Информационно-измерительная система для мониторинга сетей мобильной связи
На правах рукописи
ХАНИН Илья Владимирович
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ МОНИТОРИНГА СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы (приборостроение)
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ПЕНЗА 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».
| Научный руководитель | доктор технических наук, профессор Светлов Анатолий Вильевич |
| Официальные оппоненты: | Султанов Борис Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры «Информационной безопасности систем и технологий» Пензенского государственного университета; Лысиков Андрей Васильевич, кандидат технических наук, заместитель научного директора ОАО «Пензенский научно-исследовательский электротехнический институт» (г. Пенза) |
| Ведущая организация | Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза) |
Защита диссертации состоится 20 декабря 2012 г., в 16:00 часов, на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».
Автореферат разослан 19 ноября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Чувыкин Борис Викторович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время получили широкое распространение сети сотовой связи, операторы которых используют инфраструктуру сетей второго поколения GSM, DCS для построения сетей третьего поколения W-CDMA, обеспечивающих широкополосный множественный доступ с кодовым разделением. При этом оба типа сети работают одновременно, дополняя друг друга. В сетях второго поколения в основном совершаются голосовые вызовы, а в сетях третьего поколения в основном осуществляется передача трафика. Для обеспечения высокого качества услуг сетями связи операторам приходится постоянно проводить тестирование существующих систем. Для тестирования сетей используются аппаратно-программные комплексы от таких производителей, как Ericsson, ASCOM, Rohde&Schwartz. Данные комплексы способны проводить измерения как в сетях 2,5G, так и в сетях 3G. Существенным недостатком таких комплексов является обязательное присутствие квалифицированных операторов за пультом управления измерительного комплекса. Исключением является комплекс TEMS Automatic, осуществляющий сбор данных с абонентского терминала без ведома пользователя, но и тут существуют ограничения, например, при тестировании активного соединения будут тратиться средства со счета абонента. Также для тестирования определенного сектора необходимо, чтобы абонент находился именно в этом секторе.
Одним из важных параметров, влияющих на качество связи, является битовая скорость интернет-соединения. Проблема обеспечения высоких скоростей интернет-соединения обостряется в связи с возрастанием объемов данных, передаваемых через сети Интернет, которые сейчас очень активно используются для просмотра фильмов в потоковом режиме, а также для посещения социальных сетей, где информационные страницы сильно перегружены графической информацией. Для комфортной работы в сети Интернет на настоящий момент необходимы скорости 1,52 Мбит/с. В свете вышесказанного ужесточаются требования к качеству канала передачи данных, а также к стабильности технических и эксплуатационных характеристик сотовых сетей. Актуальной задачей является мониторинг скорости интернет-соединения, для обеспечения которого в настоящее время используются различные интернет-ресурсы, например, тест скорости, предоставляемый компанией Yandex или SpeedTest.net. Данные сервисы позволяют достаточно быстро определить скорость интернет-соединения, но обладают рядом довольно существенных ограничений, например: ограниченное число запросов в сутки, невозможность проводить тестирование скорости интернет-соединения без участия пользователя (автоматизированное тестирование), невозможность произвольно изменять размер тестового пакета. В связи с этим возникает потребность в разработке тестовой системы, не зависящей от каких-либо внешних сервисов.
Таким образом, тема диссертационной работы, посвященной построению информационно-измерительной системы для мониторинга технических и эксплуатационных характеристик сетей сотовой связи второго и третьего поколения, представляется актуальной.
Цель диссертационного исследования – создание распределенной информационно-измерительной системы (ИИС) для мониторинга и анализа технических характеристик сетей сотовой связи (ССС) второго и третьего поколения, позволяющей снизить аппаратные и экономические затраты на тестирование сети.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
– разработка структуры распределенной ИИС для продолжительных автоматизированных измерений параметров систем сотовой связи;
– разработка алгоритма измерения битовой скорости интернет-соединения, позволяющего снизить затраты при продолжительном тестировании сети;
– разработка структуры и алгоритмов функционирования аппаратной и программной части автономных мобильных терминалов распределенной ИИС для автоматизированных измерений характеристик ССС;
– разработка структуры и алгоритмов функционирования программной части модуля обработки информации и интерфейса пользователя для обработки информации, предоставленной автономными мобильными терминалами;
– разработка методик автоматизированного определения технических характеристик ССС и измерения битовой скорости интернет-соединения.
Объектом исследования являются эксплуатационные и технические характеристики системы сотовой связи второго GSM, DCS и третьего WCDMA поколения.
Предметом исследования является структура ИИС для продолжительного мониторинга зоны покрытия ССС, структура автономных измерительных терминалов ИИС и алгоритмы их функционирования, алгоритмы измерения скорости интернет-соединения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы: математического и системного анализа, объектно-ориентированное программирование, технологии виртуальных приборов. Основные теоретические результаты подтверждены путем математического моделирования, а также экспериментальными исследованиями.
Научная новизна:
1. Разработана и реализована структура распределенной аппаратно-программной ИИС, позволяющей проводить продолжительные автономные и автоматизированные измерения и анализ параметров сетей сотовой связи второго и третьего поколения, отличающейся большим количеством (150–200) измерительных мобильных терминалов, способных работать одновременно, и обеспечивающей возможность настраивать мобильные терминалы как индивидуально, так и группой.
