Усовершенствованный метод перераспределения абонентского трафика по точкам доступа Wi-Fi с применением технологии Wi-Fi offloading

РЕФЕРАТ

Работа включает 96 страниц, 24 таблицы и 35 рисунков. Было использовано 33 источники.

Актуальность темы:

С каждым годом трафик мобильных данных увеличивается все быстрее. быстрее. Это объясняется не только увеличением количества и доступностью мобильных устройств, но также и потребность пользователей в лучших скоростях и качестве передачи мобильного трафика в целом.

Феноменальный рост умных устройств конечных пользователей, увеличение спроса на мобильные приложения, мобильное видео, мобильный Интернет и т.д. все это перегружает мобильную сеть. Так что в условиях такого бурного развития возникает необходимость повышения качества и увеличения разнообразия услуг, что предоставляются мобильными операторами

Актуальность ввода технологии разгрузки трафика обусловлена тем, что предоставит современному пользователю возможность получения высокоскоростного и высококачественного доступа к интернет-ресурсам или к сервису мобильного оператора. Оператор, в свою очередь, получает дополнительные возможности для обслуживания большей. количества абонентов

Цель исследование:

Создание усовершенствованного метода перераспределения абонентского трафика по точках доступа Wi-Fi с применением технологии Wi-Fi offloading, что будет характеризироваться большей пропускной способностью и поможет улучшить качество услуг, разгрузив макросоты оператора.

Основные задачи исследование:

лицензированном спектре частот.

Объект исследование:

Объектом данного исследование есть разгрузка сетей мобильных операторов.

Предмет исследование:

Методы разгрузка сетей мобильных операторов.

Методы исследование:

В решении указанных задач исследование было использовано имитационный метод моделирование для анализа пропускной способности интегрированной фемтосоты.

Научная новизна полученных результатов:

Научная новизна заключается в получении нового метода разгрузки мобильной сети, которая за счет интеграции технологий Wi-Fi offloading и фемтомот позволяет увеличить пропускную способность сети в сравнении с альтернативными.

Практическое значение полученных результатов

Разработано программную реализацию (имитационную модель), что разрешает выполнять моделирование интегрированной Wi-Fi - LTE-U фемтосоты с заданными входными параметрами сети для расчета пропускной способности станции в зависимости от входного погрузки. Определено, что предложенный метод разрешает более эффективно разгружать сети мобильных операторов.

Публикации:

Результаты магистерской диссертации опубликованы в 3 сборниках материалов конференций.

Ключевые слова: мобильная сеть, wi-fi offloading, femtocells, 4G, LTE, разгрузка сети, перераспределение трафика.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

РАЗДЕЛ 1

ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ВВЕДЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАФИКА В СЕТЬ МОБИЛЬНЫХ ОПЕРАТОРОВ

1.1 Темпы роста объема мирового трафика мобильных сетей

Благодаря простоте доступа к Интернету и притоку более умных устройств наблюдается экспоненциальный рост трафика данных. Поскольку в настоящее время в мобильных сетях преобладают данные, операторы сетей сталкиваются с проблемами, связанными с «Торнадо» трафика данных. Феноменальное рост умных устройств конечных пользователей, достижения в области сотовых сетей (2G, 3G, 4G и LTE) , увеличение спроса на мобильные приложения, мобильное видео, мобильный Интернет / данные - вот некоторые из факторов, что способствуют росту трафика данных.

Трафик мобильных данных с каждым годом увеличивается все скорее. Это объясняется не только увеличение количества и доступностью мобильных устройств, но также и потребностью пользователей в лучших скоростях и качества мобильной передачи трафика в целом. Следует отметить, что в то же время снижается и актуальность декстопных версий.

на момент начала 2020 года более 4,5 миллиарда людей пользуются интернетом., Количество пользователей социальных сетей превышает отметку 3,8 миллиарда [1].

Среднестатистический пользователь проводит в интернете каждый день почти 7 часов. Это означает, что сейчас свыше 40% времени бодрствования пользователи проводят в интернете, за условия 8-ми часового сна.

Сейчас у потребителей есть большая необходимость использовать мобильный интернет. для обмена информацией на ходьбу.

По состоянию на июнь 2020 приложения для Gmail, Google Maps, YouTube и Google были четырьмя самыми популярными программами для Android в мире , А Facebook, YouTube, Instagram и TikTok для iPhone были приложениями из самым большим охватом рынка среди пользователей мобильных устройств iOS в всему мире .

Социальные сети - одно с самых популярных занятий пользователей мобильного

Интернет. Facebook Messenger является вторым по популярности мобильным приложением для обмена сообщениями после Whatsapp, ведущего в мире приложения для обмена сообщениями из более чем 1,6 миллиарда активных пользователей в месяц по состоянию на апрель 2020 года. Другие популярные мобильные приложения для обмена сообщениями включают QQ Mobile, WeChat и Skype. Мобильные социальные сети состоят из социальных сетей и мобильных приложений для обмена сообщениями .

Кроме социальных сетей, пользователи мобильного Интернета также чаще используют свои устройства для просмотра онлайн-видео . Netflix входит в число самых кассовых развлекательных программ в мире. Популярность приложений для потоковой передачи музыки также возросло: Spotify и YouTube Music являются одними из самых загруженных музыкальных и аудиоприложений в всему мире .

на рис. 1.1 можем увидеть распределение глобального ежемесячного объема мобильной передачи данных за по состоянию на октябрь 2020 р категориям.

Рис. 1.1 Мобильный трафик по категориям приложений в месяц, Eb Ожидается, что сотовый видеотрафик вырастет на 34% в годовом многочисленные,

в основном за счет ненасытного аппетита миллениалов к онлайн-трансляциям. При такому росте потребление данных и острой конкуренции между операторами сети,

включая появление неограниченных пакетов, цена за сносный гигабайт данных предоставляет непосильный давление на операторов мобильной связи [2].

Согласно отчету Cisco прогнозируется, что во всем мире общее количество пользователей Интернета вырастет с 3,9 миллиарда в 2018 году до 5,3 миллиарда к 2023 года при среднегодовом темпе роста 6 процентов. Что касается населения, это составляет 51 процент мирового населения в 2018 году и 66 процентов глобального проникновение население к 2023 года (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Рост числа пользователей Интернета в мире

В глобальном масштабе общее количество абонентов мобильной связи (тех, кто подписывается на услуги сотового связи) вырастет с 5,1 миллиарда в 2018 году до 5,7 миллиарда к 2023 году при среднегодовом темпе роста в 2 процента. С точки зрения численности населения это составляет 66% мирового населения в 2018 году. году и 71% глобального проникновения населения в 2023 году (Рис. 1.3). В сравнении с ростом числа пользователей Интернета мы видим замедление роста числа абонентов мобильного связи - в первую очередь поэтому, что уровни проникновение уже превысили 60-процентный диапазон.

Рис. 1.3 Рост числа абонентов мобильного связи в мире

Также, согласно прогнозам, в 2023 году количество устройств, подключенных к IP-сетей превысит численность населения мира более чем в три раза. До 2023 годана душу населения будет приходиться 3,6 сетевых устройства в сравнить с 2,4 сетевых устройства на душу население в 2018 году. До 2023 года количество подключенных к сети устройств составит 29,3 миллиарда. по сравнению с 18,4 млрд в 2018 году [3].

Очевидно, что значительно возрастет и количество мобильных приложений. К 2023 году их будет загружено около 300 миллионов. Наиболее популярными будут программы для социальных сетей и игровые программы.

В 2020 году нельзя не упомянуть об изменениях, связанных с пандемией Covid-19. С формированием нового цифрового поведения эпидемия также осветила критическую роль операторов связи в поддержке нормального функционирование общества с безупречными возможностями цифровой связи во время кризиса.

Основная причина увеличение использование данных - это все более широкое использование удаленных приложений для двусторонней работы, таких как аудио, веб- и видеоконференции, развлекательные программы (потоковое видео и аудио), социальные сети и обмен сообщениями. Доличество и длительность мобильных голосовых вызовов по всему мира увеличились на 20–70%.

