интернета для удовлетворения широкого спектра информационных потребностей населения, в том числе для просмотра телевидения на экранах мобильных устройств.
С помощью IPTV или интерактивного телевидения (Internet Protocol Television), средой доставки сигнала которого является именно сети передачи данных, открывается возможность не только просмотра телевидения как такового, но и пользования дополнительными услугами, таких как запись эфира, просмотр сведений о текущих передачах и фильмах, телетекст, программа телепередач, видеозвонки и многое другое. Кроме того, зачастую IPTV позволяет добиться более высокого качества изображения и звука по сравнению с эфирным кабельным ТВ вплоть до HD (англ. High Definition - высокая четкость) разрешения и многоканального аудио.
Целью данной дипломной работы является расчет количества зон уверенного приема радиосигнала сети LTE на территории Советского района города Самара с возможностью трансляции по ней интерактивного телевидения IPTV. Одной из главных задач является определение оптимального количества базовых станций для построения сети с целью приемлемого сочетания площади радиопокрытия и требуемой для данной зоны емкости. сеть радиосигнал трансляция телевидение
1. Сравнение стандартов LTE, UMTS, Wi-Fi и WIMAX
1.1 3G UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
Стандарты третьего поколения пришли на смену стандартам 2G. В первую очередь их появление обусловлено возросшими потребностями абонентов в скорости передачи данных. Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - Универсальная система мобильной связи) нашел наибольшее распространение среди других стандартов этого поколения на территории Европы, в том числе и России.
Скорость передачи данных для сетей UMTS может достигать 2 Мбит/сек. Благодаря технологии HSDPA (High Speed Downlink Packet Access, 3.5G), которая была внедрена в 2006 году, максимальная скорость возросла до 14 Мбит/сек. Эти и другие преимущества UMTS позволяют предоставлять абонентам широкий перечень услуг: видеозвонки, видеоконференции, высококачественные голосовые звонки, загрузка файлов с высокой скоростью, сетевые игры, мобильная коммерция и многое другое.
В первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) подсистема коммутации не отличалась по своей структуре от той же подсистемы сетей второго поколения (рис. 1.1). В нее входили MSC - Mobile Switching Centre, который выполнял функции коммутации, установления соединения, тарификации и другое, а также ряд регистров HLR, VLR, AUC, которые предназначены для хранения абонентских данных. В более поздних релизах (R5, R6, R7, R8) функции MSC были разделены между двумя устройствами: MSC-Server и MGW (Media gateway). MSC-Server отвечает за установление соединений, тарификацию, выполняет некоторые функции аутентификации. MGW представляет собой коммутационное поле, подчиненное MSC-Server.
Рис. 1.1 Структура сети стандарта UMTS
В сети UMTS по сравнению с сетью GSM наибольшие изменения претерпела подсистема базовых станций. Отмеченные выше преимущества достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента.
Рассмотрим основные элементы, входящие в подсистему базовых станций: · RNC (Radio Network Controller) - контроллер сети радиодоступа системы UMTS. Он является центральным элементом подсистемы базовых станций и выполняет большую часть функций: контроль радиоресурсов, шифрование, установление соединений через подсистему базовых станций, распределение ресурсов между абонентами и др. В сети UMTS контроллер выполняет гораздо больше функций, нежели в системах сотовой связи второго поколения.
· NODEB - базовая станция системы сотовой связи стандарта UMTS. Основной функцией NODEB является преобразование сигнала, полученного от RNC в широкополосный радиосигнал, передаваемый к телефону. Базовая станция не принимает решений о выделении ресурсов, об изменении скорости к абоненту, а лишь служит мостом между контроллером и оборудованием абонента, и она полностью подчинена RNC.
· UE (User Equipment) - оборудование абонента. Тем самым подчеркивается, что в отличие от предшествующих стандартов в UMTS может быть не только обычный телефон, но и смартфон, нетбук, ноутбук, стационарный компьютер и т.п.
Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к элементу SGSN (Serving GPRS support Node - узел обслуживания абонентов GPRS), после чего через GGSN (Gateway GPRS Support Node - узел маршрутизации) поступают к другим внешним сетям передачи данных, например Internet. Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS. Производится только коррекция программного обеспечения данных элементов.
1.2 Wi-Fi
Wi-Fi - это современная беспроводная технология соединения компьютеров, а также мобильных устройств, в локальную сеть и подключения их к Интернету (рис. 1.2).
Рис. 1.2 Схема сети Wi-Fi
Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.
Беспроводные сети особенно целесообразны на предприятиях, где сотрудники активно перемещаются по территории во время рабочего дня с целью обслуживания клиентов или сбора информации (крупные склады, агентства, офисы продаж, учреждения здравоохранения и др.).
