Практикум для студен тов специальности 198 01 03 Программное обеспечение информаци онной безопасности мобильных систем
 Скачать 6.84 Mb.
|
|
1 Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Н. Н. Буснюк Г. И. Мельянец СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ Лабораторный практикум Минск 2018 2 УДК 621.391(076.5) БКК 32.84я76 Б92 Рассмотрен и рекомендован к изданию редакционно-изда- тельским советом Белорусского государственного технологического университета. Р е ц е н з е н т ы : кандидат технических наук, доцент кафедры информационных технологий автоматизированных систем УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» О. В. Герман; кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой информатики и веб-дизайна Белорусского государственного технологического университета Д. М. Романенко Буснюк, Н. Н. Б92 Системы мобильной связи : лабораторный практикум для студен- тов специальности 1-98 01 03 «Программное обеспечение информаци- онной безопасности мобильных систем» / Н. Н. Буснюк, Г. И. Мелья- нец. – Минск : БГТУ, 2018. – 105 с. Лабораторный практикум содержит семь лабораторных работ и руководства по применению соответствующих программных средств. Лабораторные работы № 1 – 3 направлены на приобретение навыков работы с электронной картой местности, а также выполнение расчетов основных параметров и моделирование сетей мо- бильной связи с применением демонстрационного программного пакета «Radio Planning System». Лабораторные работы № 4 – 6 посвящены моделированию и ана- лизу помехоустойчивости цифровых систем связи с применением среды MATLAB и пакета прикладных программ Simulink. Лабораторная работа № 7 направлена на разработку программного приложения для планирования и расчета характеристик сетей мобильной связи. Пособие предназначено для выполнения заданий на занятиях по курсу «Сис- темы мобильной связи» для специальности «Программное обеспечение информа- ционной безопасности мобильных систем», а также может быть полезно магист- рантам и аспирантам, изучающим данную предметную область, и преподавателям. УДК 621.391(076.5) ББК 32.84я76 © УО «Белорусский государственный технологический университет», 2018 © Буснюк Н. Н., Мельянец Г. И., 2018 3 ВВЕДЕНИЕ Математическая модель является удобным и эффективным инст- рументом анализа характеристик исследуемого объекта. Хорошая мо- дель, адекватно описывающая объект, позволяет изучить его поведе- ние как в типовых, так и в критических ситуациях, что сделать физи- чески часто бывает невозможно из-за опасности разрушения объекта. Кроме того, наличие модели объекта позволяет легко изменять его па- раметры, что в реальности может быть сопряжено с большими вре- менными и материальными затратами. Сложной является задача моделирования беспроводных радиосетей передачи данных. Особенность таких сетей, выделяющая их из огромно- го разнообразия сетей передачи данных, состоит в наличии радиоканала – объекта, отсутствующего у проводных сетей и определяющего показате- ли качества передачи информации в радиосетях. В проводных сетях передачи данных канал связи в рабочем состоянии «закрыт» для всех сигналов кроме «полезного», сформированного в передатчике источника информации. Соответственно, помехи в таких сетях возникают в пере- датчике источника информации и в приемнике получателя информации – устройствах, согласующих эти источник и получатель с каналом связи. Причинами помех в этом случае могут быть сигналы от других источни- ков информации, подключенных к этому же передатчику, а также неиде- альность характеристик передатчика и приемника. Канал связи беспро- водных радиосетей передачи данных (радиоканал) «открыт», вследствие чего в таких сетях к помехам, характерным для проводных сетей, до- бавляется огромное множество помех, попадающих в приемник через этот открытый радиоканал. Соответственно, к прежним источникам по- мех добавляются многочисленные источники электромагнитных излуче- ний, расположенные в том же, что и рассматриваемая сеть, регионе. Таким образом, в случае беспроводных радиосетей передачи инфор- мации первостепенную роль играет проблема электромагнитной совмес- тимости (ЭМС), означающая в данном случае способность различных их компонентов одновременно функционировать в реальных условиях экс- плуатации с требуемым качеством при воздействии непреднамеренных помех, не создавая при этом недопустимых помех друг другу. ½ ½ 4 Решение данной проблемы связано с оптимальным выбором мест размещения приемопередающей аппаратуры и назначением оптималь- ных режимов ее работы, в первую очередь мощности и частоты излу- чения. Этап решения такой задачи в процессе проектирования но- вой радиосети называется частотно-территориальным планированием. Помимо частотно-территориального плана, ЭМС различных сетей зависит от применяемых в них принципов и алгоритмов преобразования