2. Разработаны методика и алгоритм измерения скорости интернет-соединения в ССС третьего поколения (WCDMA) пассивным способом, отличающаяся тем, что при проведении измерений не требуется передача тестового файла и, следовательно, не происходит расход трафика.
3. Предложены структура, алгоритм функционирования, аппаратная и программная реализация автономных измерительных мобильных терминалов для мониторинга параметров ССС второго и третьего поколения, отличающиеся тем, что мобильный терминал способен работать как в автономно-автоматизированном режиме, так и в режиме с ручным управлением, взаимонезависимостью мобильных терминалов друг от друга и от состояния модуля обработки информации, способен проводить мониторинг скорости интернет-соединения без расхода интернет-трафика.
4. Предложены структура, алгоритм функционирования и программная реализация модуля обработки информации, отличающиеся тем, что модуль обработки информации способен одновременно обрабатывать информацию, поступающую от всех мобильных терминалов, для отображения результатов используется общедоступный картографический сервис Google Earth, на карте возможно одновременное отображение базовых станций нескольких операторов, а также анимация результатов измерения.
Практическая значимость.
Разработана распределенная ИИС, позволяющая проводить продолжительные автономные измерения параметров ССС второго и третьего поколения. Данная система позволяет сократить затраты на долговременный мониторинг параметров систем сотовой связи с привлечением высококвалифицированных операторов только для оценки результатов измерений. Разработан алгоритм пассивного измерения скорости интернет-соединения, позволяющий существенно сократить экономические и технические затраты на тестирование качества передачи данных благодаря тому, что при проведении измерений с применением данного метода не происходит активного обмена данными с удаленными серверами и не занимаются ресурсы передатчика для поддержания активного обмена данными. На основе разработанных алгоритмов реализована программная оболочка для ПЭВМ, позволяющая обрабатывать полученные результаты измерений, систематизировать их, отображать на карте и т.п. Разработано программное обеспечение для мобильных терминалов, позволяющее проводить автономно-автоматизированные измерения. Разработаны методика измерения битовой скорости интернет-соединения пассивным способом и методика проведения долговременного тестирования параметров ССС без постоянного присутствия оператора за пультом управления измерительного комплекса.
На защиту выносятся:
1. Структура и алгоритм функционирования распределенной аппаратно-программной ИИС, позволяющей проводить продолжительные автономно-автоматизированные измерения и анализ параметров ССС второго и третьего поколения, отличающейся большим количеством используемых измерительных мобильных терминалов, а также возможностью автоматизированной работы без постоянного присутствия оператора.
2. Методика измерения скорости интернет-соединения в ССС третьего поколения (W-CDMA) пассивным способом, отличающаяся отсутствием постоянного расхода интернет-трафика.
3. Структура, алгоритм функционирования и аппаратная реализация автономного измерительного мобильного терминала ИИС для мониторинга параметров ССС второго и третьего поколения, а также программная реализация модуля обработки информации, разработанная с использованием технологий виртуальных приборов National Instruments.
4. Методика экспериментального автоматизированного исследования ССС с использованием разработанной ИИС.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы использованы при продолжительном тестировании зоны покрытия сотовой связью в Поволжском региональном отделении, Пензенском филиале ОАО «МегаФон». Внедрена разработанная распределенная ИИС для постоянного мониторинга параметров сотовой сети. Результаты исследований использованы в учебном процессе в лекционном курсе и лабораторных занятиях по дисциплине «Радиотехнические системы» на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены для обсуждения: на IX, X Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2010, 2011), III Международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2011), XXX Межрегиональной научно-практической конференции «Датчики и системы 2011» (Пенза, 2011), Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2011), конференции «Телеком Идея. PNZ» (Пенза, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 печатных работы без соавторов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения,
4 глав, заключения, списка литературы из 81 наименования. Объем работы: 134 страницы машинописного текста, включающего 2 таблицы и 53 рисунка, а также приложение (акт внедрения ИИС, акт внедрения результатов, полученных в диссертации, свидетельство о государственной регистрации программного продукта).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проводится обоснование целесообразности разработки средств автоматизированного мониторинга зоны покрытия сотовых сетей.
В последние десятилетия произошел резкий скачок в увеличении пропускной способности предоставляемых каналов связи. Скорость передачи данных в сетях третьего поколения в сотни раз превышает скорость передачи данных в сетях второго поколения. Становится возможным с использованием канала доступа к сети Интернет, предоставляемого сотовым операторам, комфортно просматривать WEB-страницы, в потоковом режиме смотреть фильмы и слушать мультимедиа-ресурсы. Однако сеть второго поколения GSM в настоящее время имеет намного большую зону покрытия, чем сеть третьего поколения W-CDMA, поэтому получается двойственная ситуация: существующая сеть GSM используется для передачи голосовой информации, а строящаяся и развивающаяся сеть третьего поколения W-CDMA используется в основном для передачи данных (интернет-трафик). При этом в последнее время объемы интернет-трафика превышают объемы голосового трафика и возникает потребность в простом и дешевом способе мониторинга битовой скорости передачи данных. Необходим непрерывный контроль битовой скорости передачи данных, так как в различное время суток и различные дни нагрузка на сеть может быть неравномерной и потребуется корректировка системы для более рационального использования ресурсов передатчика.