Wi-Fi сеть может использоваться: ? для беспроводного подключения пользователей к сети;
? для объединения пространственно-разнесенных подсетей в одну общую сеть там, где кабельное соединение подсетей невозможно или нежелательно;
? для подключения к сетям провайдера интернет-услуги вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.
К настоящему времени разработано большое количество стандартов (802.11a/b/g/n), но нас интересует самый распространенный на данный момент стандарт IEEE 802.11n, который будет рассмотрен далее.
Разработка стандарта IEEE 802.11n официально началась 11 сентября 2002 года. Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГЦ, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n поддерживают частотный диапазон 2,4 ГГЦ.
Увеличение скорости передачи в стандарте IEEE 802.11n достигается, во-первых, благодаря удвоению ширины канала с 20 до 40 МГЦ, а во-вторых, за счет реализации технологии MIMO.
Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предполагает применение нескольких передающих и принимающих антенн. По аналогии традиционные системы, то есть системы с одной передающей и одной принимающей антенной, называются SISO (Single Input Single Output).
Теоретически MIMO-система с n передающими и n принимающими антеннами способна обеспечить пиковую пропускную способность в n раз большую, чем системы SISO. Это достигается за счет того, что передатчик разбивает поток данных на независимые последовательности бит и пересылает их одновременно, используя массив антенн. Такая техника передачи называется пространственным мультиплексированием. Отметим, что все антенны передают данные независимо друг от друга в одном и том же частотном диапазоне.
1.3 Mobile WIMAX
Стандарт WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - это технология высокоскоростной беспроводной передачи данных, которая в настоящее время нашла широкое распространение в качестве способа предоставления широкополосного абонентского доступа. Разработкой этого стандарта занимается WIMAX Forum, а релизы публикуются со следующей нумерацией: "802.16x", где "x" - это буквенное обозначение версии. Они отличаются друг от друга, в первую очередь, способами модуляции и кодирования сигнала на радио-интерфейсе. Кроме того, стандарты с индексами "e" и "m" относятся к мобильным технологиям. Главное их отличие от предыдущих релизов заключатся в возможности хэндовера между двумя сотами.
Споры о том, относятся ли 802.16e и 802.16m к стандартам сотовой связи ведутся уже давно. С одной стороны они разработаны на основе немобильных стандартов. Но с другой стороны эти стандарты имеют много внешних признаков сотовых систем связи. Главным из таких признаков является ячеистая структура радиопокрытия с возможностью переиспользования частот в другой географической зоне. Кроме того, Mobile WIMAX предоставляет возможность хэндовера между сотами, т.е. соединение, установленное в области покрытия одной базовой станции может быть без разрыва передано в соседнюю соту. Также стандарты 802.16e и 802.16m позволяют пользоваться услугами сети во время движения, что является также схожим признаком с сотовыми системами связи. В заключении необходимо отметить большой радиус покрытия одной базовой станции (до 50 км), что в отличии от сетей стандарта Wi-Fi также позволяет отнести Mobile WIMAX к сетям сотовой мобильной связи.
Стандарты 802.16e и 802.16m поддерживают скорости передачи данных в несколько сотен мегабит в секунду, что дает право поставить их в один ряд со стандартом LTE, т.е. отнести их к стандартам 4G. Mobile WIMAX не предоставляют услугу голосовой передачи данных по коммутируемым соединениям. Этот сервис реализован в оконечных абонентских устройствах на программном уровне, а передача и коммутация осуществляется на основе IP-технологии, т.е. в Mobile WIMAX реализована поддержка технологии Voice over IP (VOIP). Этот факт также является отличительной чертой стандартов четвертого поколения.
Рассмотрим основные отличия стандартов 802.16e и 802.16m. Первый релиз 802.16e появился еще в 2005 году. Он предусматривает скорость передачи данных до 37 Мбит/сек в downlink (от базовой станции) и 17 Мбит/сек в uplink. Уже тогда была предусмотрена возможность хэндоверов между соседними базовыми станциями, а также роуминга, в том числе и международного в сетях других операторов. Максимально на одной несущей (10 МГЦ) может быть до 30 VOIP соединений.
В релизе 802.16e 2009 года были введены ряд новшеств: полоса одного канала расширена до 20 МГЦ. Кроме того, теперь возможно использование до 2-х частотных каналов для одного соединения. Это позволило увеличить максимальную скорость передачи данных в downlink до 141 Мбит/сек, а uplink - до 138 Мбит/сек. Теперь может быть до 43 одновременно установленных голосовых соединений на одной несущей.