информации. Все они, а также мощность, частотный диапазон излучае- мого сигнала и ключевые параметры радиоаппаратуры регламентирова- ны в соответствующих стандартах. Проблемы выработки нового или проверки действующего стандарта в различных условиях также удобнее всего решать с помощью моделирования характеристик сети. Кроме то- го, модель сети оказывает помощь и при верификации качества испол- нения аппаратуры, с неидеальностью характеристик которой связано до- полнительное снижение энергетического потенциала сети. В настоящее время известно множество программных средств моде- лирования частотного характера. Для моделирования электронных схем применяются программы схемотехнического моделирования MicroCAP, MicroLOGIC, Pspice, Design Center, Electronics WorkBench и др. Они со- держат обширные библиотеки полупроводниковых и схемных компонен- тов и представляют результаты в привычном для пользователя виде, на- пример, в виде осциллограмм их виртуальных осциллографов или пока- заний виртуальных вольтметров или амперметров. Однако применение таких систем носит частный и потому довольно ограниченный характер. Система MATLAB + Simulink предназначена для решения более сложной задачи – моделирования блочных динамических систем и устройств произвольного назначения. Для этого пришлось применить укрупненные модели ряда компонентов, благодаря чему стало воз- можным моделирование сложных систем и устройств. MATLAB представляет собой программный продукт, позволяю- щий производить программный расчет, а также моделирование, раз- работку и отладку различных систем и устройств, в том числе систем мобильной связи (СМС). Эффективность использования MATLAB определяется: – достаточно простым интерфейсом пользователя; – большим количеством моделей функциональных устройств (в частности, элементов систем связи); – возможностью создавать свои модели; – разнообразием видов анализа функциональных устройств и систем. 5 РАБОТА В ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ RPS-2 1.1. Краткие сведения по моделированию систем радиосвязи Целью моделирования радиосетей является решение следующих ключевых задач: 1) частотно-территориальное планирование сети, обеспечиваю- щее минимизацию внутрисистемных помех, максимальный охват тер- ритории с требуемым качеством передачи информации и ЭМС с су- ществующими радиотехническими средствами; 2) верификация характеристик действующей сети; 3) оптимизация методов преобразования и передачи информации проектируемой сети; 4) оптимизация параметров оборудования, предназначенного для работы в данной сети. Для решения перечисленных задач моделирования радиосетей требуются следующие исходные данные: 1. Карта местности, необходимая для адекватного описания усло- вий распространения сигналов в рассматриваемом регионе; при ис- пользовании модели в компьютерных автоматизированных системах проектирования радиосетей карта местности должна быть представ- лена в электронном виде в одном из стандартных форматов (напри- мер, «MapInfo» или «Панорама»). 2. Сведения о законе распределения абонентов (трафике) на рас- сматриваемой территории и их характеристиках (удельной эрланговой нагрузке), заданные аналитически или представленные в обменном формате картографических данных. 3. Технические характеристики планируемой сети (технология передачи и обработки информации, частотный диапазон, требуемое отношение сигнал/шум и т. д.), указанные в ее стандарте. 1 1 6 4. Характеристики применяемого оборудования. 5. Координаты и технические характеристики радиосредств, функционирующих в рассматриваемом регионе, необходимые для расчета показателей ЭМС проектируемой и действующих в данном регионе сетей. В связи с многообразием и сложностью задач моделирования ра- диосетей трудно рассчитывать на реализацию в одной универсальной модели полного набора функций, необходимых для решения всех пе- речисленных задач. Поэтому в настоящее время сложилось несколько специализированных типов автоматизированных компьютерных сис- тем анализа и оптимизации характеристик беспроводных сетей, каж- дому из которых присущи свои особенности применяемых моделей. Среди них следует выделить четыре ключевых типа: – системы частотно-территориального планирования радиосетей (применяются на этапе развертывания новых или модернизации суще- ствующих радиосетей различного назначения для оптимального вы- бора мест и состава оборудования приемопередающих станций); – системы, обеспечивающие решение задач электромагнитной со- вместимости радиосетей (применяются, как и первые, на этапе развер- тывания новых или модернизации существующих радиосетей различ- ного назначения для согласования их параметров с параметрами дру- гих сетей с целью минимизации взаимных помех); – системы мониторинга качества работы существующих сетей (применяются для измерения и последующего анализа характеристик сети