Ақылды қаланы (Smart cities) жүзеге асыруға сымсыз технологияларды пайдалану
АҢДАТПА
Бұл дипломдық жұмыс ақылды қаланы (Smart cities) жүзеге асыруға сымсыз технологияларды пайдалануға арналған, дипломның негізгі мақсаты Қазақстан мемлекетіне ақылды қалаларды дамытуға сымсыз технологияларды зерттеу болып табылады.
Бұл жұмыста ақылды қалалар желісін құруға болатын сымсыз технологиялардың әр түрлі түрлері туралы және ақылды қаланың негізгі түсініктері толықтай сипатталған. Дипломдық жұмыс барысында сымсыз технологияларға талдау жасалды, олардың ішінен ақылды қаланы жүзеге асыру үшін 4G және 5G мобильді технологиялар таңдалды. Сонымен қатар,5G желісіндегі ақылды қаланың мысалы ретінде Алматы қаласының шағын ауданының макеты жасалды және 5G желісінің параметрлері есептелінді.
Дипломдық жұмыстың көлемі 72 беттен тұрады, онда сурет, кесте, әдебиет көзі бар.
Түйінді сөздер: Ақылды қала, Smart cities ,Интернет заттар, Internet of Things, LPWA, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Long-Term Evolution, Global System Mobile.
АННОТАЦИЯ
Данная дипломная работа была посвящена использованию беспроводных технологий в реализации умного города, главной целью которого является изучение беспроводных технологий для умных городов Казахстана.
В работе рассмотрены основные понятия умного города, различные виды беспроводных технологии, на которых можно построить сеть умных городов. В ходе работы был сделан анализ беспроводных технологии, из которых были выбраны мобильные технологии 4G и 5G для реализации умного города. Также была разработана модель микрорайона города Алматы в качестве примера умного города на сети 5G. В расчетной части были получены параметры сети 5G.
Объем дипломного проекта 72 страниц, содержит рисунков, таблиц и источников литературы.
Ключевые слова: Smart cities, Smart house,4G, 5G, Интернет вещей, Internet of Things, LPWA, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Long-Term Evolution, Global System Mobile.
ABSTRACT
This graduate work was devoted to the use of wireless technology in the implementation of a smart city, the main purpose of which is to study wireless technology for smart cities of Kazakhstan.
The paper describes in detail the basic concepts of a smart city, various types of wireless technologies on which you can build a network of smart cities. In the course of the work, an analysis of wireless technologies was made, from which 4G and 5G mobile technologies were selected for the implementation of the smart city, which is the most optimal. Also, a mock-up of the microdistrict of the city of Almaty was made, as an example of a smart city on a 5G network. 5G network.
The volume of the diploma project is 72 pages, 22 figures,33 sources of literature.
Key words: Smart cities,4G, Smart house, 5G, Internet of Things, LPWA, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Long-Term Evolution, Global System Mobile.
СОДЕРЖАНИЕ
Нормативные ссылки ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Обозначения и сокращения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ...
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
11
12
13
1
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИИ В РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОД ... ... ... ... ... ... ... .. ... ...
14
1.1
Концепция умного города ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
14
1.2
Виды беспроводных технологии в реализации умного города ... ...
16
1.2.1
1.2.2
1.3
Технологии мобильной связи и технологии малого радиуса действия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .Технологии интернет вешей ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ...
Обзор и анализ существующих беспроводных технологии для реализации умного города в Казахстане ... ... ... ... ... ... . ... ... .
16
20
21
2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..
23
2.1
2.2
Обзор технологии 4G ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .
Обзор технологии 5G ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .
23
23
2.2.1
Архитектура базовых станций gNB ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
24
3
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТИ 4G И 5G ДЛЯ МОДЕЛИ УМНОГО ГОРОДА
27
3.1
Описание модели квартала умного города ... ... ... ... ... ... ... . ...