Стандарт 802.16m появился в начале 2010 года. Он предусматривает ряд изменений, которые позволяют более эффективно использовать частотный диапазон: несколько механизмов управления мощностью и смягчения интерференции на краю соты, 4x4 MIMO, улучшенная система автоматического перезапроса ошибочных сообщений HARQ и некоторые другие. Все эти нововведения дают возможность передачи данных в downlink до 365 Мбит/сек, а uplink - до 376 Мбит/сек. На одной полосе 20 МГЦ теперь могут одновременно поддерживаться до 80 VOIP соединений. Стандарт 802.16m также включает улучшенный сервис определения местоположения по базовым станциям, расширенные возможности рассылки широковещательных сообщений, более строгие меры безопасности. Теперь услуги Mobile WIMAX можно получить на скоростях до 350 км/час, а в некоторых случаях (в зависимости от частотного диапазона) до 500 км/час.
Рассмотрим саму структуру сети связи стандарта WIMAX (рис. 1.2).
Рис. 1.2 Структура сети WIMAX
Сеть Mobile WIMAX состоит из 2-х основных подсистем: ASN (Access Service Network) - сеть доступа и CSN (Connectivity Service Network) - сеть обеспечения услуг.
Сеть CSN согласно спецификациям WIMAX Forum определяется как набор функций, предоставляющих абонентам сети функции соединений.
К основным функциям CSN относятся: · Распределение IP-адресов и параметров между пользователями сети;
· Доступ к сети Internet;
· Функции AAA;
· Контроль доступа абонентов в сеть, основанный на профилях пользователей;
· Туннелирование между сетями ASN-CSN;
· Биллинг и межоператорское взаимодействие;
· Туннелирование между CSN и роуминг;
· Мобильность между различными ASN, т.е. хэндовер между различными сетями доступа;
· Обеспечение сервисов WIMAX, а именно определение местоположение, предоставление соединений типа "точка-точка", резервирование соединений и т.п.
В сеть CSN могут входить такие элементы как роутеры, AAA сервер, базы данных абонентов, устройства преобразования сигнализации.
Сеть ASN - это набор сетевых элементов, предназначенных для организации доступа абонентов WIMAX в сеть.
ASN выполняет следующие основные функции: · Доступ абонентов в сеть по радиосоединению
· Передача ААА-сообщений между CSN и абонентским оборудованием для обеспечения функций аутентификации, авторизации и аудита соединений
· Установление сигнальных соединений между и абонентским оборудованием
· Управление радиоресурсами
· Пейджинг, т.е. поиск абонентов в сети при поступлении входящего соединения
· Мобильность абонентов (управление хэндоверами)
· Туннелирование между сетями ASN-CSN
В состав сети ASN входят 2 основных элемента: BS (Base Station) и ASN Gateway.
Также неотъемлемым элементом сети Mobile WIMAX является абонентское оборудование. В качестве такового могут выступать мобильный телефон, КПК, ноутбук/стационарный компьютер с встроенным или внешним адаптером и мн. др.
1.4 LTE
Система LTE была разработана для того, чтобы предоставить пользователям доступ к всевозможным сервисам, а также к сети Интернет посредством протокола IP. Сеть LTE состоит из множества узлов. Все узлы сети принято делить на две категории: узлы, относящиеся к сети радиодоступа (E-UTRAN) и базовой сети (SAE). Взаимодействие входящих в область сети радиодоступа БС осуществляется на основе X2-интерфейса (Рис. 1.3). Кроме того, имеет место транзитное соединение между базовыми станциями и базовой сетью через блок управления мобильностью (интерфейс S1-C) или обслуживающий узел (S1-U-интерфейс). Таким образом, можно утверждать, что S1-интерфейс поддерживает множественные отношения между набором БС и блоками MME/UPE.
Рис. 1.3 Соединение функциональных узлов сети радиодоступа
Логический элемент MME (Mobility Management Entity) отвечает за решение задач управления мобильностью абонентского терминала и взаимодействует с базовыми станциями ENB сети E-UTRAN с помощью протоколов плоскости управления С-plane (интерфейс S1-C). Кроме этого, MME распределяет сообщения вызова (paging) к ENB, управляет протоколами плоскости управления, назначает идентификаторы абонентским терминалам, обеспечивает безопасность сети, проверяет подлинность сообщений абонентов и управляет роумингом.
Логический элемент UPE (User Plane Entity) отвечает за передачу данных пользователей согласно протоколам плоскости управления U-plane и взаимодействует с ENB посредством интерфейса S1-U. Элемент UPE выполняет следующие функции: сжатие заголовков IP-протоколов, шифрование потоков данных, терминация пакетов данных.
Далее рассмотрим основные характеристики сети LTE, относящиеся к сети радиодоступа.
Согласно требованиям к системе LTE, все требования к спектральной эффективности, пропускной способности и работы с мобильными абонентами должны поддерживаться при радиусе соты до 5 км.