В период пандемии большинство пользователей увеличивают использование видеозвонков. Когда потребителей просят оценить производительность мобильной сети

под время кризисы, качество видеозвонков с семьей и друзьями есть их важнейшим опытом.

Чтобы справиться со ростом трафика, операторы мобильных сетей имеют возможность использовать традиционные механизмы для увеличение пропускной способности сети или искать другие альтернативы.

1.2. Пути решения задачи

Операторы мобильной связи пытаются справиться со спросом, особенно в периоды пиковой нагрузки, или пытаются контролировать трафик в сети за помощью таких методов, как регулирование определенных типов трафика (Bloomberg: Видео на YouTube и Netflix замедляются операторами беспроводного связи). Таким образом, когда потребление мобильных данных продолжает расти, нагрузка на сети растет, возникает вопросы, откуда взять необходимую емкость для поддержки этого роста? И как может мобильный оператор себе это позволить? Существует множество теорий и предлагаемых решений по этой проблеме, некоторые из которых включают:

Как можно увидеть, некоторые из этих решений экономически жизнеспособны, а другие - нет. Хотя я и считаю, что в будущем нужно будет сочетание разные методы, в целом, сейчас самый выгодных метод – разгрузка[4].

Разгрузка мобильных данных или просто разгрузка данных относится к использование дополнительных сетевых технологий и новаторских методов для

доставки данных, первоначально предназначенных для мобильных/сотовых сетей, с целью уменьшение перегрузки и лучшее использование доступных сетевых ресурсов. Цель состоит в том, чтобы поддерживать качество обслуживания (QoS) для клиентов, а также снижать стоимость и влияние услуг, что требуют высокой пропускной способности в мобильной сети.

Я считаю, что есть два лучших пути перераспределения трафика мобильных сетей: разгрузка мобильной сети с помощью Wi-Fi и фемтосот. Есть и другие, менее эффективные методы решения данной трудности. Но они менее распространены, имеют меньшее площадь покрытие и пропускную способность.

Существуют традиционные способы решение проблемы уплотнение покрытие. Например, малые соты (small cells). Это базовые станции с небольшим энергопотреблением, охватывающим небольшую зону или применяемыми внутри помещений. Однако малые соты имеют все основные характеристики обычных базовых. станций и способны обрабатывать высокие скорости передачи данных для отдельных пользователей. В сетях LTE advanced и 5G малые соты будут играть важную роль для мобильного ШПД и приложений, где нужна небольшая задержка сети [5].

Производство этих сот не очень дорогостоящее, но их использование не устраняет проблем, что связанные с расширение каналов передачи данных от базовых станций к инфраструктуре Packet Switched (PS) Core оператора.

Альтернативным решением этой проблемы является технология Wi-Fi offloading. Она направлена на разгрузку сети мобильных операторов с помощью технологии Wi- Fi. В тем случае трафик с радиосети оператора выводится к другой радиосети, что работает с использованием собственных магистральных каналов [6].

Итак, Wi-Fi offloading – это вывод пакетного трафика из радиосети оператора в сеть Wi-Fi и возможность предоставление услуг абоненту через партнерские сети.

Выводы

введение новых методов разгрузка сети, что обеспечат необходимую пропускную способность каналов связи.

РАЗДЕЛ 2

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПЕРЕВОДЫ ТРАФИКА

В мире существует значительно количество нелицензионного спектра. Такой полосы используются в всему мире для обеспечение нелицензионного доступа для радиопередач на короткие расстояния Эти диапазоны, называемые ISM - промышленные, научные и медицинские диапазоны, распределенные в разных частях спектра и используемые для самих разных приложений, включая микроволновые печи, Wi-Fi, Bluetooth и много другого.

Потребность в нелицензионном спектре вызвана, прежде всего, необходимостью получение для сетей LTE дополнительного радиочастотного ресурса и к тому же со свободным доступ к этому ресурсу. Рассмотрим несколько методов для реализации, а именно LAA-LTE, LTE-U да LWA.

Хотя LAA-LTE и LTE-U базируются на одном принцепе, у них есть определенные отличия. Решение LAA-LTE разрабатывается в рамках 3GPP и планируется, что оно состоянии мировых уровней. LTE-U – более раннее решение, оно хотя и лежит в поле Общая стандартов 3GPP, но разработанная организацией под названием LTE-U Forum, до состав которой вошли Alcatel-Lucent, Ericsson, LG Electronics, Qualcomm Technologies Inc., Samsung Electronics и Verizon [7-8] .

LTE с лицензированным вспомогательным доступом (LTE-LAA) - это альтернатива использованием LTE в нелицензированном спектре для дополнения мобильных сетей. LAA - это усовершенствование технологии LTE, определенное в 3GPP версии 13, где нелицензировано несущая может использоваться в качества вторичной компонентной несущей в структуре агрегации несущих LTE из первичной компонентной несущей в лицензированом спектре.

Важен тот факт, что компонента, которая агрегируется с нелицензионных частот исключительно дополнительной (вторичной), на первичной несущей (лицензионный спектр) рядом с одними данным передается и служебная информация (команды управления).

LAA направлена на то, чтобы помочь операторам мобильной связи управлять взаимодействием с пользователем, как с точки зрения беспроводного радиоинтерфейса с использованием технологии LTE с известной планировкой, так и с точки зрения базовой сети [9] .

Одним из важных элементов LTE-LAA является обеспечение справедливого разделения нелицензионного спектра с другими операторами и другими системами, такими как Wi-Fi. LAA включает механизм, в котором узел LAA ищет канал в нелицензированном спектре с низким нагрузкой, чтобы избежать конфликта с другими пользователями и системами.

Поскольку эта технология работает в диапазоне 5 ГГц, где работает Wi-Fi, она должна иметь возможность сосуществовать с этой технологией, избегая каналов, которые используются пользователями Wi-Fi. LAA использует концепцию под названием Listen-before-talk (LBT), какая динамически выбирает каналы в диапазоне 5 ГГц, не используемые пользователями Wi-Fi. Если свободный канал недоступен, LAA будет справедливо делиться каналом с другими.

Важно отметить, что LAA включает в себя функцию Listen BeforeTalk (LBT), чтобы отвечать нормативным требованиям временного

интервала версии 13 [10] , единого механизма равноправного сосуществования в нелицензированном спектре по всему мира. LBT - это метод, какой используется в радио.

Преимущества технологии LTE-LAA:

Сценарии LAA-LTE, что рассматриваются в 3GPP, показаны на рис. 2.2

Рис. 2.2 Сценарий применение LAA-LTE

Решение LTE-U идентично описанном выше LAA-LTE с той только разницей, что не требует применение механизма LBT.

Первая версия LTE-Unlicensed называется LTE-U и разработана LTE-U Forum

для работы с существующими выпусками 3GPP 10/11/12. LTE-U был разработан для быстрого запуска в таких странах, как США и Китай, в которых нет требуется внедрение технологии LBT. LTE-U позволит операторам сотовой связи увеличить покрытие в своих сотовых сетях за счет использование нелицензионного диапазона 5 ГГц, уже занятого устройствами Wi-Fi.

LTE-U работает, дополняя услугу LTE оператора услугой Wi-Fi, что позволяет увеличить емкость вдвое и увеличить скорость роуминга в 20-30 раз. Это происходит за счет использования частот от 700 МГц до 2,1 ГГц, имеющихся в LTE, в качестве базовой услуги и дополнение его нелицензированным спектром 5 ГГц для обеспечение большей емкости и покрытие. Используя небольшие соты в нескольких областях, LTE-U может обеспечить бесперебойный связь и производительность [12].

Существует потенциальный конфликт с LTE-U: тот факт, что Wi-Fi и Bluetooth уже работают в нелицензионном диапазоне 5 ГГц. В Wi-Fi существует «протокол вежливости», которого нету в LTE. Это значит, что Wi-Fi отключается, если обнаруживает препятствия от других пользователей. Если LTE разрешен на этой частоте, он может запугать Wi- Fi и захватить диапазон.

Также спорный аспект LTE-U состоит в том, что он не включает механизм LBT. для сосуществование и нет отвечает нормативным требованиям для использование нелицензионного спектра в значительной части света.