27
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Расчет параметров сети 5G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Оценка радиопокрытия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Расчет пропускной способности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
Расчет зоны радиопокрытия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Расчет подключаемых абонентов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
40
45
45
48
4
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..
51
4.1
4.2
4.3
Цели и задачи проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Необходимость проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Трудовые ресурсы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
51
51
51
4.4
Расчет доходов и расходов от проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
52
4.5
экономической ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
56
4.6
Выводы по экономической части ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
59
5
ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ ... ... ... ...
60
5.1
Общие сведения по охране труда предприятия ... ... ... ... ... ... ...
60
5.2
Анализ опасных и вредных производственных факторов ... ... ... .
61
5.3
Производственная санитария и гигиена труда ... ... ... ... ... ... ...
62
5.4
5.5
5.6
Электробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Пожаробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Техника безопасности при работе с компьютером ... ... ... ... ... ..
62
6465
5.7
Расчёт искусственного освещения помещения ... ... ... ... ... ... .. .
66
5.8
Антропогенное воздействие объекта на окружающую среду и мероприятия по экологической безопасности ... ... ... ... ... ... ...
69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
70
71
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В данной дипломной работе были использованы следующие нормативные ссылки:
Государственная система санитарно-эпидемиологического нормирования Республики Казахстан Санитарные правила и нормы СанПиН № 1.01.004.01 Гигиенические требования к организации и условиям работы с видео-дисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами ;
Приказ Министра внутренних дел Республики Казахстан Пункта 1 статьи 12 Закона Республики Казахстан от 11 апреля 2014 года "О гражданской защите": Технический регламент Общие требования к пожарной безопасности;
Государственная система санитарно-эпидемиологического нормирования Республики Казахстан Санитарные правила и нормы СанПиН № 2.04-05-2002 ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
2G, 3G, 4G, 5G* Refers to different generations Относится к различным поколениям of mobile standards стандартов подвижной связи
IoT - Internet of Things, интернет вещей;
GPS - Global Positioning System, система глобального позиционирования;
IP - Internet Protocol, маршрутизируемый протокол сетевого уровня стека TCPIP;
ISM - Industrial, Scientific, Medical, нелицензируемый диапазон частот;
LTE - Long-Term Evolution, стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов;
ITU International Telecommunication МСЭ Международный союз электросвязи;
LTE-A Pro Long‐Term Evolution Advanced Pro Усовершенствованная технология долгосрочного развития;
MIMO Multiple Input, Multiple Output Многоканальный вход многоканальный выход;
ЖКХ- Жилищно-коммунальное хозяйство.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы дипломной работы связана с тем, что интенсивное развитие smart технологий и умных городов приводит к необходимости изучения беспроводных технологии для реализации в нашей стране. Сегодня ключевой задачей становится создание условий для развития городов всех типов, обеспечивающих за счет роста собственной конкурентоспособности и равномерность экономического и социального развития территорий страны. Решающую роль здесь играют не отношения конкуренции, а отношения соревновательности, взаимодействия и взаимопомощи, основанные на наиболее эффективном использовании ограниченных ресурсов, в первую очередь интеллектуальных. Так актуализируется задача создания условий для развития современных городов как интеллектуальных центров, обеспечивающих на практике приоритет информационных и нематериальных параметров городского развития над традиционными материальными элементами, превращения их в умные города .
Концепция Smart City предполагает внедрение ИКТ в процессы управления городским хозяйством, что, в свою очередь, стимулирует развитие цифровизации в стране. Кроме того, технологии позволяют наладить более взвешенный подход к использованию ресурсов (городского имущества, транспортных систем, водо- и энергоснабжения и т. д.) и улучшить жизнь горожан засчет их разумного распределения. К слову, по оценкам Cisco, города, активно использующие ИТ, смогут повысить свою энергоэффективность на 30% в течение 20 лет. В мире, где крупные населенные пункты используют 60-80% от мировых потребностей в энергии, подобная экономия может стать определяющей для будущего благополучия.