Для обеспечения двунаправленной передачи данных между БС и МС технологией LTE поддерживается как частотный (FDD), так и временной дуплекс (TDD). Для частотного дуплекса определено 15 парных частотных диапазонов (частоты от 800 МГЦ до 3.5 ГГЦ), а для временного - 8. При этом, ширина радиоканала может быть различной. Допустимы следующие значения: 1.4, 3, 5, 10, 15 и 20 МГЦ. В качестве систем множественного доступа в LTE используются OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) в нисходящем канале и SC-FDMA в восходящем канале.
При использовании технологии OFDMA весь имеющийся спектр разбивается на поднесущие, ортогональные друг другу. В зависимости от используемой ширины канала общее количество поднесущих может быть 72, 180, 300, 600, 900 или 1200. Каждая из поднесущих может иметь свой вид модуляции. Могут использоваться следующие модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM. Множественный доступ организуется за счет того, что одна часть поднесущих выделяется одному пользователю в кадре, другая часть - второму пользователю и т.д.
Основной плюс технологии OFDMA заключается в том, что она позволяет бороться при приеме сигнала с негативными эффектами, вызванными многолучевым распространением. Однако, этой технологии так же присущи и некоторые недостатки. Основные из них заключаются в том, что данная технология очень чувствительна к синхронизации по частоте. А также сгенеренный OFDMA сигнал обладает высоким PAPR (Peak to Average Ratio). Это в свою очередь сказывается на том, что используемый усилитель сигнала будет работать в нелинейных участках своей характеристики. Поэтому его эффективность будет низкой, что достаточно критично для устройств с ограниченным запасом энергии (мобильных терминалов). Изза этого в восходящем канале LTE используется другая технология множественного доступа, а именно SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Отличие SC-FDMA от OFDMA заключается в том, что в SC-FDMA используется дополнительная обработка сигнала для снижения PAPR. В SC-FDMA в качестве такой дополнительной обработки сигнала используется преобразование Фурье. Так же, как и в нисходящем канале, в восходящем канале могут использоваться следующие виды модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM.
Стандарт LTE также поддерживает технологию передачи MIMO (рис.1.4), которая позволяет существенно увеличить пиковую скорость передачи данных и значение спектральной эффективности. Суть технологии MIMO заключается в том, что при передаче и приеме данных используется несколько антенн с каждой стороны.
Рис. 1.4 Принцип реализации технологии MIMO, MISO, SIMO и SISO
Разные антенны могут передавать одни и те же данные, в этом случае повышается надежность передачи данных, но не скорость передачи. Также разные антенны могут передавать различные потоки данных, при этом увеличивается скорость передачи данных. Максимально в нисходящем канале технологией LTE поддерживается схема 4х4. Это означает, что на передающей и приемной стороне используется по четыре антенны. В этом случае скорость передачи данных может быть увеличена до 4-х раз (в действительности чуть меньше изза увеличения количества пилотных сигналов).
При использовании технологии MIMO и ширине канала 20 МГЦ максимальная скорость передачи данных может достигать 300 Мбит/с в нисходящем канале и 170 Мбит/с в восходящем.
В требованиях к LTE значения спектральной эффективности указаны как 5 бит/с/Гц для нисходящего канала и 2.5 бит/с/Гц для восходящего канала (что соответствует скоростям передачи данных в 100 Мбит/с и 50 Мбит/с). При этом высокие показатели производительности должны поддерживаться для мобильных пользователей, перемещающихся со скоростью до 120 км/ч.
Из схемы сети LTE, изображенной на рисунке 1.5, уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.
Рис. 1.5 Структура сети стандарта LTE
Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE: · Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) - обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. По сути, заменяет MSC, MGW и SGSN сети UMTS. SGW имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения из них (или в них) по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п.
· Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) - шлюз к сети или от нее других операторов. Если информация (голос, данные) передаются из сети (или в сеть) данного оператора, то они маршрутизируются именно через PGW.
· Mobility Management Entity (MME) - узел управления мобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонентов сети LTE.
· Home Subscriber Server (HSS) - сервер абонентских данных. HSS представляет собой объединение VLR, HLR, AUC, выполненных в одном устройстве.
· Policy and Charging Rules Function (PCRF) - узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.
Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети LTE. В системе базовых станций остался лишь один знакомый нам элемент - базовая станция(ENODEB). Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т.к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых.
Взаимодействие сети LTE с сетями UMTS и GSM (передача голосовых услуг, хэндовер) происходит следующим образом: поддержка мобильности абонентского терминала при его перемещении из зоны обслуживания одной сети в зону обслуживания другой - является важной задачей, возникающей при взаимодействии сети LTE с сетями мобильной связи стандартов 3GPP (UMTS/GSM/HSPA ). Взаимодействие сети LTE с сетями 3GPP заключается в обеспечении дискретной мобильности (роуминга) и обеспечения непрерывной мобильной связи (хэндовера).