На нескольких рынках, в том числе в Европе и Японии, LBT – это требование к определенной формы волны, определяемая нормативными ограничениями. Однако LTE-U может быть соответствующим для некоторых стран, таких как США, Корея и Китай, где нет нормативных требований для использования LBT.

Существует несколько способов развертывание LTE-U:

Рис. 2.3 Первый способ развертывание LTE-U

Также при работе в этом режиме LTE eNodeB выполняет большинство необходимых операций для обеспечение надежной работы и отсутствия препятствий для других пользователей, гарантируя, что канал свободный [13].

Рис. 2.4 Второй способ развертывание LTE-U

Третье решение LWA (англ. LTE-WLAN Aggregation) - также один с видов доступа с использованием нелицензированного спектра.

LWA применяется в широком спектре сценариев, включая развертывание на открытом воздухе и в помещении, например в общественных точках доступа, на предприятиях и в торговых центрах.

Эта технология обеспечивает альтернативный метод использование LTE в нелицензированном спектре, который, в отличие от LAA/LTE-U, может быть развернут и без аппаратных изменений оборудования сетевой инфраструктуры и мобильных устройств, обеспечивая при этом производительность, аналогичную LAA[14].

Существует два сценарии внедрение LWA - совместимый (англ. Coloted) и несовместимый (англ. Non-Colocated).

На рис.2.6 Вы можете увидеть основной принцип работы этой технологии. В LWA, да само, как и при двух предыдущих решениях, Wi-Fi (нелицензионный спектр) используется только для передачи в Downlink[15].

Рис. 2.6 Принцип LWA

VoWiFi означает голосовую связь (интегрированную с Evolved Packet Core) WiFi и есть дополнительной технологией к VoLTE. Он использует технологию IMS для предоставления услуги пакетной голосовой связи, доставляемой по IP через сеть Wi-Fi. Эволюционирует эта технология как дополнение к сотовой сети, расширяет зону покрытие мобильного оператора с помощью Wi-Fi, передачи голоса в зданиях и других областях, которые имеют более широкий и более оптимальный доступ к Wi-Fi. точек.

Технология VoWiFi имеет ряд преимуществ. Во-первых, она позволяет пользователям подключаться даже без мобильного сигнала [16]. VoWiFi позволяет пользователям надежно осуществлять и принимать звонки, даже находясь в помещении, без необходимости устанавливать новое оборудование или обновлять свой смартфон.

Во-вторых, вместо того, чтобы полагаться на пользователя/пароль или другие слабые криптографические элементы, VoWiFi использует существующие механизмы безопасности SIM-карты для аутентификации и защиты связи для абонентов. При использовании SIM-карты одни и те же стандарты безопасности могут применяться во всех технологиях: CS, PS и WiFi.

VoWiFi – это недорогой способ для операторов мобильной связи расширить услуги внутри здания. Когда сигналы макросети плохо проникают VoWiFi

- это простой способ для операторов мобильного связи и предприятий, которые желают предоставлять услуги беспроводного голосового связи внутри построек. Опираясь на точки доступа Wi-Fi, что предоставляются домовладельцами или предприятиями, операторы мобильного связи могут разгрузить трафик с макросети и, вероятно, обеспечить отличное обслуживание.

Как работает VoWiFi? При использовании устройства с поддержкой VoWifi мобильный абонент сначала должен зарегистрироваться в сети и установить канал передачи данных по по умолчанию для обмена данным с сетью или приложениями [17].

UE будет подключаться к Wi-Fi и получать IP-соединение, выбирая ePDG на основе статической IP-конфигурации или DNS. UE и ePDG будут выполнять взаимную аутентификацию при установке тоннеля IPsec с использованием сертификатов открытого ключа, в то время как UE отправляет инкапсулированные сообщения EAP- AKA через IKEv2 в ePDG, включая идентификацию пользователя (NAI) и потенциальную APN (для IMS). AAA выбирает векторы аутентификации AKA, сгенерированные HSS (если недоступны). AAA извлекает IMSI для пользователя. В случае успеха AAA инициирует поиск профиля абонента с помощью HSS, чтобы проверить, авторизован пользователь для ненадежного доступа и отправляет регистрацию сервера. В случае успеха AAA отправляет окончательный ответ аутентификации, включая IMSI и главный сеансовый ключ.

Как и для VoLTE, после того, как канал-носитель установлен, следуют обычные процедуры SIP / IMS, что позволяют осуществлять вызовы.

Передача голоса по Wi-Fi обеспечивает значительную экономию средств и разрешает использовать новые IP-услуги, такие как видеозвонки, использование нескольких устройств, единственный номер и службы обмена мультимедиа на мобильных широкополосных устройствах. Операторы мобильного связи также все больше полагаются на Wi-Fi как на средство разгрузка перегруженных сотовых сетей. Развертывание VoWiFi позволяет операторам мобильной связи и операторам мобильной связи быстро и легко расширять свое покрытие или диапазон услуг без дорогого наращивание инфраструктуры сети радиодоступа (RAN), инвестирование в новый лицензированный спектр или заключение сложных соглашений о роуминге [18].

Пользователю предоставляются одни и те же функции вызова независимо от того, или

подключен абонент сотовой сети непосредственно или к Wi-Fi.

Ожидается, что рынок голосовой связи через Wi-Fi (VoWiFi) достигнет 8,17 млрд долларов США в 2025 году по сравнению с 1,92 млрд долларов США в 2019 году, при этом среднегодовой темп роста составит 27,24% в течение прогнозируемого периода (2020–2025 годы). Ожидается, что большинство операторов запустят услуги. VoWiFi и VoLTE в качества природного перехода к связи, основанной исключительно на IP, что может больше эффективно улучшить внутреннюю сеть покрытие.

Малые соты являются уменьшенными базовыми станциями, специально предназначенными для увеличение емкости данных, скорости да эффективности сети сотового связи.

Малые соты улучшают покрытие и пропускную способность сети, улучшая качество обслуживание клиентов и производительность приложений [19]. Эта технология дополняет макросоты и расширяет зону обслуживание операторских, а также предлагает варианты для частных сотовых сетей.

Или узлы радиодоступа с низким энергопотреблением, занимаемой площадью и диапазоном радиочастот (RF) могут быть развернуты в помещении или на открытом воздухе и использовать лицензированный, совместно используемый или нелицензированный спектр. Обычно они работают в диапазоне от 10 метров к нескольких километров.Сегодня в отрасли существует три типа малых сот: фемтосоты, пикосоты и микросоты, каждая с которых отличается своей способностью покрытие и количеством отдельных пользователей, которых она может поддерживать.

Рис. 2.8 Характеристики малых сот

Фемтосоты – это небольшие мобильные базовые станции, которые помогают расширить. зону покрытие для жилых и корпоративных приложений. Они в основном используются для разгрузки сетей, когда они становятся перегруженными, обеспечивают расширение зоны покрытия и увеличение проникновения в здания для внутренних потребителей [20].

Пикосоты - это еще один тип технологии малых сот - мало базовая станция сотового связи, что обычно покрывает небольшую территорию, например, внутри здания или в последнее время в самолете. Пикосоты отлично подходят для приложений в офисах, больницах, торговых комплексах, школах и университетах - в основном для малых предприятий для расширенного покрытие сети и большой пропускной способности данных.

Последняя из технологий малых сот, микросота – это сота в мобильной сети, которую обслуживает маломощная базовая станция, покрывающая ограниченную территорию, такую как торговые центры, отели, уникальные просторы в разумных городах или транспортные узлы. Микросота может поддерживать более значительное количество пользователей в уникальных географических регионах.

Мали соты различаются за местом применение - домашние сети, предприятия, городское среда или деревенская местность (рис. 2.9). Как правило, фемтосоты используются в частном и корпоративном секторе, пикосоты – на больших предприятиях и в закрытых общественных местах (аэропорты, железнодорожные вокзалы, торговые центры), микросоты – в городских поселениях (в тех случаях, когда можно обойтись без применение «Великих» базовых станций - макросот), макросоты

- также используются в городах для решение проблемы недостаточной пропускной способности сетей на определенных участках (проблема «бутылочного горлышка») [21]. Кроме того, существуют попытки использовать «моли соты» и в деревенский местности.