Контроль качества всех предоставляемых услуг, как голосовых, так и передачи данных для обоих поколений, должен производить оператор сотовой связи с помощью специализированных измерительных систем. Как правило, система для тестирования зоны покрытия состоит из мобильного тестового телефона, программного обеспечения и приемника Глобальной Системы Позиционирования (GPS).
В настоящее время существует множество программных, программно-аппаратных и аппаратных комплексов, выполняющих функции моделирования, анализа и оптимизации сетей связи. Однако существующие комплексы обладают высокой стоимостью и необходимостью постоянного присутствия высококвалифицированного оператора за пультом управления измерительного средства. Измерительная часть системы и часть, отвечающая за обработку измеренных данных, поставляются разработчиками раздельно, как два отдельных модуля, соответственно возрастает общая стоимость всей системы в целом.
В свете вышесказанного возникает необходимость в разработке системы, которая будет включать в себя измерительную часть, а также часть для обработки и анализа измеренной информации.
Данная система должна обеспечивать контроль как голосовых услуг, предоставляемых сотовым оператором, так и услуг по передаче данных. ИИС должна обеспечивать удаленный контроль от всех мобильных терминалов, а также одновременную обработку и отображение полученных результатов. Данная система должна иметь конечную стоимость ниже, чем у существующих аналогов.
Сформулированы основные требования к информационно-измерительной системе. В соответствии с техническими условиями:
в сетях WCDMA и GSM должны контролироваться:
идентификатор соты (CID);
код локальной зоны (LAC);
координаты точки измерения;
битовая скорость интернет-соединения;
кроме того, в сетях WCDMA:
отношение сигнал/шум обслуживающей соты (CPICH EC/NO);
уровень сигнала обслуживающей соты (CPICH RSCP);
уровень пилот-сигнала до шести соседних сот;
частота передачи (Tx Rate);
частота приема (Rx Rate);
скремблирующий код;
каналообразующий код;
в сетях GSM, DCS (2G):
уровень несущей обслуживающей соты (Rx Lev);
качество сигнала обслуживающей соты (Rx Qual);
уровни несущих частот шести соседних сот;
абсолютное значение частоты канала (ARFCH (BCCH/TCH)).
Вторая глава посвящена разработке альтернативного способа и методики измерения битовой скорости интернет-соединения в ССС WCDMA без передачи тестового файла.
Операторы сотовых сетей периодически проводят измерение скорости интернет-соединения, используя различные сторонние интернет-сервисы, например, тест скорости, предоставляемый компанией Yandex, SpeedTest.net, MainSpy.ru, 2ip.ru. Для определения битовой скорости интернет-соединения данные сервисы используют передачу тестового файла.
Особый интерес представляют суточные измерения, проводимые в различные дни. Суточные замеры позволяют оценить загруженность отдельного сектора базовой станции, небольшого участка или всей сети в целом. Это необходимо для анализа работы сети и для оптимизации проблемных участков. По данным отчетов наблюдения можно выявить часы максимальной и минимальной нагрузки. Часы максимальной нагрузки характерны тем, что в это время количество абонентов, использующих сотовую сеть для голосовых вызовов или для передачи данных, максимально. В связи с этим возможны случаи, когда абонентский терминал зарегистрирован в сети, но не может совершить ни голосовой вызов, ни передать данные. На основе данных суточного мониторинга битовой скорости можно выявить такие часы и попытаться перераспределить ресурсы в другие сектора или участки, где это необходимо. Пример диаграммы суточного изменения битовой скорости интернет-соединения для загрузки данных представлен на рис. 1.
Рис. 1. Диаграмма суточного изменения скорости
интернет-соединения для загрузки данных
Измерения проводились в выходные дни, контрольный замер проводился в течение одних суток с использованием распределенной ИИС. Диаграмма суточного изменения битовой скорости интернет-соединения для выгрузки данных не так интересна для анализа, так как битовая скорость ограничена оператором искусственно на уровне 250300 кбит/с. Это сделано потому, что объемы данных, загружаемых абонентом, на несколько порядков превосходят объемы данных, отдаваемых обратно в сеть Интернет.
Из представленных графиков видно, что минимальная скорость загрузки (DownLink) была зафиксирована 29 января примерно в час дня, из этого следует, что в этот момент была максимальная нагрузка на сеть. Минимальная нагрузка на ССС была зафиксирована в пять часов утра, так как в это время определена максимальная битовая скорость интернет-соединения. Это подтверждается данными, полученными с контролера LAC оператора сотовой связи. Представленная выше диаграмма получена активным способом определения битовой скорости, путем непрерывного обмена данными с удаленным FTP-сервером.
Для каждодневного наблюдения за сетью описанный выше метод является затратным, так как из-за непрерывного обмена данными происходит большой расход интернет-трафика, что будет «отбирать» ресурсы у пользователей и в часы максимальной нагрузки вызовет у рядовых пользователей сбои или ограничение использования различных сервисов связи.
Автором предложен альтернативный пассивный способ определения часов максимальной и минимальной нагрузки, а также максимальных и минимальных скоростей интернет-соединения. При использовании пассивного способа для контроля битовой скорости интернет-соединения расходуется минимальное количество интернет-трафика, а контроль за битовой скоростью можно вести непрерывно.