Основными интерфейсами взаимодействия сети LTE с сетями 3GPP являются интерфейсы S3, S4 и S12. Данные интерфейсы обеспечивают взаимодействие логического элемента управления мобильностью MME и шлюза S-GW сети LTE с сервисным узлом SGSN сетей 3G с помощью туннельного протокола GTP (GPRS Tunnelling Protocol). Протокол GTP предназначен для передачи данных плоскости управления (протокол GTP-C) и для передачи данных плоскости пользователя (протокол GTP-U). В условиях роуминга шлюз S-GW визитной сети взаимодействует с шлюзом P-GW (шлюз взаимодействия с пакетными сетями) домашней сети.
Взаимодействие сети LTE с другими 3GPP для оказания традиционных услуг телефонии осуществляется с помощью как традиционной технологии коммутации каналов (TDM), так и технологии коммутации пакетов на базе сервисной подсистемы IMS.
Хэндовер между сетью LTE и другой сетью 3GPP при осуществлении голосового вызова происходит с помощью взаимодействия логического элемента MME с сервером MSC по интерфейсу Sv в случае вызовов из сети LTE в традиционный домен коммутации каналов (CS-домен); и с помощью взаимодействия логического элемента MME с узлом SGSN по интерфейсу S3 в случае голосового вызова из сети LTE в домен коммутации пакетов (PS-домен).
Далее рассмотрим преимущества и недостатки технологии LTE. Сразу стоит отметить что практически все преимущества имеют «обратную сторону монеты», то есть недостатки этой технологии напрямую связаны с преимуществами.
Преимущества: · Основным преимуществом LTE является преемственность. Операторам, предоставляющим услуги сотовой связи, не придется строить новую сеть, а необходимо лишь модернизировать существующее оборудование.
· LTE позволяет достигать высоких агрегатных скоростей передачи данных: 100Мбит/с для нисходящего соединения и 50Мбит/с для восходящего.
· Использование многоантенной передачи данных (MIMO) в сети LTE улучшает технические характеристики и расширяет возможности в плане обслуживания абонентов.
· Базовая станция LTE по радиусу действия превосходит базовые станции 2G и 3G сетей, поэтому для сокращения расходов в процессе модернизации оборудования операторы могут пойти на сокращение числа работавших ранее базовых станций.
Недостатки: · Существуют несколько стандартов 2G и 3G связи, основными из которых являются GSM/WCDMA/HSPA и CDMA 2000, абонентских устройств, работающих одновременно с двумя данными сетями, очень мало, а по концепции 3GPP любую из этих сетей возможно модернизировать в LTE. Недостаток в том, что абонент, имея устройство, поддерживающее только WCDMA, не сможет получить никаких услуг в сети LTE, построенной на базе CDMA 2000.
· Скорости передачи данных в 100Мбит/с для DL и 50Мбит/с для UL могут достигаться только в полосе пропускания 20 МГЦ, однако в реальных условиях сети организуются с гораздо меньшей полосой пропускания - 5 МГЦ, изза чего скорость при нисходящем соединении не будет превышать 5-20Мбит/с.
· Базовая станция LTE также должна поддерживать и абонентов 2G и 3G сетей, что заметно сокращает вместимость сети. Это обусловлено тем, что базовой станции одновременно приходится работать и в режиме коммутации каналов, и в режиме коммутации пакетов, что на кратковременные интервалы может значительно снижать качество предоставляемых услуг, например, потеря пакетов, и, как следствие, повторная передача данных, реализованная по протоколу HARQ (Hybrid Automatic Repeat Query). Но при максимальной загрузке сети протокол HARQ может не справляться с исправлением ошибок, и в таком случае повторная передача пакетов реализуется посредством протокола ARQ, что связано с большими накладными расходами и повышает время задержки передачи пакетов.
· Использование многоантенной передачи в абонентском устройстве значительно повышает его энергопотребление, что является весомым недостатком, потому что терминалы, поддерживающие LTE, - это, в основном, мобильные устройства (коммуникаторы, нетбуки, ноутбуки, планшеты). Повышенное энергопотребление негативно повлияет на время автономной работы мобильных устройств. Возможным решением данного недостатка может быть работа только одной антенны в абонентском устройстве при питании от аккумулятора и включение всех антенн при питании от сети.
Основные отличия рассмотренных ранее технологий от LTE приведены в таблице ниже.
