Информационно-измерительная система для мониторинга сетей мобильной связи

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 1,5−2 Мбит/с. В 4 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 заключается в следующем:

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, взаимонезависимостыо 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 Lab VIEW и технологии National Instruments» (Москва, 2010, 2011), Ш 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).

Выводы по главе 4.

В результате исследования, получены следующие результаты:

1. Апробирована работа системы в «полевых» условиях.

2. Проведено исследование сотовой сети второго поколения, при различных условиях, выявлены и устранены зоны интерференции частот от различных базовых станций.

3. Экспериментально обнаружена некорректный выбор обслуживающий соты мобильным терминалом, приведены способы решения проблемы.

4. Предложена методика измерения параметров сети сотовой связи второго поколения, при использовании разработанной информационно-измерительной системы.

5. Проведено экспериментальное исследование ботовой скорости Интернет-соединения активным способом, с использованием тестовых файлов различного объема.

6. Проведено экспериментальное исследование ботовой скорости Интернет-соединения пассивным способом, результаты сопоставлены с данными, полученными при исследовании активным способом.

7. Предложена методика измерения битовой скорости Интернет-соединения пассивным способом, при использовании разработанной автором распределенной информационно-измерительной системы.

Заключение

Основные результаты и выводы по работе.

1. Разработана структура распределенной ИИС, позволяющая проводить в автономном режиме продолжительные автоматизированные измерения технических характеристик ССС второго и третьего поколения в объемах, регламентированных техническими условиями.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.