Для пояснения принципа определения битовой скорости интернет-соединения пассивным способом рассмотрим некоторые принципы функционирования выделенного канала передачи данных на физическом уровне (DPDCH). Выделенный канал передачи данных на физическом уровне переносит информацию высоких уровней, включая данные пользователя, в то время как выделенный канал управления на физическом уровне (DPCCH) переносит необходимую управляющую информацию на физическом уровне. Скорость передачи данных DPCCH является постоянной, тогда как скорость передачи данных DPDCH может изменяться от фрейма к фрейму. Для отделения сигналов одной соты от другой используются скремблирующие коды, представляющие собой усеченные последовательности Голда. Скремблирующие коды не меняют ширину полосы пропускания сигнала. Все абонентские терминалы (АТ), находящиеся в зоне действия одной соты, работают на одной частоте, а для разделения информации, передающейся с абонентских терминалов на базовую станцию и обратно, используются канализирующие коды Уолша с коэффициентом ортогональности кодов равным 1. При скремблировании не будет иметь значения, что фактическое расширение спектра произведено с одним и тем же кодом для нескольких передатчиков. При большой задержке в радиоканале абонентский терминал будет воспринимать часть сигнала передатчика базовой станции как помеху от множественного использования. На практике получить идеальную ортогональность кодов очень сложно; типовое значение ортогональности кодов 
.
На основании формул, выражающих мощность сигнала, излучаемого базовой станцией, а также коэффициента нагрузки соты, учитывая потери на радиотрассе, в том числе влияние соседних сот и абонентских терминалов, автором получено соотношение, позволяющее оценить битовую скорость k-го терминала 
:
, (1)
где 
битовая скорость исследуемого терминала, бит/с; W скорость передачи чипов, бит/с; 
мощность передатчика базовой станции, Вт; 
коэффициент активности j-го пользователя на физическом уровне, равный для речи 0,67, для передачи данных 1; 
энергия на информационный бит, нормированная по спектральной плотности мощности шума для j-го АТ; 
выигрыш в отношении сигнал/помеха при обработке сигналов j-го АТ; 
коэффициент ортогональности сигнала передатчика базовой станции для j-го АТ; 
отношение уровня радиопомех от другой ячейки к помехам в собственной ячейке; 
среднее затухание информационного сигнала между передатчиком соты и АТ; 
коэффициент активности пользователя на физическом уровне; 
энергия на информационный бит, поделенная на спектральную плотность мощности шума для k-го терминала; 
коэффициент ортогональности сигнала передатчика базовой станции для исследуемого АТ; 
количество АТ, обслуживаемых исследуемой сотой; Nrf мощность шума во входном каскаде приемника АТ, Вт:
,
где 
уровень теплового шума. При скорости битов 3,84 Мчип/с, 
= 108,2 дБ; Nf коэффициент шума приемника АТ. Типовые значения 
= 59 дБм.
В формуле (1) k-й абонентский терминал входит в общее количество терминалов N, обслуживаемых одним передатчиком соты. При этом k-й АТ является исследуемым, а j-е АТ являются обслуживаемыми тем же передатчиком соты, но при этом из их количества исключается k-й абонентский терминал, т.е. k соответствует j = 1. Если базовая станция обслуживает один АТ и сохранена идеальная ортогональность кодов, выражение (1) значительно упрощается, так как исключается влияние всех АТ, кроме исследуемого:
. (2)
Из соотношений (1) и (2) можно сделать вывод, что битовая скорость прямо пропорциональна мощности сигнала, а также обратно пропорциональна потерям на радиотрассе и сигналам помех, возникающих из-за нарушения ортогональности канализирующих кодов:
. (3)
Нарушение ортогональности возникает не только от множественного использования частоты, но также и за счет многолучевого распространения сигнала, когда базовой станцией обслуживается один АТ, то все же возможно нарушение ортогональности кодов.
На основе экспериментальных данных об изменении мощности сигнала 
и изменении отношения сигнал/шум 
мобильного терминала можно косвенно определить часы максимальной и минимальной нагрузки, а также битовую скорость интернет-соединения.
Автором предложено следующее соотношение для экспериментального расчета битовой скорости 
:
, (4)
где K весовой коэффициент, определяющий максимально возможную битовую скорость на тестируемой трассе (определяется эмпирически), значения и 
указываются в дБм. Коэффициент K определяется на основе пробного измерения. Соотношение (4) является эмпирически измененным теоретическим соотношением (3), где в числителе мощность, приведенная ко входу мобильного терминала, а в знаменателе суммарная мощность помех, приведенных ко входу абонентского терминала. Рассчитанная по формуле (4) зависимость битовой скорости представлена на диаграмме рис. 2.
Рис. 2. Рассчитанная диаграмма суточной битовой скорости
Рассчитанная диаграмма суточной битовой скорости интернет-соединения представлена для загрузки данных с сервера. Из рис. 2 видно, что рассчитанная зависимость имеет максимальную и минимальную скорость в те же часы, что и зависимость, полученная активным методом (график, представленный на рис. 1).