Таблица 1.1
Сравнение основных параметров различных технологий
Технология Стандарт Использование Пропускная способность, Мбит/с Радиус действия, км Частоты, ГГЦ Метод радиодоступа
LTE 3GPP WMAN 173 5-30 0,7-2,6 FDD, TDD
LTE Advanced 3GPP WMAN До 1024 5-30 2,5-2,7 FDD, TDD
Wi-Fi 802.11n WLAN до 600 до 0,3 2,4-2,5 или 5,0 OFDM-MIMO
WIMAX 802.16d WMAN До 75 25-80 1,5-11 FDD-MIMO
WIMAX 802.16e Mobile WMAN До 40 1-5 2,3-13,6 FDD-MIMO
WIMAX 2 802.16m WMAN, Mobile WMAN до 1024 (WMAN); до 100 (Mobile WMAN) 120-150 (draft) Н/д (draft) OFDM
UMTS 3G WMAN 14 1-1,5 1,8-2,5; 2,1-2,2 W-CDMA
Оптимальным решением является выбор технологии LTE, так как она удовлетворяет нашим требованиям по скорости и радиусу действия, и, в отличие от ее основного конкурента WIMAX, не требует постройки «с нуля», так как может базироваться на оборудовании предшественника - 3G сети UMTS.
2. IPTV
2.1 Обзор технологии IPTV
Технология IPTV (англ. Internet Protocol Television) (IP-TV, IP-телевидение) - цифровое интерактивное телевидение в сетях передачи данных по протоколу IP.
Технология IPTV позволяет транслировать цифровое телевидение через IP-сети с видео-потоками HD-разрешения и многоканальным звуком. Для этого необходима локальная IP-сеть с поддержкой multicast-вещания, головная станция, принимающая внешние цифровые телесигналы и управляющая всем IPTV комплексом, и конечные абонентские приставки для телевизоров пользователей. Протокол IP позволяет организовать двустороннюю связь между головной станцией и абонентскими приставками. Это в свою очередь позволяет абонентам пользоваться интерактивными услугами телевидения и другими медиа-услугами, недоступными пользователям аналогового и цифрового кабельного/спутникового телевидения.
Помимо обычных эфирных ТВ-каналов, IPTV предоставляет пользователю следующие интерактивные услуги: · Video on Demand (VOD) - видео по запросу. Это система индивидуальной доставки абоненту видеофильмов. Сервис позволяет абоненту заказать для просмотра любой фильм из библиотеки VOD сервера за единоразовую плату. При просмотре фильма абонент может пользоваться функциями паузы и перемотки.
· Near Video on Demand (NVOD) - «почти» видео по запросу. Также этот сервис называют «виртуальный кинозал» или «карусельное видео». Этот сервис похож на VOD, но ориентирован сразу на множество пользователей, подключенных к этой услуге. Предварительно составляется программа вещания видеоконтента по расписанию.
· Time Shifted TV - телевидение со сдвигом во времени. Этот сервис добавляет интерактивные возможности в просмотр телепередач. Пользователь в любой момент может поставить передачу на паузу и вернуться к просмотру позже. Также существует возможность перемотки ТВ-передач. Для этого используются записанные на TVOD-сервере видео-потоки.
· TV on Demand (TVOD) - телевидение по запросу. Это система отложенного просмотра телепередач. Пользователь может заранее выбрать нужные телеканалы для записи и позже посмотреть записанные на TVOD-сервере передачи.
Контент для транслирования через IPTV делится на потоковый и поставляемый в виде записи (например Video on Demand), записанный контент хранится на отдельных VOD серверах. Потоковый контент принимается извне, непосредственно со спутниковых антенн, кабелей или из эфира. Потоковый контент бывает двух видов: · FTA (free-to-air) - открыто вещаемые телеканалы. Количество открытых каналов, принимаемых с одного транспондера или мультиплекса, ограниченно его полосой пропускания.
· PAYTV - зашифрованные телеканалы. Для этих телеканалов необходимо декодирование с помощью CAM-модулей - устройств для раскодирования зашифрованных телесигналов. Для разных систем шифрования нужны разные CAM-модули. Количество каналов, транслируемых стримером с одного транспондера, зависит от производительности используемого CAM-модуля, так как каждый CAM-модуль способен декодировать одновременно ограниченное количество каналов.
2.2 Оборудование головной станции
Для реализации IPTV необходима головная станция - это серверный программно-аппаратный комплекс, который принимает, хранит и записывает контент, управляет услугами и абонентами. Также требуется клиентское оборудование - Set-Top-Box (STB) приставки для телевизоров, которые являются клиентами для головной станции.
Головная станция состоит из ряда компонентов: 1. IP стример
Стример - это устройство, которое позволяет принимать спутниковый сигнал непосредственно с антенн. Полученные потоки мультиплексируются в формат MPEG Transport Stream и передаются в локальную сеть в виде IP-multicast.
2. Middleware
Middleware - это промежуточное программное обеспечение для управления IPTV. Это основной компонент IPTV комплекса, так как он определяет набор услуг, доступных пользователю, задает пользовательский интерфейс. По сути Middleware координирует взаимодействие практически всех компонентов комплекса.