Предметом исследования являются мобильные технологии 4G и 5G в реализации умного города.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена новая технология 5G как основная сеть для будущих умных городов Казахстана.
Целью дипломной работы является разработка учебного стенда для изучения сетей Интернета вещей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить предметную область умного города;
рассмотреть аналоги умных городов разных странах, а также в Казахстане;
сделать анализ беспроводных технологии для умного города;
исследовать мобильные технологии 4G и 5G;
расчитать параметры сети 5G на примере микрорайона города Алматы.
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИИ В РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА
1.1 Концепция умного города
Умный город - это градостроительная концепция интеграции множества информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), в том числе систем Интернета вещей (IoT) для управления городской инфраструктурой: транспортом, образованием, здравоохранением, системами ЖКХ, безопасности и тд. Целью создания умного города является улучшение качества жизни жителей с помощью технологии городской информатики для повышения эффективности обслуживания и удовлетворения нужд человека.
ITU (Международный союз Электросвязи) определяет следующие основные направления продвижения для Умного Города [8]:
:: Транспорт;
:: Вода;
:: Энергия;
:: Безопасность.
Первый пункт понятен - это мобильность, которая напрямую влияет на экономику, вторые два связаны с экономией̆ ресурсов, ну и последний - это как раз безопасность.
Умные города охватывают различные аспекты правильного функционирования и управления городом.
Правительство: Этот фактор направлен на цифровизацию администрации для повышения эффективности, внедрения электронной демократии путем улучшения системы голосования и предоставления гражданам легкого доступа к публичным документам, что может повысить прозрачность, как описано Paolo Neirotti et al. в [11]. Suha Alawadhi et al. обсудить в [12], что городское планирование может быть включено в этот раздел, что позволяет разумный рост города с учетом таких факторов, как загрязнение воздуха, управление стоимостью коммунальных услуг, переполненность школ, открытые пространства и пробки на дорогах.
Экономика состоит из внедрения инновационных решений для улучшения экономики и деловых возможностей города. Использование технологий для развития области и расширения возможностей трудоустройства также были инициативами, предпринятыми умными городами. Экономическая экспансия города привлекает человеческий капитал и позволяет инвестировать финансовые ресурсы в улучшение других аспектов города.
Управление: Эта область охватывает управление транспортом, энергией и природными ресурсами, как объяснил Махмуд Аль-Хадер и в [13]. Это один из самых развитых факторов среди умных городов. Решения IoT и беспроводной сенсорной сети (WSN) -- это технологии, которые в настоящее время используются для получения данных и управления ресурсами и распределения трафика. Управление растениеводством [14], дозирование кормов и развитие производства для ферм, распределение и измерение расхода воды для сельского хозяйства [15], муниципальных и бытовые цели, управление общественным освещением, спрос на энергию и возобновляемые источники энергии, улучшение городской логистики и общественного транспорта являются примерами инициатив, которые осуществляются в настоящее время.
Инфраструктуры: Паоло Нейротти [11] также обсуждают эту область как часть аспектов Smart City. К этой категории относятся такие аспекты, как качество жизни (QoL), такие как освещение, отопление или вентиляция. Управление объектом, таким как собственность, аренда и услуги, такие как уборка и обслуживание, также включены. Управление энергопотреблением и потреблением воды в зданиях, телекоммуникациях и лифтах также являются одними из решений, которые можно реализовать в умном городе.
Технология: часто учитывается технологический фактор, хотя он может быть частью решений, разработанных для других факторов. Он состоит из использования технологии для разработки новых решений для создания интеллектуального, цифрового и виртуального города, как указано Taewoo Nam et al. в [16]. Это означает использование доступных технологий для улучшения работы города и повышения степени удовлетворенности его жителей.