На основе данных о динамике изменения битовой скорости автором предложено перераспределять ресурсы сети. Например, в течение суток в часы минимальной нагрузки можно уменьшать мощность передатчика, экономя электроэнергию. При экономии электроэнергии 300 Вт в час на одну базовую станцию получаем экономию 200 24 30 = 144 000 Вт (144 кВт) в месяц. У одного оператора сотовой связи в регионе насчитывается порядка 150200 базовых станций. Таким образом, суммарная экономия электроэнергии составляет от 21,6 до 28,8 МВт в месяц.
Третья глава посвящена разработке распределенной информационно-измерительной системы для исследования параметров зоны покрытия сети сотовой связи.
Автором предложена структурная схема распределенной ИИС для измерения параметров зоны покрытия ССС второго и третьего поколения. Предлагаемая распределенная измерительная система включает в себя мобильные терминалы, сервер для обмена информации, а также модуль для обработки информации (МОИ), оснащенный графическим интерфейсом. Структурная схема распределенной ИИС системы представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема распределенной
информационно-измерительной системы
Составные части системы: FTP-сервер (File Transfer Protocol протокол передачи файлов), модуль обработки информации и мобильные терминалы – способны работать независимо друг от друга.
Отличительные особенности разработанной автором распределенной ИИС:
мобильные терминалы, используемые в распределенной ИИС, являются автономными и автоматизированными, т.е. способны работать независимо как друг от друга, так и от состояния модуля обработки информации;
повышенная надежность, так как выход из строя какого-либо звена системы не приводит к остановке работы системы в целом;
большое количество измерительных мобильных терминалов, работающих одновременно;
гибкость настройки измерительных мобильных терминалов, заключающаяся в возможности настройки группы терминалов, индивидуальной настройки и кластерной настройки, при которой отдельные целевые группы мобильных терминалов могут конфигурироваться различным образом;
возможность сборки полностью работоспособной ИИС из дешевых и доступных компонентов, находящихся в свободной продаже, непосредственно оператором, а не заводом-изготовителем;
использование в качестве картографического сервиса бесплатного программного обеспечения;
реализация алгоритмов функционирования мобильного терминала и модуля обработки информации с использованием технологий виртуальных приборов National Instruments.
Основу мобильного терминала составляет одноплатный компьютер. Одноплатный компьютер является ядром системы, осуществляет первичное накопление и обработку информации, а также отвечает за формирование пакетов и их отправку на сервер по доступному каналу связи (см. рис. 3).
Мобильный терминал основан на x86-совместимой архитектуре, вычислительным процессором является Intel Atom, позволяющий реализовывать довольно сложные алгоритмы первичной обработки с использованием высокоуровневых языков, что невозможно реализовать на микроконтроллерах или ПЛИС. Для реализации мобильного терминала также могут использоваться процессоры, разрабатываемые Advanced RISC Machines (ARM), которые являются 32-битными, однако они не являются х86-совместимыми, хотя обладают пониженным энергопотреблением и высоким быстродействием. При использовании процессоров ARM структурная схема и алгоритмы сбора данных и обмена информации останутся теми же, сменится только аппаратная и программная реализация. Для стабилизации и нормализации напряжения питания мобильного терминала применяется конвертер питания. Вычисление текущего местоположения осуществляется с помощью GPS-приемника, подключенного к USB-порту компьютера. Временная синхронизация с сервером также осуществляется с помощью GPS-приемника. Данный способ временной синхронизации является наиболее рациональным, так как данные о времени поступают непосредственно со спутников.
Сбор измерительной информации производится модемом, подключенным к USB-порту компьютера. Автором предложено использовать модемы производителя HUAWEI как наиболее распространенные и доступные, хотя можно использовать и модемы ZTE. Однако при использовании таких модемов необходимо использовать внешнюю штыревую антенну для того, чтобы получить круговую диаграмму направленности антенны.
Отличительными особенностями мобильного терминала, входящего в состав ИИС, являются:
способность мобильного терминала работать, как в автономно-автоматизированном режиме, так и в режиме с ручным управлением;
способность работать независимо от других активных терминалов, находящихся в системе;
способность работать независимо от состояния модуля обработки информации;
возможность работы при отключенном FTP-сервере, но с ограниченными функциональными возможностями;
мобильные терминалы способны проводить долгосрочные, суточные, недельные замеры скорости интернет-соединения пассивным способом.
Модуль обработки информации может располагаться как на персональном компьютере, где установлен FTP-сервер, так и на отдельной вычислительной машине. Структурная схема модуля обработки информации представлена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема модуля обработки информации
Для взаимодействия с пользователем в модуле обработки информации применяется специально разработанный графический интерфейс. Данный интерфейс обладает, во-первых, эргономичностью, во-вторых, понятен инженерам, работающим в области технического обслуживания систем сотовой связи. Автором предложено хранить файлы с данными о результатах измерений на удаленном FTP-сервере. Для этого необходимо организовать удаленное файловое хранилище и с помощью соответствующих инструментов организовать удаленный доступ к нему. Хранение измерительных данных на удаленном файловом сервере позволит получать доступ к ним с любого рабочего места, а дублирование данных повышает сохранность данных.