Остановимся на пикосоты. Полная интеграция пикосоты в макросети разрешает использовать существующую операторскую инфраструктуру (контролеры базовых станций, ядро сети, транспорт) без необходимости развертывание специализированных сетевых элементов, как в случае с фемтосотой. Это позволяет использовать пикосоты в рамках так называемых гетерогенных сетей (hetnet). Пикосоты являются наиболее эффективным способом улучшения покрытия и увеличения емкости сети внутри помещений, оставаясь под контролем сотового оператора и работая в лицензированном диапазоне частот.

Один из основных недостатков пикосоты – их высокая стоимость, которая все еще превышает номинальную стоимость компонентов распределенных антенных систем (Distributed Antenna Systems, DAS). В тот же время, малый радиус действия пикосоты требует их точного размещение с определением конкретных мест концентрации абонентов или мест с плохим покрытием внутри помещений. При построении гетерогенных сетей ограниченный частотный ресурс, с которым работают базовые станции уровней макро, микро и пико, вызовет необходимость постоянного контроля и управления распределением данных между сетями. Для этого требуется высокая степень автоматизации работ по первоначальному настройке сети, ее оптимизации, поиска и устранения неисправностей с тем, чтобы повысить эффективность процедур эксплуатации и обслуживания (O&M) и снизить их себестоимость в расчета на один сетевой элемент [22].

Как правило, пикосоты используются для увеличения пропускной способности в сетях LTE в местах непосредственной концентрации абонентов. Из-за компактные размеры и простоту установки пикосоты часто используются для покрытие сотового связи на удаленных объектах, связанных с опорной сетью оператора только по спутниковом канала (морские судно, авиалайнеры, буровые платформы и т.д.). Крупнейшие проекты внедрения пикосоты в мире связаны, в основном, с GSM.

Ключевые двигатели рост рынке малых сот, в поэтому числе и пикосоты, включают рост трафика мобильной передачи данных в условиях дефицита спектра, необходимости в разгрузке трафика и расширении зоны покрытия, в том числе покрытие внутри помещений.

Также важным фактором роста рынка пикосоты может стать снижение их стоимости. В конечном итоге они должны стать столь доступнее, сохранив функциональность полноценной операторской базовой станции [23]. Но это может произойти только в случае появления массового рынка пикосоты, удешевление компонентной базы за счет перехода на микроэлектронные технологии и их интеграции в BSC (base station- on-chip).

С другого стороны, массовое внедрение пикосоты в рамках сетей hetnet приведет к резкого рост количества сетевых элементов. Даже с учетом функционала самоорганизующихся сетей (SON), управлять такими многослойными сетями традиционными методами станет экономически невыгодно. Поэтому нужно не только полная автоматизация точек доступа, но сложная и дорогая работа по оптимизации всей сети, устранение неисправностей и т.д. Поэтому 4G пикосоты пока еще конкурируют с распределенными антенными системами (DAS). Для организации в помещении покрытие - используются также разного рода репитеры (пассивные, активные и смарт-репитеры).

По прогнозам Informa Telecom & Медиа, рынок малых сот к 2021 г. достигнут 48 млн единиц, фемтосоты останутся доминирующим типом оборудования этого класса, часть пикосот существенно вырастет, но все равно останется незначительной (рис. 2.11) [24].

Рис 2.11 Статистика количества малых сот с 2017 по 2021 года

Теперь рассмотрим фемтосоту. В 2015-2020 годах на мировом рынке фемтосот наблюдался устойчивый рост. Рынок фемтосот оценивался в 1,82 миллиарда долларов США в 2019 году и, как ожидается, достигнет 14,30 миллиарда долларов США к 2025 году при среднегодовом темпе роста 41% за прогнозируемый период 2020-2025 годов. Фемтосоты - это базовые станции сотового связи, что используются для обеспечение беспроводной связи для мобильных устройств, таких как смартфоны. Обычно они используются в местах, где уровень мобильного сигнала слаб. Точки доступа фемтосоты обеспечивают реальный доступ к услуг передачи голоса и данных Они предлагают такие преимущества, как масштабируемое развертывание, обратная совместимость с макросотовой технологией, уменьшена мощность передачи, портативность устройств, дешевое развертывание и улучшенное покрытие.

Широкое распространение широкополосных услуг и мобильных телефонов усилило потребность в улучшенном покрытии сети для высококачественной видеоконференцсвязи, звонков, загрузки программного обеспечения и музыки. Согласно этому, растущее коммерческое применение фемтосот в многопользовательских зданиях, отелях и офисных башнях также способствует росту рынка. Увеличение инвестиций в инфраструктуру малых сот, наряду с использованием распределенных антенных систем и облачной сети радиодоступа (C-RAN), есть некоторыми с других факторов, которые, как ожидается, будут способствовать дальнейшему развитию рынка. Заглядывая в будущее, производители ожидают, что глобальный рынок фемтосот продолжит уверено рост в течении следующих пяти лет.

Фемтосота действует как повторитель, какой обменивается данным с мобильными телефонами и преобразовывает голосовые вызовы в пакеты протокола передачи голоса по протокола IP[25]. Эти пакеты далее передаются через широкополосное соединение на сервер оператора мобильной связи Он предлагает быстрые соединения для передачи данных, услуги голосового связи и передачи данных в помещении.

Также следует отметить, что развертывание фемтосоты внутри дома намного эффективнее, нож попытки установить связь с домом через самый близкий передатчик, установлен на столбы. Фемтосоты устраняют один с крупнейших недостатков небольших сотовых сетей на открытом воздухе – большая часть мощности 4G теряется при прохождении через внешние стены дома. Развертывание сотового сигнала из дома означает гораздо более сильный сигнал 4G по всему дома [26]. (рис.2.12)

Рис. 2.12 Схема работы станции малой соты внутри построек.

Выгрузка данных через фемтосоты может быть эффективной за рядом причин. Во-первых, основное использование происходит внутри помещений, например дома или в офисе. Приблизительно 55% использования сотовых данных происходит в окрестностях домов, а 26% - в офисах. Таким образом, операторы мобильной связи пользуются возможностью выгружать свои важные данные через фемтосоты. Во-вторых, фемтосоты позволяют оператору сети развертывать услугу. управлять ею. Таким образом, фемтосоты обеспечивают беспроблемное взаимодействие с пользователями, поскольку удовольствие запросов потребителей как и раньше лежит на операторы сети, а не с третьей стороны. В-третьих, фемтосоты можно развернуть очень быстро в сравнить с развертыванием новой базовой станции макросоты. Традиционное использование макросотовой сети занимает гораздо больше времени через достижение расположение, покупки инфраструктуры радиосвязи, транспортного оборудование и т.е. д. В типичном среде, трафик передается в фемтосоту по беспроводной сети с назначенного для пользователя среды. Таким образом, трафик проходит через Интернет или в базовую сеть ОМС, или к любого поставщика контента. Когда пользователь входит в зону действия беспроводного приемника, развернутого в фемтосоте, пользовательское оборудование (КП) автоматически подключается к фемтосоте. Теперь трафик, ранее проходивший между ТД макросоты и КП, проходящей между фемтосотой и КП. Этот трафик включает в себя трафик ТД макросоты, а также трафик RNC (контроллера радиосети), что значительно снижает общее нагрузка на макросотовой сети. Развернутое в фемтосотые, предназначено для пользователя оборудование (КП) автоматически подключается к фемтосоты.

Рассмотрим подобия да отличия между малыми сотами и фемтосот. Фемтосоты, пикосоты и микросоты часто считаются типами небольших сот из-за них меньший размер и ограниченное покрытие, но, на самом деле, категоризация неточно. Пикосоты и микросоты обычно используются в самолетах, отелях и торговых центрах, но они нет имеют одинаковых определений в отрасли беспроводного связи. Фемтосоты же предшествовали небольшим сотам и составляют отдельный рынок через две ключевые отличия.