3. Биллинговая система
Учетом и тарификацией услуг, потребляемых пользователями, занимается биллинговая система или система управления пользователями (Subscriber Management System, SMS). Система позволяет вести абонентскую базу, управлять картами доступа, вести справочник тарифных планов, подготавливать финансовую отчетность.
4. Сервер VOD/NVOD
Для предоставления таких услуг, как Video on Demand (Видео по запросу), near Video on Demand необходим специальный сервер. Это отдельное устройство, хранящее базу фильмов, которые могут предоставляться по запросу абонентов.
5. Сервер TVOD/Time Shifted TV
Для TV on Demand (Отложенный просмотр телепрограмм) и Time Shifted TV также необходим отдельный сервер, который записывает выбранные пользователем каналы, и транслирует их по запросу.
6. Система сокрытия контента (CAS)
В IPTV комплекс может быть установлена система условного доступа (система сокрытия контента). С помощью этой системы оператор может контролировать доступ к контенту для отдельных абонентов, подписанных на определенные услуги. Система шифрует потоки в сети и руководит раздачей ключей доступа к этим потокам.
Схема оборудования головной станции приведена на рисунке 2.1.
Рис. 2.1 Головная станция IPTV
2.3 Оборудование клиентов IPTV
Для функционирования IPTV комплекса также необходима локальная IP сеть с поддержкой multicast. Multicast - вещание через IP-сеть, направленное одновременно на определенную группу IP-адресов. Для этого необходимо наличие маршрутизатора мультикаст-потоков (IGMP querier) и коммутаторов с поддержкой IGMP.
Клиентское оборудование: 1. IPTV PC клиент
Для доступа к услугам IPTV через персональный компьютер существует программный клиент, например IPTV Player, интерфейс которого представлен на рис. 2.2. С помощью него абонент сможет просматривать телеканалы и пользоваться всеми дополнительными сервисами IPTV на своем ПК.
Рис. 2.2 Программа для просмотра интерактивного ТВ IPTV Player
Возможности программы: · просмотр открытых (незашифрованных) потоков http, udp-multicast и т.д. (частичная поддержка ТВ-тюнеров через WDM-драйвер)
· отдельные настройки для каналов
· возможность записи потока в файл
· OSD (информационное окно внизу видео-окна) - громкость и название канала, индикатор записи
· список каналов в видео-окне
· управление видео с клавиатуры
· поддержка телепрограммы в формате JTV
· планировщик записи/просмотра
· фоновая запись любого количества каналов (ограничивается возможностями абонентской линии)
2. Абонентские приставки
Для использования абонентами сервисов IPTV на телевизорах необходимы специальные приставки STB. Они являются связующим звеном между системой Middleware, источниками контента в сети и телевизором абонента. Приставка принимает сигнал по IP и преобразует его в формат, поддерживаемый телевизором, таким образом, являясь декодером на стороне клиента. Для каждого отдельного телевизора нужна отдельная приставка.
Пример типового оборудования STB приведен на рисунке 2.3.
Рис. 2.3 IPTV-приставка MAG-250 Micro компании Infomir
Полные технические характеристики IPTV-приставки Инфомир MAG-250 Micro представлены в таблице 2.1.
Таблица 21
Спецификации MAG-250 Micro
Процессор STI7105
Оперативная память 256 Мбайт
Флэш-память 256 Мбайт
Операционная система Linux 2.6.23
Внешние интерфейсы Оптический аудиовыход S/PDIF, HDMI 1.3а (на задней панели), USB 2.0 (1 на передней панели и 1 на задней панели), композитный стереофонический A/V выход (разъем типа mini jack на задней панели), порт Ethernet 100Мбит/с (на задней панели), разъем для подключения блока питания 5В (на задней панели), LED-индикатор (на передней панели)
DRM опция Verimatrix, Secure Media
Видео режимы 1080i, 1080p, 720p, 576p, 480р, PAL, NTSC
Web engine WEBKIT
Источники медиа-контента USB-устройства (внешний жесткий диск, USB флэш-накопитель, USB-кард-ридер и т.д.), PC и NAS в локальной сети (SMB, NFS, UPNP, HTTP), других Интернет и местные сети телевещания (HTTP, UDP / RTP уникаст/мультикаст), услуги потокового видео полностью поддерживаются
Видео кодеки MPEG1/2 MP@HL, H.264 HP@level 4.1, MPEG4 part 2 (ASP),WMV-9 (опционально), VC1 video, XVID; поддержка высокобитрейтного видео (вплоть до 40 Мбит/с и выше)
Файловые системы FAT16/32, NTFS (чтение), NFS, Ext2, Ext3
Ethernet 10/100 Мбит/с
Stream media протоколы RTSP, RTP, UDP, IGMP,HTTP
Программное обеспечение · Полностью совместим с MAG-100, MAG-200, MAG-250(P) (API JS, API C) · Встроенный медиапортал со функциональностью IPTV · HTTP 1.1, HTML 4.01 XHTML 1.0/1.1 · DOM 1, 2, 3, CSS 1, 2, 3 · XML 1.0, XSLT 1.0, XPATH 1.0 · SOAP 1.1 · JAVASCRIPT ECMA-262, revision 5 · Media JAVASCRIPT API · C layer SDK
Для пользования услугами интерактивного телевидения через мобильные устройства (смартфоны, планшеты и т.п.), как и для PC клиентов, также есть специальные приложения, с помощью которых абонент может использовать все функции IPTV.
