Дослідження методів побудови мереж 4G та 5G для надання сервісів Інтернету речей
Автор: Герей Ігор Миколайович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне адміністрування телекомунікаційних мереж
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2021-2022 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Згідно зі світовими тенденціями на телекомунікаційному ринку, безпроводові мережі зв’язку є одними із ключових елементів у реалізації парадигми Інтернету (Internet of Things, IoT). Зараз саме з початком комерційного впроваджження мереж 5G ми очікуємо побачити повну реалізацію концепції Інтернету речей. На ранніх етапах нова технологія запроваджуватиметься на базі інфраструктури 4G (LTE). Сьогодні багато сценаріїв IoT-технологій, які прийнято називати Інтернетом речей, насправді є звичайними M2M-з’єднаннями (Machine-to-Machine): у них реалізується збір, управління та візуалізація даних для потреб окремого підприємства без втручання людини. M2M-зв’язок вважається одним із основних елементів систем майбутнього. З урахуванням активного зростання трафіку M2M-взаємодії, завдання оптимального розподілу радіоресурсів стає все більш актуальною для операторів мереж зв’язку LTE (Long Term Evolution). До основних завдань у безпровідних мережах наступного покоління 4G/5G належить оптимізація обмеженої кількості радіоресурсів між користувачами (User Equipment, UE) (H2H, Human-to-Human) і пристроями M2M (Machine-to-Machine). В умовах появи трафіку M2M відомі методи розподілу радіоресурсів у мережах LTE, які традиційно оптимізувалися для обслуговування користувачів традиційних послуг зв’язку (H2H, Human-to-Human), мають бути змінені. Внаслідок впровадження додаткових механізмів розподілу радіоресурсів між великою кількістю пристроїв потрібен розвиток нових алгоритмів, що описують особливості обслуговування M2M-трафіку. В першому розділі проведено аналіз принципів побудови та функціонування архітектури Інтернету речей. Встановлено, що з використанням IoT рішень можна керувати віддаленими об’єктами через комунікаційну мережу. Встановлено, що через суворі вимоги до затримки критично важливих сервісів Інтернету речей, безпровідні ресурси повинні надаватися для нього на основі пріоритету. Крім того, оскільки доступні безпровідні ресурси в мережах 4G/5G будуть розподілені між MTC та HTC, які мають часто суперечливі вимоги до якості обслуговування, то існуючі підходи до розподілу ресурсів, які розроблені лише для користувачів, при масовому розгортанні MTC можуть призвести до неоптимального розподілу ресурсів для відповідності різним додаткам з різними вимогами QoS. Таким чином, як 4G так і 5G потребують розвитку існуючих методів розподілу ресурсів. У другому розділі встановлено, що наявність потенційно величезної кількості пристроїв М2М/H2H, що супроводжуються інтелектуальними системами зв’язку, створює критичні проблеми зв’язку, включаючи масштабованість, неоднорідність, проблеми доступу тощо. Впровадження технології М2М в різних сферах вимагають вирішення цих проблеми для досягнення високої якості обслуговування. У роботі виділено деякі потенційні комунікаційні виклики та запропоновали власні рішення, пов’язані з M2M комунікацією для мереж 4G/5G, а саме запропонували архітектуру та описали принцип розподілу ресурсів. У третьому розділі розглянуто основні особливості функціонування стандарту LTE-M призначеного для надання сервісів Інтернету речей. Встановлено, що класичний eNodeB у мережі LTE-M призводить до швидкого зниження пропускної здатності коли надсилається величезна кількість запитів на доступ до M2M. Встановлено, що через неадаптивність і обмежену ширину каналу відбувається втрата трафіку M2M. Запропоновано метод адаптивного управління радіоресурсами в залежності від інтенсивності трафіку M2M. Запропоновано механізм планування та розподілу ресурсів для трафіку M2M та H2H з врахуванням пріоритетності потоків. Проведено моделювання та дослідження ефективності застосування адаптивного LTE-M в умовах різного навантаження трафіку M2M. У четвертому розділі для спрощення використання деяких доступних мережевих ресурсів на підтримку нової спеціальної групи QCI, призначеної для визначення рівня QoS MTC, пропонується політика управління потоками трафіку, що визначає потоки трафіку MTC через мережу EPS. Ресурси мережі, що виділяються для потоків трафіку MTC, налаштовуються на основі потреб типу терміналу. В результаті результати моделювання встановлено, що запропонована політика управління потоками трафіку в мережній інфраструктурі LTE-APro перевершує поточний рівень NQoS не тільки потоків трафіку HTC, але й потоків трафіку MTC. У п’ятому розділі проведено економічне обгрунтування реалізації розробки 4G/5G . Об’єкт дослідження – процес управління радіоресурсами в мережах 4G/5G для надання сервісів IoT. Предмет дослідження – методи та моделі управління трафіком M2M/H2H в технології LTE-M/LTE-A. Метою роботи є забезпечення необхідної якості обслуговування трафіку Інтернету речей в мережах 4G/5G шляхом розроблення методу адаптивного управління радіоресурсом в технології LTE-A. Ключові слова: 5G; 4G; IoT; M2M; H2H; QoS.