Первое отличие состоит в том, как они подключаются к сети. Мало сота подключается по выделенном канала определенного типа, а фемтосота подключается назад к Интернет, поэтому она использует широкополосный доступ . Второй отличие состоит в поэтому, что фемтосота есть частной, а мало сота - общедоступным.

Фемтосоты также меньше малых сот – размером с книгу в мягкой обложке, если нет меньше. Если пользователь размещает фемтосоту в центральном месте дома или офиса, эта человек имеет получить достаточное покрытие.

При правильном планировании фемтосоты смогут покрывать помещение относительно больших площадей и обслуживать 30-40 мобильных устройств (покрытие офиса площадью 200м2, рис. 2.13) [27].

Сценарии использование малых сот и фемтосот также разнятся. Например,

фемтосоты относятся к маршрутизаторам Wi-Fi, как маленькие соты относятся к точек доступа Wi-Fi, а это значит, что небольшие соты могут увеличить покрытие. сотового связи в местах скопление людей, таких как стадионы, например [28].

Фемтосоты имеют следующие три режимы развертывание:

Хотя развертывание выделенного канала может избежать межуровневых помеха, ограниченная полоса пропускания как фемтосот, так и макросот может серьезно ухудшить производительность. Это особенно невозможно при плотном развертывании фемтосот, поскольку каждая фемтосота может получить доступ только к очень ограниченной пропускной способности. С другого стороны, при развертывании по общем канала и частичному общему каналу для распределения каналов требуется глобальная схема планирование; в другому случае и фемтосоты, и макроcоты могут страдать от ужасающих препятствий один одном.

методов подключение к сети за помощью фемтосот в зависимости от технического состояния оборудованной зоны покрытия несколько. На рис. 2.14 изображен один из наиболее распространенных вариантов подключения мобильного абонента к сети. Сам пользователь нет чувствует на себе способ подключение, все проходит абсолютно прозрачно достаточно включить устройство и пользоваться сервис ом соответственно к тарифов Подключение к FAP(Femto Access Point) – базовой станции фемтосоты проходит на основе технологии plug&play, то есть все программное обеспечение для установка соединение устанавливается автоматически, без участия пользователя(напоминаю, это является одной с преимуществ над технологией Wi-Fi offloading). Сама станция соединяется с маршрутизатором или DSL модемом для выхода к широкополосного доступа. Маршрутизатор или модем может быть как собственностью клиента да и внедренным самим провайдером специально для разгрузка данной соты. На данном этапе мобильному провайдеру следует самостоятельно проанализировать все за и против, чтобы вынести конечное решение.

Рис. 2.14 Схема внедрение фемто-станции

Если провайдер будет использовать свое конечное оборудование это потянет дополнительные затраты как на приобретение да и на обслуживание, с другого стороны, администраторы сети оставляют за собой возможность доступа да конфигурации оборудование, компания оставляет возможность отработать вложены средства нет реализуя систему скидок и снимать абонентскую плату как за использование 3G/4G сетью. Но даже в таком варианте пользователь извлекает выгоду в форме предоставления лучшей качества связи (qos), покрытие, более быстрого соединение, а провайдер через некоторое время достигнет точки безубыточности и в дальнейшем будет получать чистый прибыль. В случае, если уже существует инфраструктура сети приемлемая для внедрение соты провайдер имеет возможность соединить свою, а Возможно и абонентскую FAP к ней, при этом не важно какие еще устройства существуют у клиента, имеет значение только подключение к наземному каналу со скоростью не меньше да что прописана в требованиям станции [27].

Таким образом, провайдер в минимальные сроки возвращает вложены средства да улучшаю качество своего сервиса, поскольку затраты на построение соты были минимальными, вместо техническая поддержка компании для доступа к оборудование должна активно взаимодействовать с владельцем арендованной сети для решение технический вопрос или проблемы. Заинтересовать пользователя данным предложением легко, кроме повышенного качества услуг можно предложить гибкую систему скидок для владельцев оборудование.

Существует еще один метод внедрения, пользующийся высокой популярностью в современном мире учитывая тенденции развития сетей – это использование оборудование да каналов подрядчика. В такому случае, компании нет нужно контактировать с клиентом напрямую, появляется возможность полного или частичного доступа к оборудование, вместо доходы придется разделять с партнером. Соединение с сетью может проходить через разные каналы связи – Ethernet провод, DSL провод, оптоволоконные линии связи или,даже, радиолинии. Из-за тип соединение Возможно несколько вариантов развития событий. Первый – существует возможность сразу попадания в сеть оператора (что бывает достаточно редко) и дальше на контроллер базовых станций.

Второй вариант состоит в создании стыков с другими провайдерами да согласовании договоренностей о передаче трафика через их сеть по выделенным каналом. Если провайдер нет имеет возможности применение первого варианта, а второй согласовать нет выходит или нет с кем согласовывать через отсутствие инфраструктуры можно провести собственный канал, это грозит высокими затратами, но вместо появляется возможность всестороннего внедрение услуг на данной территории. Но в любому случае должны быть выполнены требования к качества обслуживание (Quality of Service-qos) при передачи голоса и данных, что предъявляются к системам мобильной связи. Далее сигнал от каждой фемтосотовой. станции проходит через сеть интернет-провайдера и затем через специальные шлюзы. попадает в опорную сеть мобильного оператора. Конкретных топологий и протоколов в этом сегменте подключение может быть много-они зависят от используемой технологии мобильного связи (GSM, UMTS, wimax, LTE), конфигурации сети оператора, сетевого оборудования и др. Дальше происходит взаимодействие с контроллером радиосети или RNC (Radio Network Controller-контроллер радиосети) - управляющий элемент в UMTS сети радиодоступа (UTRAN), контролирующий подключены к него базовых станции. RNC осуществляет функции управление радио ресурсами, некоторые функции по управлению мобильностью, а также RNC осуществляет шифрование или расшифровка данных пользователя, принимаются или передаются с мобильного устройства пользователя.

Узел SGSN (Serving GPRS Support Node, узел обслуживание абонентов GPRS)-является основным компонентом GPRS-систем реализации всех функций обработки пакетной информации. SGSN выступает точкой соединение между системой базовых станций (BSS) сети радиодоступа (RAN) и базовой сети (CN). SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM. Узел GGSN (GPRS Gateway Service Node (узел, входящий в состав GPRS Core Network), обеспечивает маршрутизация данных между GPRS Core network (GTP) и внешними IP сетями. Кроме маршрутизации, GGSN берет участие в процессе активации PDP соединение, создавая запросы на аутентификацию к RADIUS серверу, а также взаимодействие с DNS серверами для определения IP адреса, запрошенного пользователем APN. MSS (Mobile Switching Centre Server, центр мобильной коммутации) - является элемент ядра сети, 3G , контролирующей элементы системы NSS (Network Switching Subsystem). MSS можно использовать также в сетях GSM , если производитель MSS обеспечил поддержку таких сетей .

Учитывая, что обновления существующих сетей GSM до 3G/4G не всегда приемлемым с разных причин, большинство производителей добавляют к MSS поддержку GSM. Работа сервера MSC базируется на стандартам. Сервер взаимодействует с другими распределенными элементами сети с использованием открытых стандартов, принятых в отрасли. Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интегрированными службами (услугами)- общедоступна телефонная сеть , что использует цифровую технологию передачи сигнала и включает в себя большой набор цифровых услуг, которые становятся доступными для конечных пользователей. ISDN предполагает оцифровка телефонной сети. Универсально Мобильная Телекоммуникационная Система (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS) технология сотовой связи , разработанная Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций ( ETSI ) для внедрения 3G в Европе . UMTS, используя разработки W-CDMA , разрешает поддерживать скорость передачи информации на теоретически уровни к 21 Мбит/с. (при использовании HSPA + ) .