Люди: эта область обсуждается Паоло Нейротти [11] а также Taewoo Nam et al. [16]. Развлечения, общественная безопасность, улучшение услуг, предоставляемых системой здравоохранения, культурная деятельность, управление благосостоянием и поддержание общественных мест, а также новые способы использования технологий для улучшения системы образования являются примерами возможных решений, охватываемых этим фактором. Одной из мотиваций умных городов является улучшение качества жизни граждан и облегчение их жизни. В конце концов, цель всех других факторов - помочь людям.
Первый стандарт ISO 37120:2014 [3] по индикаторам для Умных городов был выпущен в мае 2014. Он дал возможность городским управляющим, политикам и тем, кто планирует изменения в городах, объективно оценивать их прогресс и сравнивать свои результаты с тем, что делают в других городах. Ключевые показатели или измерения в этом стандарте позволяют, в его реализации, четко сфокусироваться на его исполнении. ISO 37120:2014 был сделан как часть будущего набора стандартов и этот набор стандартов должен будет обеспечить постоянное и устойчивое развитие городских образований. Он спроектирован так, чтобы его можно было применять в любом городе, муниципалитете или местном правительстве, вне зависимости от их размера, размещения или уровня развития. Набор показателей в стандарте также предусматривает базовые статистические показатели и определенного вида информацию для того чтобы помочь официальным лицам отобрать те города, здоровья населения. Следовательно, необходимо планировать эту деятельность.
В зависимости от требований к надежности системы использование технологий, работающих в нелицензированных полосах частот, может поставить под угрозу ее производительность. Выбор технологий, которые меньше мешают друг другу, может помочь обеспечить правильное развертывание и функционирование Smart Cities.
Используя вышеупомянутые причины в качестве мотивации мы определяем основные аспекты, которые являются частью умного города. Кроме того, эволюция беспроводных технологий и их характеристики подробно. Затем обсуждается переполненная полоса ISM 2,4 ГГц и проблемы сосуществования беспроводных технологий. Наконец, различия в потребляемой мощности рассматриваются. Кроме того, текущие проекты Smart City и беспроводные технологии, используемые для каждого домена, также обсуждаются.
1.2 Виды беспроводных технологии в реализации умного города
Беспроводные технологии были разработаны на протяжении многих лет, чтобы иметь возможность подключать миллионы устройств. В зависимости от расстояния, скорости передачи или требований к потребляемой мощности были предложены дифференцированные решения. В настоящее время, независимо от того, стандартизированы они или нет, доступные технологии позволяют нам подключать большое количество устройств и обмениваться информацией об управлении энергией, водой или трафиком, являющейся частью всех областей умного города. В этом разделе подробно описаны технологии, используемые в настоящее время для реализации умного города.
1.2.1 Технологии мобильной связи и технологии малого радиуса действия
Стандарты Wi-Fi наиболее широко используются в домашних и предпринимательских средах для обеспечения доступа в Интернет для бесчисленных устройств. Он также используется для предоставления гражданам бесплатного доступа в Интернет путем развертывания точек доступа по всему городу. Все типы данных могут передаваться через WiFi, хотя в более ранних версиях стандарта могут возникнуть трудности с передачей мультимедийного трафика высокого качества. Сравнение битрейтов беспроводных технологий. Как видно, битрейт для IEEE 802.11 был растет по мере выпуска новых стандартов. Пользователи могут свободно перемещаться без проблем при подключении к другим точкам доступа в сети. Недостатком является то, что Wi-Fi-соединения менее стабильны, чем проводные, радиус обслуживания ограничен, что приводит к значительному ослаблению сигнала [9]. В таблице 13 представлены характеристики стандартов WiFi. Радиус WiFi имеет средний радиус действия. Устройства могут отодвигаться до расстояний от 20 до 70 м для помещений и от 100 до 250 м для улиц. Между стандартами IEEE 802.11a b n g, IEEE 802.11b имеет более сильный сигнал на большие расстояния. IEEE 802.11b и IEEE 802.11n являются лучшими для близких расстояний [8]. Это может быть специально указано для управления, инфраструктуры, экономики и людей в Smart City. Используемые полосы частот не лицензируются, поэтому при проектировании сети следует соблюдать меры предосторожности. Помехи могут ухудшать качество обслуживания (QoS) развертываемой системы.