в реальных условиях ее функционирования); – системы, предназначенные для оптимизации принципов переда- чи информации и параметров оборудования разрабатываемых сетей. На рис. 1.1 изображены важнейшие составляющие радиосетей, необходимые для решения ключевых задач их проектирования, а так- же основные компоненты применяемых при этом компьютерных моделей. Ключевым элементом математической модели радиосети является блок расчета уровня сигнала в заданной точке приема от заданного источника и положенная в его основу модель распространения сигна- ла (модель радиоканала). Важным также является блок расчета отно- шения сигнал/(шум + помеха), используемого для определения всех важнейших характеристик сети. Лабораторные работы данного раздела предназначены для освое- ния студентами принципов частотно-территориального планирования 7 сетей мобильной связи (СМС) с помощью программного продукта RPS-2 (Radio Planning System) – разработки кафедры радиоэлектрони- ки Московского института электронной техники. Рис. 1.1. Компоненты модели радиосети Исходными данными для проведения расчетов являются: 1) цифровые карты местности; 2) база данных с характеристиками применяемого оборудования (частотный диапазон, диаграммы направленности и усиления антенн, частотные и энергетические характеристики приемопередатчиков, по- тери в фидерах и т. д.). Программа позволяет: – размещать радиостанции в заданном месте рассматриваемой территории, работающие в любом стандарте (NMT-450, AMPS, D-AMPS, GSM, IS-95, SmarTrunk, TETRA, MPT 1327, ED ACS и т. д.); кроме того, имеется возможность определить новый стандарт 8 проектируемой сети, введя его основные параметры: частотный диа- пазон, ширину канала и т. д.; – определять для радиостанций оптимальный состав оборудования из базы данных; задавать и редактировать распределение плотности тра- фика в рассматриваемом регионе, что позволяет анализировать характе- ристики сотовых и транкинговых систем в условиях различной загрузки; – рассчитывать, отображать на экране и выдавать на печать ос- новные характеристики планируемой сети; – рассчитывать показатели электромагнитной совместимости (уровень взаимных помех) планируемой сети с другими сетями; – оптимизировать параметры планируемой сети путем изменения местоположения радиостанций, а также варьируя состав и техниче- ские характеристики размещаемого на них оборудования; – отображать результаты измерений уровня принимаемого сигна- ла и сравнивать их с результатами расчета с последующей опти- мизацией параметров применяемых математических моделей расчета. Программу RPS-2 можно применять для планирования как макро-, так и микроячеек сотовых сетей, включая микросотовые системы, рабо- тающие внутри зданий. Как и во всех системах подобного рода, ключе- вым компонентом программы RPS-2 является положенная в ее основу модель радиоканала. В RPS-2 заложена возможность выбора пользовате- лем одной из нескольких моделей распространения сигналов, в том числе строгой модели (модель RPS), максимально полно учитывающей все ос- новные факторы, влияющие на уровень принимаемого сигнала (рис. 1.2). Рассчитанные с помощью строгой модели уровни сигналов от всех источников сигнала в рассматриваемом регионе являются осно- вой для выполнения анализа их электромагнитной совместимости. На этом этапе определяются источники, частотный диапазон излучения которых пересекается с диапазоном анализируемого приемника и вы- дается отчет об уровне помех от каждого такого излучателя с указани- ем степени влияния каждого из них на ухудшение порогового сигнала на входе данного приемника. Эти данные позволяют принять верное решение о работоспособ- ности проектируемой сети и оптимизировать места расположения и характеристики используемого оборудования. Перед выполнением определенных действий представлены соот- ветствующие основные теоретические положения. Лабораторный практикум поможет студенту в изучении практического материала и приобретении навыков решения конкретных практических задач. 9 Рис. 1.2. Анализ в программе RPS-2 профиля радиолинии и факторов, влияющих на характеристики распространения сигналов Программный пакет RPS-2 представляет собой среду, позволяю- щую производить приближенный расчет параметров, а также модели- рование и разработку различных систем и сетей мобильной связи. Эффективность использования пакета RPS-2 определяется: 1) достаточно простым интерфейсом пользователя; 2) большим количеством моделей функциональных блоков (в частности, элементов систем связи); 3) возможностью размещать элементы сети связи, а также редак- тировать карту местности; 4) разнообразием видов функциональных элементов систем под- вижной связи. 1.2. Возможности пакета RPS-2 Программный пакет RPS-2 позволяет проводить частотно- территориальное планирование и выполнять все необходимые расче- ты для оценки качества связи и зон обслуживания радиосети на осно- ве реальных данных о рельефе местности. 