При синхронизации файлы из удаленного хранилища переносятся в локальное хранилище. Таким образом, пользователь работает с дубликатом файла, скорость обработки полученной информации увеличивается за счет более быстрого доступа к нему, а также в случае порчи файла его всегда можно восстановить. Приоритетом при синхронизации всегда являются результаты, хранящиеся на FTP-сервере. Однако в случае нахождения FTP-сервера на одном компьютере с модулем обработки информации локальное и удаленное файловые хранилища могут располагаться физически на одном жестком диске. В этом случае необходимо либо периодически делать резервные копии файлов, либо дублировать файлы на дополнительный жесткий диск.
Визуализация данных и привязка измеренных данных к местоположению проведения измерения осуществляются с помощью программы Google Earth. Наиболее удобным способом управления программой в операционной системе WINDOWS является использование инструментария activeX. Посредством activeX можно довольно просто загружать и отображать на карте базовые станции со всеми параметрами, выполнять трассировку пройденного пути, загружать из хранилища файлы, формировать управляющие файлы для мобильных терминалов, а также показывать подробную информацию о всех проведенных замерах. Для экономии ресурсов вычислительной машины программа выполнена так, что реагирует только на события, которые инициирует сам пользователь, поэтому способна работать на компьютерах, обладающих разной производительностью.
Отличительными особенностями разработанного модуля обработки информации, входящего в состав распределенной ИИС, являются:
способность одновременно обрабатывать информацию, поступающую ото всех активных мобильных терминалов распределенной ИИС;
возможность одновременного и независимого отображения на карте базовых станций нескольких операторов сотовой связи;
возможность запуска нескольких независимых копий модуля обработки информации на различных компьютерах;
сниженные требования к производительности компьютера, необходимые для запуска программы;
использование в качестве основы сервиса Google Earth со всеми его преимуществами, такими как высокая точность позиционирования, постоянно обновляющиеся карты, кроссплатформенность.
В разработанной ИИС уровень сигнала обслуживающей соты, уровни пилот-сигнала (3G) и несущих (2G) шести соседних сот определяются с погрешностью не более 1 %. Для экспериментальной оценки погрешности использовались: анализатор спектра Rohde & Schwarz (R&S) ESIB40, имитатор базовой станции R&S CMU200, антенны R&S USLP 9143B и HL025. Частота приема и частота передачи, а также скремблирующий и каналообразующий коды определяются числовым кодом из сетки допустимых значений.
Использование в технологическом процессе обслуживания систем сотовой связи разработанной распределенной ИИС позволит существенно сократить экономические расходы на тестирование ССС. Данная система не требует постоянного присутствия оператора, благодаря этому высококвалифицированный специалист избавляется от рутинной работы. Соответственно повышается производительность труда всего отдела за счет привлечения квалифицированного специалиста к более трудоемким задачам.
Данная система позволяет долговременно тестировать битовую скорость интернет-соединения без большого расхода трафика, а также без серьезной нагрузки на обслуживающий передатчик. Например, при круглосуточном тестировании активным способом в сутки расходуется
27 Гбайт трафика, в неделю 189 Гбайт, при использовании пассивного способа в неделю расходуется всего 27 Гбайт трафика. Это существенно экономит ресурсы, как аппаратные, так и экономические.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований сотовой сети с использованием разработанной распределенной информационно-измерительной системы.
Приведен пример использования созданной распределенной ИИС для тестирования сети сотовой связи второго поколения GSM. Приведены примеры типовых проблем, вызывающих ухудшение качества предоставляемых услуг, а также решения этих проблем.
Автором предложена методика автоматизированного экспериментального исследования сетей сотовой связи с использованием разработанной распределенной ИИС:
1) подготовка к измерениям;
- настраивается FTP-сервер на число одновременных соединений, равное числу активных мобильных терминалов;
- проверяется максимальная битовая скорость, поддерживаемая FTP-сервером. Выбираются маршруты следования транспортных средств, а также вид транспортных средств;
- устанавливаются мобильные терминалы на транспортные средства и производятся подключения GPS-приемника, USB-модема, а также электропитания к каждому из установленных мобильных терминалов;
- на персональный компьютер устанавливается модуль обработки информации;
- выбирается режим работы мобильных терминалов путем установки в соответствующем меню модуля обработки информации требуемых параметров, таких как время сбора данных, объем тестовых файлов и т.п.;
2) измерения:
- запускается измерение параметров сотовой сети путем включения мобильных терминалов;
3) обработка полученных результатов:
- после истечения заданного при настройке терминала времени сбора данных терминалы передадут на FTP-сервер накопленные данные. С помощью инструментария модуля обработки информации автоматически забирается измерительная информация из удаленного хранилища в локальное хранилище;
- производится обработка полученной измерительной информации.
Мобильным терминалом, входящим в состав распределенной ИИС, можно проводить тестирование битовой скорости интернет-соединения в автономно-автоматизированном режиме. Для этого необходимо задать объем тестовых файлов на удаленном FTP-сервере, а также время тестирования.
В зависимости от объема данных, требуемых для передачи-приема, битовая скорость интернет-соединения в сетях WCDMA будет «подстраиваться» под нужды абонента. При передаче файлов большого объема скорость передачи данных будет постепенно возрастать, пока не достигнет максимально возможного значения для исследуемого сектора. Битовая скорость будет поддерживаться на максимальном значении до тех пор, пока данные передаются, затем снова упадет до минимальной. В связи с этим предложено выбирать объем тестового файла в зависимости от максимальной пропускной способности исследуемого канала.