Стандарт IEEE 802.16 это прогрессивный набор стандартов для поддержки широкополосной фиксированной и мобильной беспроводной связи. WiMAX - это термин, разработанный как аббревиатура для всемирной интероперабельности для микроволнового доступа, он относится к совместимым реализациям стандартов IEEE 802.16 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) [44]. Кроме того, этот стандарт был опубликован в 2001 году, его целью была поддержка связи в полосе частот 10 - 66 ГГц. Более поздняя версия IEEE 802.16 была завершена в 2009 году.
Z-Wave - это собственный протокол, разработанный Sigma Designs Inc., который обеспечивает шифрование, целостность и аутентификацию [4]. Существует версия с открытым исходным кодом, которая называется open-zwave, но она не поддерживает службы безопасности. Z-wave поддерживает маломощные ячеистые сети с одним контроллером и до 232 ретрансляторов. Он работает в полосах частот 868915 МГц и использует модуляцию BFSK. CSMA CA используется в качестве метода доступа к сети. Кроме того, доступные скорости передачи данных составляют 9,6 кбит с и 40 кбит с.
Мобильная технология - это технология, используемая для связи мобильных устройств, где сетевой канал является беспроводным. Следовательно, сотовые сети могут предлагать конечным пользователям различные функции, такие как пропускная способность передачи, меньшее потребление энергии мобильными устройствами и большая площадь конвергенции. Таким образом, текущие устройства из категории включают смартфоны, мобильные телефоны, планшеты и iPod. По поколениям сотовой сети [15]. Генерация мобильных сетей может быть детализирована следующим образом:
2G - это сокращение от технологии мобильных сетей второго поколения. Это первые цифровые стандарты сотовой связи, в том числе американский стандарт IS-95 и стандарт GSM, появившийся в 1990-х годах и знаменующий второе поколение (2G) технологий сотовой связи. Мобильная сеть 2G была запущена в Глобальной системе мобильной связи (GSM). При связи 2G речевые сигналы кодируются в число битов в виде двоичной последовательности, что позволяет использовать расширенные решения множественного доступа. Подробно, мобильные стандарты были основаны на различных решениях множественного доступа, что делает их взаимно несовместимыми [15]. Следовательно, GSM был основан на комбинации FDMA и множественного доступа с временным разделением (TDMA), где каждой базовой станции назначены каналы, причем эти каналы разделены на короткие временные интервалы. 2G обеспечил эффективный и надежный сервис, чем 1G, и ему было позволено работать на коротких расстояниях повторного использования. Эта технология предоставляла услуги передачи данных для мобильных конечных пользователей, например услуги текстовых сообщений и небольшие объемы данных по протоколу, называемому MMS. Скорость передачи данных достигает 10 Кб с для GSM и до 384 Кб с для промежуточных стандартов [11].
Проект партнерства третьего поколения 3GPP. Кроме того, технология мобильной сети 3G предназначена для отправки и получения мультимедийных услуг с высокой и переменной скоростью передачи данных. Радиодоступ этой технологии основан на WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) и использует широкополосный частотный канал 5 МГц. Как следствие, планирование беспроводной радиосети 3G значительно отличается от процесса узкополосных радиосетей FDMA TDMA 2G и WCDMA (широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов). Телекоммуникационные сети 3G поддерживают услуги, обеспечивающие высокоскоростной доступ до 2 Мб в секунду. В то время как ряд больших форматов данных стал намного более доступным, включая стандартные HTML-страницы, видео и музыку. Более того, сети 3G обеспечивают 7,2 Мбит с или 52 Мбит с на 3G HSPA + [12].