10 Функции RPS следующие: 1. Размещение базовых станций с привязкой по географическим координатам или по месту на цифровой электронной карте. 2. Размещение препятствий (не отраженных на цифровой карте) с привязкой по географическим координатам или по месту на цифро- вой электронной карте. 3. Редактирование карты местности путем задания дополнительных высот для отдельных типов местности (лес, городские кварталы и т. п.). 4. Задание и редактирование карты трафика на рассматриваемой территории. 5. Поддержка локальных баз данных оборудования: антенн, диа- грамм направленности, приемопередатчиков. 6. Отображение профиля местности между двумя выбранными точками. 7. Определение и отображение точек прямой видимости в задан- ной окрестности базовой станции. 8. Расчет и отображение уровня принятого сигнала в заданной ок- рестности базовой станции. 9. Задание коэффициентов, корректирующих потери распростра- нения, для отдельных типов местности. 10. Вывод результатов расчетов на печатающее устройство. 11. Преобразование электронных карт из форматов MAPINFO и PLANET во внутренний формат RPS. Для сотовых сетей RPS позволяет провести: – расчет максимального уровня принятого сигнала от нескольких базовых станций; – расчет зон обслуживания для нескольких базовых станций; – оценку мощности передатчика абонента, необходимой для связи с базовой станцией; – расчет отношения сигнал/помеха в указанной области; – расчет зон перекрытия сигнала от базовых станций; – оценку загруженности базовых станций; – расчет максимального уровня принятого сигнала вдоль выбран- ного маршрута; – статистический анализ и отображение результатов измерения принятого сигнала; – сравнение результатов расчета уровня принятого сигнала вдоль выбранного маршрута с реальными измерениями. 11 1.3. Моделирование систем связи в RPS-2 Порядок работы с программой: 1) задать общие параметры для нового проекта, имена рабочих каталогов и выбрать тип первой сети проекта; 2) открыть новый проект. При этом создается описание первой «пустой» сети; 3) установить параметры сети, выбрав радиостандарт или задав собственный набор сетевых параметров; 4) настроить параметры, описывающие свойства различных типов местности: высоту, коэффициенты, корректирующие потери распро- странения, распределение трафика; 5) осуществить планирование сети связи. В ходе этой операции на цифровой карте размещаются базовые станции и выбираются их па- раметры. В радиорелейных сетях устанавливаются связи между стан- циями (формируются радиолинии). При необходимости в базы дан- ных оборудования добавляются новые элементы; 6) выполнить необходимые расчеты и распечатать (или сохра- нить) результаты. В расчетах во внимание принимаются лишь объек- ты, определенные в данной сети. В рамках одного проекта можно сформировать несколько сетей разных типов. Однако в данной версии (RPS-2) наличие других сетей не учитывается в расчетах, т. е. сети независимы друг от друга. Прежде чем начать работу с RPS, необходимо подготовить циф- ровую карту района и сформировать базы данных оборудования. Создание проекта в RPS. Проект RPS включает в себя всю ин- формацию, связанную с планированием радиосетей в некотором ре- гионе (рабочей области), который определяется цифровой картой ме- стности. Для одного региона может быть создано несколько проектов, но в одном проекте нельзя объединить несколько регионов, опреде- ляемых разными цифровыми картами. Проект сохраняется на диске в текстовом файле с расшире- нием «рrо». В состав проекта входят следующие компоненты: – имя каталога с цифровой картой региона; – имя каталога с базами данных оборудования; – имя рабочего каталога, в котором сохраняются результаты расчетов; – общие параметры, относящиеся ко всему региону; 12 – описание сетей, размещенных в данном регионе; – перечень базовых станций и их параметров для каждой сети; – перечень радиолиний для радиорелейных сетей; – информация о выполненных расчетах; – перечень дополнительных препятствий, корректирующих циф- ровую карту, и их параметры; – характеристики типов местности, учитываемые в расчетах; – атрибуты объектов, отображаемых на экране. Развитие проекта предусматривает размещение новых объектов (сетей, станций, радиолиний и т. д.), изменение параметров и удале- ние ранее созданных объектов. Результаты расчетов, требующих больших затрат времени, сохраняются на диске, информация о них хранится в проекте и используется для отображения результатов без проведения повторных расчетов. Базы данных оборудования мо- гут расширяться и редактироваться независимо от проекта и исполь- зоваться в нескольких проектах одновременно. Следует учитывать, что изменение параметров оборудования в базе данных скажется на результатах расчетов во всех проектах, ссылающихся на эту базу данных. |