Вид интерфейса наиболее популярных приложений для просмотра IPTV на платформах Android и IOS представлен на рисунках 2.4 и 2.5.
Рис. 2.4 Приложение IPTV Player для Android-устройств
Рис. 2.5 Приложение SPB TV для IPAD
Возьмем для рассмотрения интерфейс приложения IPTV Player для Android.
Возможности приложения: · Поддержка плейлистов m3u
· История плейлистов
· Воспроизведение мультикаст-потоков через UDP-прокси
· Отображение каналов в виде списка или сетки
· Поддержка категорий каналов (при наличии категорий в плейлисте)
· Поддержка телепрограммы в формате JTV (при наличии ссылки на телепрограмму в плейлисте; поддерживаются только ZIP-архивы)
· Опция автоматич
Вывод
В данной дипломной работе было проведено сравнение основных стандартов беспроводной связи, обзор технологий, используемых в рассмотренных сетях, приведены структурные элементы этих сетей, диапазоны частот на территории РФ, в которых работает каждая из них, преимущества и недостатки технологии LTE.
Проведен обзор технологии IPTV, строение и оборудование головной станции, оборудование пользователей интерактивного телевидения.
Также была рассмотрена возможность и способы просмотра IPTV через 4G сеть LTE, приложена схема объединения этих сетей.
Территорией для организации сети LTE с возможностью трансляции интерактивного телевидения был выбран Советский район города Самара. Расчет проводился на основе модели COST231-Hata.
Выбор конкретного оборудования не имел смысла, так как на данный момент все БС схожи между собой, соответствует международным стандартам и должно отвечать требованиям потребителя. Поэтому для расчета была взята средняя базовая станция со стандартными параметрами: выходная мощность РЧ-блока каждого из трех секторов 20 Вт, режим MIMO 2х2 для нисходящего соединения, использование кросс-поляризационной антенны.
Территория, на котором пролегает Советский район была разбита на 2 типовых участка - участок со средней плотностью застройки площадью ~36,375 кв. км и обширное открытое пространство площадью ~12,125 кв. км.
В результате расчета я получила примерное количество базовых станций для каждого типа местности. Далее было проведено распределение их по территории района для обеспечения максимальной зоны радиопокрытия.
Имела место проблема с расположением БС на территории, охватывающей открытое пространство, поэтому было решено поставить две базовые станции работающие в диапазоне 800 МГЦ на суше, в результате чего радиопокрытие на этом участке получилось несколько менее равномерным, чем хотелось бы. Но для более подробного подхода к решению этой проблемы требуются программы, данные и ресурсы, которые мне недоступны на данный момент.
Список литературы
1. Тихвинский, В.О. Сети Мобильной Связи LTE технологии и архитектура [Текст]/ В.О. Тихвинский, С.В. Терентьев, А.Б. Юрчук. М.: Эко-Трендз, 2010. 284 с.
2. Технология LTE [электронный ресурс]/ Режим доступа: , свободный. Загл. с экрана.
3. LTE: как работает и правда, все готово? [электронный ресурс]/ Режим доступа: http://habrahabr.ru/company/beeline/blog/129694,свободный. Загл. с экрана.
4. 4G. LTE - Long Term Evolution. [электронный ресурс]/Режим доступа: http://celnet.ru/4G.php,свободный.- Загл. с экрана.
6. Кафедра MFORUM.ru: Лидия Варукина. Упражнение по планированию радиосетей LTE. [электронный ресурс]/Режим доступа: http://www.mforum.ru/news/article/097078.htm, свободный. Загл. с экрана.
7. Официальный сайт производителя оборудования для IPTV. IP-приставка MAG-250 micro. [электронный ресурс]/Режим доступа: /, свободный. Загл. с экрана.
8. Бикинин, Д.М. Анализ технологии LTE: от достоинств к недостаткам. [электронный ресурс]/Режим доступа: , свободный. Загл. с экрана.
9. Сайт разработчика программы для просмотра IPTV на PC. IP-TV Player [электронный ресурс]/Режим доступа: , свободный. Загл. с экрана.
10. Гельгор, А.Л. Технология LTE мобильной передачи данных[Текст] / А.Л. Гельгор, Е.А. Попов. Санкт-Петербург, Издательство политехнического университета 2011. 204 с.