Пример результата долговременного исследования битовой скорости интернет-соединения пассивным способом представлен в виде диаграммы на рис. 5.
Рис. 5. Диаграмма изменения битовой скорости интернет-соединения
при объеме тестового файла 2 Мбайт
Пассивный способ косвенного определения битовой скорости интернет-соединения позволяет оценивать изменение битовой скорости без существенного расхода интернет-трафика. Расход трафика происходит только в момент определения максимально возможной битовой скорости на участке тестирования. Пассивный способ определения битовой скорости рекомендуется использовать при долгосрочных измерениях и только при стационарном положении мобильного терминала, так как при перемещении терминала будет изменяться весовой коэффициент, необходимый для корректного определения значений битовой скорости. Автором предложена методика определения значения битовой скорости пассивным способом с использованием распределенной ИИС. Все действия согласно пунктам данной методики выполняются в автоматизированном режиме с использованием разработанной автором специализированной программы.
Методика пассивного определения битовой скорости интернет-соединения:
1) устанавливается мобильный терминал комплекса в предполагаемое место проведения исследования;
2) настраивается мобильный терминал, а именно, в модуле обработки информации (МОИ) с помощью специального меню выбирается объем тестового файла и время проведения измерений;
3) запускается комплекс в режиме тестирования скорости интернет-соединения. Дальнейшие измерения битовой скорости интернет-соединения будут происходить в автоматизированном режиме;
4) с использованием МОИ определяется весовой коэффициент, который будет применяться для дальнейшего расчета битовой скорости интернет-соединения. Для этого в МОИ оператором выбирается файл с результатами, полученными в п. 3, и запускается автоматизированный «Расчет коэффициента» из меню программы.
5) запускается комплекс в режиме пассивного измерения битовой скорости интернет-соединения. Дальнейшие измерения битовой скорости интернет-соединения пассивным способом будут происходить в автоматизированном режиме;
6) по завершении тестирования с помощью МОИ автоматически строятся диаграммы изменения битовой скорости интернет-соединения с использованием полученного в п. 4 коэффициента;
7) после завершения корректировки результаты автоматически представляются МОИ в нужном для обработки виде (табличный, графический).
Для реализации приведенной методики разработан алгоритм определения значения битовой скорости пассивным способом.
В качестве примера на рис. 6 приведены совмещенные на одной диаграмме результаты измерения битовой скорости активным и пассивным способами, рассчитанные в соответствии с описанной выше методикой.
Относительная погрешность измерения битовой скорости интернет-соединения пассивным способом не превышает 30 %. Для точных измерений битовой скорости интернет-соединения данный способ не подходит в связи с довольно большой погрешностью. При проведении суточных измерений в сетях сотовой связи более важна динамика исследуемого процесса, чем точность измерений.
Рис. 6. Диаграммы рассчитанного значения битовой скорости
и измеренного значения битовой скорости
при объеме тестового файла 4 Мбайт
Важно выявить моменты, когда битовая скорость начинает уменьшаться, а когда возрастать, это важно для внесения корректив в работу сети, тем самым поддерживая качество услуг на высоком уровне. На основе данных о динамике изменения битовой скорости появляется возможность динамически перераспределять ресурсы сети.
Использование пассивного способа измерения битовой скорости позволяет экономить до 150 Гбайт интернет-трафика на один мобильный терминал при круглосуточном мониторинге битовой скорости в течение одной недели, что при использовании системы в целом дает существенную экономию трафика. Активный способ измерения битовой скорости при таком долгосрочном мониторинге является экономически неэффективным, в то время как измерение пассивным способом битовой скорости позволяет без существенных затрат определять битовую скорость в часы максимальной и минимальной нагрузки.
В результате экспериментального исследования:
- апробирована работа системы в «полевых» условиях, а именно: в городской и сельской местности, вдоль федеральных трасс, в условиях городской и пригородной застройки;
- показана возможность выявления и устранения зон интерференции сигналов от различных базовых станций;
- обнаружены факты некорректного выбора обслуживающей соты мобильным терминалом, приведены способы решения этой проблемы (регулировка мощности базовой станции, юстировка антенн базовой станции).
Разработанная распределенная ИИС отличается от существующих аналогов тем, что позволяет проводить измерения в ССС автоматизировано, без постоянного присутствия оператора за пультом управления. Разработанная ИИС примерно в 10 раз дешевле существующих аналогов. Применение независимых друг от друга составных частей ИИС повышает отказоустойчивость и надежность всей системы в целом.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
- Разработана структура распределенной ИИС, позволяющая проводить в автономном режиме продолжительные автоматизированные измерения технических характеристик ССС второго и третьего поколения в объемах, регламентированных техническими условиями.
- Разработан алгоритм пассивного измерения битовой скорости интернет-соединения, позволяющий существенно сократить экономические затраты на тестирование качества передачи данных благодаря тому, что при проведении измерений не происходит активного обмена данными с удаленными серверами и не занимаются ресурсы передатчика для поддержания активного обмена данными. Экспериментально установлена экономия недельного объема трафика на один мобильный терминал в среднем 150 Гбайт.