Сама фемтосота, Femto Access Point, устанавливается в любому месте, например, офисе, дома, где проживают, на улице. Устройство подключается к сети оператора через Интернет канал, весь процесс проходит автоматически. Сразу после инициализации станции (участие человека обычно нет нужно, технология plug&play которая на сегодняшний день получила чрезвычайно большое распространение на абонентских устройствах устанавливает все необходимы программные компоненты автоматически) в месте установки устройства появляется локальное 3G/4G покрытие. Провайдер может ограничить доступ к собственной сети или устанавливать гибкую. систему тарифов для соответствующих абонентов.

Для того чтобы до конца понять процесс работы необходимо рассмотреть схему работы сети на протяжении всего маршрута соединения (рис. 2.15). Следовательно схема работы фемтосети:

Рис. 2.15 Схема работы фемто сети

Security Gateway (segw). Это шлюз, что обеспечивает доступ фемтосоты к сети

оператора помощью RAN GW, для обеспечение безопасности (аутентификацию да установка выделенных ipsec каналов с точкой доступа) фемтосоты идет подключение через IP-сеть с применением протокола шифрование ipsec. Включение RGW в сеть оператора осуществляется через стандартные интерфейсы Iu- PS и Iu-СS, используемые для подключение контролеров базовых станций (RNC).

IP Network Controller (INC). Центральный элемент всей системы, обеспечивающий канал связи между сетью сотового оператора и RAN GW.

Authentication, Обучение, Accounting (AAA) Server разрешает обеспечить надежную аутентификацию по стандарту 3GPP. Аутентификация устанавливается между FAP и HLR. HLR (Home Место Register) база данных, какая содержит информацию о абонента сети GSM-оператора. HLR содержит данные о SIM-карты данного оператора мобильного связи. каждой SIM-карте сопоставлен уникальный идентификатор, да званый IMSI, какой есть ключевым полем для каждого записи в HLR.

Медиашлюз (англ. MG, MGW или Media Gateway) – это межсетевой шлюз, что осуществляет преобразование медиа трафика между телекоммуникационными сетями различных типов, реализующий управление CS потоками, разрешает взаимодействие с MSC. 3GPP для IMS Архитектура определяет MGW как элемент взаимодействия IP-сети с тфоп или беспроводными сетями 3G, 4G, PLMN, для 3G эту функцию выполняет GGSN (GPRS Gateway Support Node)

Load Balancing Router (LBR). Объединяющий маршрутизатор (обычно используется решение CISCO), какой используется, чтобы соединить все элементы шлюза между собой.

Femtocell Manager является платформой для управления точками доступа HNB, число которых может достигать нескольких миллионов [25]. За помощью HNB Manager (менелжмент управления HNB) можно управлять настройками радио параметров, сетевых интерфейсов, планировать и проводить обновление программного обеспечение, задавать списки доступа в закрытых группах, а также управлять работой точек доступа в полном объеме.

Network Management System (NMS). Мониторинг да управление системой и отдельными элементами RAN-GW

DNS сервер-обеспечивает распознавание IP адрес в закрытый области сети оператора. Например, HNB использует DNS сервер для распознавание FQDN имени обслуживающего INC узла DNS сервер может быть отдельным для каждого HNB GW или централизованным для всех HNB запросов.

NTP сервер - это источник синхронизации, необходимый для поддержки синхронизации всех HNB в случае когда HNB нет может синхронизироваться за полученными по радио интерфейсу 3G сигналам NTP сервер может быть в каждом RAN GW или может быть централизованным для всех RANGW.

Согласно со отчетом GSMA « Мобильная экономика 2020», количество абонентов мобильного интернета вырастет до 5,8 млрд к 2025 году. Проникновение мобильного интернета достигнет 61% мирового население и 71% уникальных абонентов к 2025 года. Использование данных глобальной мобильной связи вырастет в пять раз до 2024 года. До 2025 года часть услуг 4G вырастет к 59%. Это рост непосредственно вызовет резкое рост потребления данных.

Однако этот скачок трудно поддерживать в ограниченном беспроводном спектре. Поскольку технология 5G коммерчески запускается на многих рынках, а 4G становится лидером в 2020 году, спрос на высокие скорости передачи данных и поддержку традиционного голосового трафика становится непреодолимым для операторов мобильных сетей.

Поскольку сложно расширить сетевую инфраструктуру для поддержания этого всплеска через связанные с этим высокие расходы, операторы мобильного связи и поставщики услуг обращаются к простым в реализации и экономическим технологиям, таких как Wi-Fi Offloading.

Технология Wi-Fi Offloading призвана разгрузить сети мобильных операторов от трафика передачи данных за счет применения технологии Wi-Fi. В в этом случае трафик передачи данных абонентов выводится из сети оператора в отдельную радиосети, что работает с использованием собственных магистральных каналов

Существует три обнаруженных проблемы с разгрузкой за помощью Wi-Fi. Возможное решение этих проблем требует сотрудничества между поставщиками сетевого оборудование, операторами сети и клиентским программным обеспечением [5].

Первая проблема связана с тем, как Найти хорошее обслуживание. Пользователи хотели бы, чтобы их смартфоны беспрепятственно обнаруживали точки доступа, доступны за пределами их дома, проверяли их на безопасность и автоматически подключались с тем же качеством обслуживания, что и в сотовой сети. Такое качество обслуживание трудно достичь без решений Hotspot2.0/NGH.

На сегодняшний день лучшее, что могут получить пользователи, – это список точек доступа, предоставляемых их поставщиком услуг, без какой-либо информации о доступный уровень обслуживание.

Вторая проблема – это безопасность доступа. Автоматическая разгрузка трафика через общедоступны точки доступа Wi-Fi может представлять серьезный риск для безопасности пользовательских данных. Многие сети WLAN не имеют расширенных функций аутентификации, таких как двойная аутентификация 802.1x.

Hotspot 2.0 поддерживает аутентификацию на основе сертификатов X.509 наряду с аутентификацией на основе SIM-карты с условиям единого входа.

Третья проблема связана с бесшовным разгрузкой. Хотя оборудование пользователя может идентифицировать способную, безопасную точку доступа для разгрузки, все же непросто добиться плавной передачи существующих сеансов данных. Такие передачи также могут выполняться разными методами, но они требуют капитальных вложений в инфраструктуру с стороны сети.

Несмотря на все сложности реализации Wi-Fi Offloading, использование технологии Wi-Fi для разгрузка трафика имеет свои преимущества:

Выгоду от разгрузки Wi-Fi получают и операторы мобильной связи, и абоненты [29]. Операторы могут оптимизировать доступны сетевые ресурсы и увеличить общую пропускную способность за счет разгрузка мобильного трафика данных из мобильной сети в сеть с точкой доступа Wi-Fi, в то время как клиенты получают высшее качество обслуживания от операторов.

Чтобы проиллюстрировать ценность разгрузка Wi-Fi, посмотрите гистограммы ниже (рис. 2.16). Они сравнивают использование Wi-Fi (голубой) и сотового связи (зеленый цвет), исследуя одни и те же данные с двух разных точек зрения. Первая – это необработанное время сеанса; вторая – с точки зрения объема данных, передаваемых во время этих сеансов. Как вы видите, несмотря на относительную нехватку сеансов Wi-Fi, под время них потреблялось намного больше данных, нож под время сеансов сотового

связи.

Рис. 2.16 Сравнение использование Wi-FI и сотового связи.

Ключевой преимуществом использование Wi-Fi Offloading есть нелицензированный диапазон для радиопередачи, что делает невозможным вмешательство в трафик сети. Более того, пользовательские устройства уже оснащены трансиверами Wi-Fi, что упрощает задачу. Операторы мобильной связи развертывают следующие точки доступа Wi-Fi в таких местах, как торговые центры, рынки, аэропорты и и т.д.

Недавно были изучены и количественно оценены преимущества выгрузки данных в сети Wi-Fi. Приблизительно 80% трафика, что генерируется мобильными пользователями, приходится на внутренние помещение, где часто доступный Wi-Fi. Таким образом, трафик данных может быть легко и эффективно загружен на точки доступа Wi-Fi. Для улучшение качества интернет-услуг большое количество пользователей предпочитают технологии Wi-Fi, а не сервисам сотовой передачи данных, поскольку она позволяет передавать трафик данных с дорогих лицензированных диапазонов в бесплатные нелицензированные диапазоны (2,4 ГГц и 5 ГГц)[30]. Согласно многочисленным исследованиям, развертывание сети Wi-Fi сравнительно дешевле, нож расширение существующей сети.

Операторы могут использовать три основных подхода к разгрузке трафика данных в сети Wi-Fi в зависимости от уровня интеграции между Wi-Fi и сотовыми сетями.

Первый подход – обход сети или выгрузка неуправляемых данных, и в этом случае данные пользователей прозрачно перемещаются в сеть Wi-Fi, когда они находятся в зоне покрытия Wi-Fi, полностью минуя базовую (сотовую) сеть для услуг передачи данных. Голосовые сервисы, с другого стороны, продолжают доставляться через базовую сотовую сеть. Хотя этот подход кажется привлекательным, поскольку он нет требует развертывание любого сетевого оборудование, у него есть некоторые недостатки. Во-первых, оператор теряет видимость (и, следовательно, контроль) своих абонентов, когда они находятся в сети Wi-Fi. Во-вторых, оператор не может доставить контент по подписке. Несмотря на свои недостатки, этот подход можно использовать в качестве решения для немедленной разгрузки из-за простоты развертывания. Это также привлекательно с точки зрения пользователей через контроль за связью данных. Следует отметить, что этот подход аналогичен тому, что пользователи переключают интерфейс Wi-Fi, когда они находятся в зоне покрытия Wi-Fi для лучшего опыта. Оператор может развернуть Да есть решение по разгрузке, просто разместив в телефонных трубках приложение, которое включает интерфейс Wi-Fi при обнаружении покрытие Wi-Fi. что пользователи переключают интерфейс Wi-Fi, когда они находятся в зоне покрытия Wi-Fi для лучшего опыта. Оператор может развернуть такое решение по разгрузке, просто разместив в мобильных устройствах приложение, какой включает интерфейс Wi-Fi при обнаружении покрытие Wi-Fi.

(а)

(b)

(с)

Рис.2.17 Разгрузка мобильных данных через Wi-Fi, (а) обход сети, (b) управляемый подход, (c) интегрированный подход

Подход к управляемого разгрузка данных может быть использован теми

операторами, не желающими терять контроль и видимость своих абонентов. Это может быть связано с рядом причин. Некоторые операторы предоставляют доступ к сети по счетчику, требующему абонентского контроля. Другие предоставляют такие услуги, как родительский контроль / фильтрация, которые нет могут быть предоставлены в полностью десегрегированной сети. Некоторые операторы просто хотят знать о привычках просмотра абонентами информации по целевым маркетинговым причинам. Все это может быть достигнуто путем размещения интеллектуального шлюза с поддержкой сеансов, через какой сеанс Wi-Fi абонента проходит на пути к Интернет. Полная интеграция сотовых и Wi-Fi сетей в этом случае не требуется. Хотя оператор получает контроль над абонентами, он, как и раньше, нет может доставлять абонентский контент.

Комплексный подход к разгрузка данных предоставляет оператору полный контроль над абонентами, а также возможность доставлять будь абонентский контент, пока пользователи находятся в сети Wi-Fi. Это достигается за счет интеграции сотовых сетей и сетей Wi-Fi, да что между двумя сетями может быть образован мост, через какой может быть установлен поток данных.

Стандарт 3GPP-WLAN определяет основные принципы управления сетями Wi- Fi и доступа к сервисов оператора в интегрированный (тесно связанной) системе сотовой связи и Wi-Fi. Основная концепция заключается в создании управляемого тоннеля между мобильным устройством и инфраструктурой оператора мобильной сети, как показано на рис. 2.17(c). Это более подробно показано на рис. 2.18, где мы рассматриваем усовершенствованное пакетное ядро (EPC) сети LTE. Поскольку точки доступа Wi-Fi обычно не считаются безопасными, стандарт WLAN определяет, как можно установить безопасный тоннель виртуальной частной сети (VPN) между авторизованным мобильным устройством (подключенным к точки доступа Wi-Fi) и шлюзом VPN, находящимся в EPC. Этот шлюз VPN известен как усовершенствованный шлюз пакетных данных (ePDG) Трафик туннелируется между службами оператора через шлюз доступа WLAN (WAG) и ePDG. WAG действует как межсетевой экран, что динамически настраивается, а ePDG - как конечная точка туннелирование [30].

Рис.2.18 3GPP I-WLAN с сильной связью сотовой связи (LTE) – система Wi-Fi

Выгрузка данных выполняется через точки доступа, сеть точек доступа Wi-Fi устанавливается в диапазоне сотовой базовой станции, так что все точки доступа могут получать сигнал от базовой станции сотового связи, достаточен для эффективного обслуживания выгруженных пользователей. Несколько ТД могут работать под одной ТД, как показано на рисунке 2.19(b). Если несколько базовых станций обнаруживают одну точку доступа, точка доступа принимает решение, выходя с мощности сигнала, к которой базовой станции она должна быть подключена. Более того, одна точка доступа Wi-Fi может обслуживаться несколькими точками доступа одновременно, чтобы повысить эффективность разгрузка и добиться параллелизма.

(a) (b)

Рис. 2.19 Разгрузка мобильных данных через точки доступа Wi-Fi

На рис. 2(а) показана общая архитектура того, как оператор сотовой сети подключает пользователя к точки доступа Wi-Fi. Данные пользователя выгружаются в точку доступа Wi-Fi, откуда он получает данные.

Существует две архитектуры для объединения сотовых и Wi-Fi: (а) сильный связь и (б) слабый связь. В (а) все основные функции сети, такие как управление ресурсами, передача обслуживание и выставление счетов, управляются и контролируются централизованно и как сеть, да и сеть Wi-Fi функционируют в единой магистральной сети [31]. В качестве альтернативы в (b) обе сети независимые.

Существует несколько возможных решений передачи сетей Wi-Fi функций с обслуживание трафика данных Выбор того или иного решения в основном зависит от уровня интеграции сети Wi-Fi в сети мобильной связи, необходимого времени развертывание и уровня контроля абонента оператором. Дальше рассмотрим упрощенную схему решение для 3G – сети (рис. 2.20) .

Рис. 2.20 Схема работы Wi-Fi Offload на 3G-сети мобильного оператора

Работа Wi-Fi offload основывается на принципах работы сервиса передачи данных в традиционных сотовых сетях. При присоединении абонента к сети создается и активируется протокол PDP (Packet Data Protocol, PDP), основными участниками этого процесса есть абонентский устройство, узел обслуживание абонентов SGSN и узел GGSN Далее создается тоннель GTP (GPRS Tunnel Protocol) между SGSN и GGSN, а абонентскому устройству назначается IP-адрес. После этого услуга становится доступной абоненту.

Теперь представим себе ситуацию, когда у абонентского устройства появился второй активный радиоинтерфейс. Это случается, когда абонент входит в зону действия Wi-Fi- сети оператора или его партнера. Очевидно, что в этом случае устройство должен провести некую процедуру «активации» данного интерфейса, состоящего из авторизации в сети да получение IP-адреса. Согласно спецификации, для аутентификации и авторизации используется механизм EAP-SIM/EAP-AKA, а присвоение IP-адреса осуществляется с использованием протокола DHCP .

Для обеспечения безопасной работы абонента по сети Wi-Fi консорциум 3GPP предлагает использовать ipsec-тоннель, какой терминируется на шлюзи PDG,

расположенном в рамках PS Core оператора. Инициатором создание тоннеля есть абонентское устройство Таким образом, на абонентском устройстве появляются два туннели, построены через интерфейсы 3G и Wi-Fi соответственно. Для обеспечение

«бесшовного» перехода сессий передачи данных между двумя радиосетями необходимо исполнение следующих условий:

Описан принцип работы является нет единственным с возможных вариантов. В спецификации 3GPP приведены несколько сценариев организации механизма Wi-Fi offload на сети оператора, однако данный вариант наиболее универсален. Реализации Wi-Fi offload, предложены производителями сетевого оборудование могут также отличаться от рекомендаций 3GPP через совмещены особенности функций разных устройств например, функциональность PDG (TTG) может быть реализована непосредственно на GGSN.