- Разработаны структура, алгоритм функционирования, а также программная и аппаратная реализация для мобильных терминалов, позволяющие проводить автономно-автоматизированные измерения. Количество мобильных терминалов, работающих одновременно, может быть довольно большим, однако экономически целесообразно использовать не более 100–150 мобильных терминалов.
- Разработана структура и алгоритм функционирования программной части модуля обработки информации, а также реализована программная оболочка для ПЭВМ, позволяющая в автоматизированном режиме обрабатывать полученные результаты измерений, систематизировать их, отображать на карте и т.п.
- Разработаны методики автоматизированного экспериментального определения технических характеристик ССС и измерения битовой скорости интернет-соединения пассивным способом. Измерения, выполненные по этим методикам, не требуют постоянного присутствия оператора за пультом управления.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Ханин, И. В. Распределенная система мониторинга сетей сотовой связи / А. В. Брюхачев, А. В. Светлов, И. В. Ханин, С. С. Шигуров // Известия Смоленского государственного университета. – 2012. № 4(20).
2. Ханин, И. В. Информационно-измерительная система для мониторинга скорости Интернет-соединения в сетях WCDMA / А. В. Брюхачев, А. В. Светлов, И. В. Ханин, С. С. Шигуров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2012. – № 2. С. 3343.
3. Ханин, И. В. Принципы построения аппаратно-программных комплексов для формирования и измерения параметров импульсных сигналов / М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов, И. В. Ханин, П. Мишра // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – № 3. – С. 102–112.
Публикации в других изданиях
4. Ханин, И.В. Система распределенного сбора данных // Молодежь. Наука. Инновации : тр. III Междунар. науч.-практ. интернет-конф. – Пенза : Изд-во ПФ РГУИТП, 2011. – С. 209, 210.
5. Ханин, И. В. Автономный измерительный комплекс систем сотовой связи АИК-3С // Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны : материалы междунар. науч.-практ. конф. Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. Ч. 3. – С. 226229.
6. Ханин, И. В. Информационно-измерительная система на базе сотовой сети // Датчики и системы : сб. докл. XXX Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. – Пенза : ОАО «НИИФИ», 2011. С. 9193.
7. Автономный измерительный комплекс для непрерывного мониторинга сотовой сети / И. В. Ханин, Е. В. Мартяшин // Радиоэлектронная техника : межвуз. сб. науч. тр. Ульяновск : УлГТУ, 2011. С. 183189.
8. Ханин, И. В. Система контроля параметров сотовой подвижной связи / И. В. Ханин, А. В. Брюхачев, Р. В. Яковлев // Инженерные, научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments – 2011 : сб. тр. X Междунар. науч.-практ. конф. – М. : ДМК-пресс, 2011. – С. 40–42.
9. Ханин, И. В. Система видеосвязи и сбора измерительной информации с применением технологий National Instruments / И. В. Ханин, М. В. Пучков, П. П. Чураков // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments : материалы
IX Междунар. науч.-практ. конф. – М. : Изд-во РУДН, 2010. – С. 232, 233.
10. Ханин, И. В. Аппаратно-программный комплекс для анализа, измерения и мониторинга энергопотребления беспроводных сенсорных систем / И. В. Ханин, А. О. Киреев // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф. – М. : Изд-во РУДН, 2010. – С. 329–331.
11. Ханин, И. В. Оценка возможности использования USB-модема для сбора измерительной информации / И. В. Ханин, С. С. Шигуров // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций : материалы 17-й Междунар. науч.-техн. конф. Рязань : Рязан. гос. радиотехн. ун-т, 2012. Ч. 1. 136 с.
12. Ханин, И. В. Контроль качества Интернет-соединения с использованием автономного измерительного комплекса систем сотовой связи / И. В. Ханин, С. С. Шигуров // Инновации в науке, образовании и бизнесе : материалы 10-й Междунар. науч.-метод. конф. – Пенза : Изд-во ПФ
РГУИТП, 2012. Т. 2. Технические науки. – С. 290–292.
13. Ханин, И. В. Мониторинг качества услуг, предоставляемых сотовыми операторами с использованием распределённой информационно-измерительной системы / И. В. Ханин, С. С. Шигуров // Молодежь. Наука. Инновации : тр. V Междунар. науч.-практ. интернет-конференции. – Пенза : Изд-во ПФ РГУИТП, 2012. – С. 392–396.
14. Ханин, И. В. Автономный измерительный комплекс систем сотовой связи (АИК-3С) [Электронный ресурс] / И. В. Ханин, В. И. Кулапин, А. В. Брюхачев, Р. В. Яковлев // Программа (319 Mb). Пенза, 2011. Свидет. о гос. рег. № 17685 от 14.12.2011.
Научное издание
Ханин Илья Владимирович
Информационно-измерительная система
для мониторинга сетей мобильной связи
Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы (приборостроение)
Редактор В. В. Чувашова
Технический редактор Н. В. Иванова
Компьютерная верстка Н. В. Ивановой
Распоряжение № 30/2012 от 09.11.2012.
Подписано в печать 13.11.12. Формат 60x841/16.
Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 879. Тираж 100.
_______________________________________________________
Издательство ПГУ.
440026, Пенза, Красная, 40.
Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]