В числе преимуществ, обещающих простым абонентам внедрения данной технологии, в первую очередь это более качественный сервис передачи данных, каким обделены абоненты в крупных городах. Эта проблема становится очевидной при большом скоплении абонентов в одному месте. Использование уже развернутых сетей Wi-Fi для разгрузка сотовых сетей может значительно повысить доступность услуги передачи данных и увеличить удельную полосу пропускания на одного абонента. Другим преимуществом является более точное позиционирование абонента без использования GPS/ГЛОНАСС, поскольку зона действия точки доступа Wi-Fi на порядки меньше, чем зона действия базовой станции 3G/4G.

Необходимо разграничить Wi-Fi сети, выполняющие функцию разгрузки 3G/4G-сетей мобильной связи от внедряемых государством точек доступа позиционируются как "бесплатные". При этом предполагается, что услуги предоставляются горожанам будут оплачиваться с городского бюджета Бизнес-модель муниципальных Wi-Fi имеет два основных недостатка. Во-первых, устаревшая сегодня инфраструктура ранних муниципальных Wi-Fi сетей было достаточно дорогостоящим: для покрытия площади 1600 м 2 было нужно от 40 к 60 внешних точек доступа. Современные точки доступа, что поддерживают стандарт 802.11n, при одинаковой стоимости имеют в два раза больше зону обслуживания, в 9 раз большую скорость обмена данными и в 8 раз большую емкость, что позволяет значительно снизить затраты на развертывание сети. Во-вторых, они могут не приносить прибыль. Следовательно, невыгодно инвестировать развертывание подобных сетей, так как эти инвестиции не окупятся (или же их развертывание будет приостановлено, если средств не будет хватать) [31].

Согласно новой бизнес-модели разгрузка сетей мобильного связи за счет Wi-Fi, основные расходы для развертывания сетевой инфраструктуры Wi-Fi берет на себя оператор связи. Стоимость вложений в развертывание сети Wi-Fi намного ниже стоимости развертывание дополнительной сети 3G или 4G. Кроме того, оператор уже имеет собственные радиомачты и выкуплены места на крышах домов для установки радиооборудования, что также сокращает капитальные издержки. Следуя этой модели, операторы связи не только значительно снижают нагрузку на свои 3G- сети, гарантируя качественное предоставление основной услуги-голосового связи, но и повышают потенциальный прибыль от базовых станций.

Выводы

РАЗДЕЛ 3

Усовершенствованный метод перераспределения трафика на основе ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АГРЕГИРОВАННОЙ ФЕМТОСОТА LTE ТА WI-FI

В этом разделе приведена схема работы агрегированной фемтосоты Wi-Fi и LTE. Она строится на разработанной консорсиумом 3GPP схеме Wi-Fi offloading. Описано архитектурное взаимодействие элементов сети в агрегированной фемтосоте, а также некоторые спецификации 3GPP, которые помогут реализовать взаимодействие двух сетей на программном и аппаратном уровни.

Реализация схемы может быть выполнена несколькими способами. Это зависит от возможностей оператора и размещение точек доступа.

По назначению установка станция может делиться на три категории: жилых массивов, предпринимательские объекты да места массового скопление людей (метро, стадионы, площади и т.д.). В публичных местах мобильному оператору выгодно провести свой широкополосный канал да оборудование, с расчетом на большую количество данных. Предпринимательские комплексы также желательно строить на основе собственной линии по возможности, или можно воспользоваться услугами транзита интернет провайдера [16]. Что касается конечного оборудование, то, в случае возможности, можно воспользоваться клиентскими точками доступа Wi-Fi, дооборудовая только фемтостанции модулем LTE. Поскольку для жилых массивов приоритетным будет соединение через интернет провайдера, возникает необходимость создания защищенных каналов Это можно сделать с помощью протокола ipsec, просыпаемых защищенных vlan каналов через сеть подрядчика.

Схема работы встроенного способа просто сочетается со схемой работы Wi-Fi offloading, предложенной компанией Сisco. Фемтостанция (FAP) и точка доступа Wi-Fi организованы в одному устройства да используют один выделен широкополосный канал доступа, что ведет в сеть мобильного провайдера.

Подключившись к любой станции, абонент по выделенном, безопасном тоннеля (ip sec, GTP, MIP или PMIP), который терминируется на PDG(Packet Data Gateway)

, для обеспечения безопасности данных клиентов от перехвата в сети интернет провайдера да несанкционированного использование, попадает на оборудование мобильный оператор.

на рис. 3.1 подробно изображено схему работы.

Рис. 3.1 Модель интегрированной сети

Если подключение было к Wi-Fi, то запрос попадает на WAG (Wireless Access Gateway – шлюз беспроводного доступа), обеспечивающий беспроводной доступ к корпоративных приложений, если FAP то на RNC (Radio Network Controller - контроллер радиосети), что реализует шифрование или же дешифрование абонентских данных, управление радио ресурсами, контроль подключения базовых станций. После проверки подключение вызов проходит через PDG (обеспечивает подключение от UE к внешним пакетным сетям) и попадает на 3GPP AAA для проверки соответствия и идентификации клиента, а также определение тарифа оплаты (данные для оплаты хранятся на OCS/OFSC-Online Charging System / Offline Charging System-online и offline серверах биллинговой системы) [32]. Данный процесс происходит на основе технологии RADIUS на стороне оператора да EAP- SIM/ОКА,

которые должны быть установлены у клиента при подключении через Wi-Fi. 3GPP AAA также запрашивает информацию об абонентах из HLR, HSS (Home Subscriber Server, Home Location Register (основная расширенная база данных). SLF создан для управления HSS, если их у оператора несколько. После этого вызов, как из фемтосоты, так и из точки доступа Wi-Fi проходит через SGSN (Serving GPRS Support Node – узел обслуживание абонентов GPRS), функциями которого есть контроль доставки пакетов данных, аутентификация с HLR, шифрование в сети GPRS (GEA1, GEA2, GEA3) и др.. Последний этап – выход в внешнюю сеть с сети мобильного оператора. GGSN( GPRS Gateway Service Node) служит шлюзом для попадания во внешнюю сеть (Интернет) и некоторые другие функции (активация PDP, взаимодействие с серверами DNS для обеспечение IP адрес, запрос на аутентификацию к RADIUS) .

Архитектурную взаимодействие пользователя с сетью Wi-Fi можно описать следующим образом. При попытке пользователя получить доступ к беспроводной сети

802.11 он обнаруживает ближайшую к нему точку доступа и отправляет ей свои учетные данные данные для прохождение идентификации. Точка доступа Wi-Fi, в свою очередь, регистрируется через беспроводную локальную сеть, подключенную к шлюзу WLAN-GW непосредственно или через LAN-GW (шлюз локальной сети). Шлюз WLAN-GW организует подключение к серверам AAA и DHCP. Понятно, что задачей DHCP сервера есть распределение IP-адрес для пользователей сети Wi-Fi. В Задача WLAN шлюза входит агрегация трафика от точек доступа. А сервер с аббревиатурой AAA (authentication, authorization and accounting) отвечает за авторизацию, аутентификацию и учет пользователей. Аутентификация проводится для того, чтобы разрешить пользоваться сетью только легитимным пользователям. Это может быть реализовано на основе протокола EAP[33]. В этом случае веб-портал получает учетные данные пользователя, пароль и отправляет его на инициирующий WLAN-GW аутентификацию RADIUS по отношению к сервера AAA (рис. 3.2). При этом распределение IP-адресов производится до прохождения аутентификации, тогда как в основе метода EAP аутентификация предшествует выделению IP-адрес. Метод EAP можетобеспечить плавное переподключение собственных абонентов сети к сети оператора с SIM-карты.

Спецификация 3GPP различает два типа Wi-Fi доступа: Trusted и Untrusted. 3.3). Первый тип касается сетей, в которых точки доступа Wi-Fi не находятся под контролем оператора мобильной сети. И второй тип соответственно в том случае, если точка доступа есть собственностью оператора.