Четвертое поколение стандартов беспроводной сотовой связи сокращено до 4G. Он заменен семейством мобильных стандартов 2G и 3G. Технология 4G улучшает существующие сети связи, предоставляя полное и надежное решение на основе IP, такое как голос, данные и мультимедиа. Эта система может обслуживаться абонентам всегда и везде и на более высоких скоростях передачи данных по сравнению с предыдущими поколениями. Приложения, которые создаются для использования сети 4G, включают в себя: цифровое видео вещание (DVB), службу мультимедийных сообщений (MMS), телевидение высокой четкости и мобильное телевидение. 4G может обеспечить 100 Мбит с для высокой мобильности, такой как получение услуги от движущегося автомобиля или поезда. 1 Гбит с для низкой мобильности, например, при ходьбе (пешеход) [13].
LTE - это радиоинтерфейс 3GPP. Он основан на технологиях мобильной сети GSM EDGE и UMTS HSPA и обеспечивает увеличение как пропускной способности, так и скорости передачи данных с использованием новых методов модуляции. Ширина полосы несущей составляет от 1,4 МГц до 20 МГц, и она поддерживает дуплексирование с временным и частотным разделением. Следовательно, он обеспечивает пиковые скорости загрузки 300 мегабит в секунду и 75 мегабит в секунду для скорости загрузки, задержка перед началом передачи данных составляет менее пяти миллисекунд. Эта технология представляет собой сетевую архитектуру на основе IP, которая обеспечивает бесшовную передачу голоса и данных на вышки сотовой связи более старой модели. LTE предлагает среднюю скорость загрузки и выгрузки 77,8 Мбит с и 26,9 Мбит с [15].
3GPP Long-Term Evolution-Advanced (LTE-A) предлагает значительные улучшения по сравнению с предыдущими технологиями мобильной сети, такими как Универсальная система мобильной связи (UMTS) и Высокоскоростной пакетный доступ (HSPA), путем введения нового физического уровня (PHY) и реформирования. базовая сеть (CN) [60]. Стандарт LTE Advanced обеспечивает значительное улучшение стандарта Long Term Evolution (LTE). LTE-Advanced может достигать скорости загрузки данных до трех Гб в секунду и скорости загрузки до 1,5 Гб в секунду. Для сравнения, LTE обеспечивает 300 МБ в секунду для загрузки и 75 МБ в секунду для загрузки. И LTE-Advanced также включает в себя новые протоколы передачи и схемы с несколькими антеннами, которые обеспечивают более плавную передачу между различными областями сот, повышают пропускную способность данных на уровне границ сот и увеличивают количество бит в секунду на каждый герц спектра. Следовательно, результатом может быть более высокая пропускная способность сети, более согласованные соединения и более дешевые данные [5].
Это версия 3GPP 13. Также известная как LTE-Advanced Pro, которая поставляется с сетями 4.5G, 4.5G Pro, 4.9G, Pre-5G. LTE-A Pro - это эволюция Long Term Evolution (LTE), он способен функционировать на скоростях до Гбит с. Этот выпуск включает в себя множество новых технологий, которые могут быть использованы в стандарте сетевой системы 5G, в том числе: массивную MIMO, квадратурную амплитудную модуляцию 256, нелицензированный LTE и Internet of Thing LTE. Эта технология обеспечивает широкий спектр улучшений проблем существующих сервисов в дополнение к новым и появляющимся случаям использования. Кроме того, основные достижения, достигнутые в Выпуске 13, включают в себя усовершенствования связи по типу машины (MTC), улучшения агрегации несущих, широкополосную область с узким диапазоном IoT (NB-IoT LPWA), функции общественной безопасности, взаимодействие с Wi-Fi, одиночная ячейка - многоточечный лицензированный вспомогательный доступ, 3D FD-MIMO, позиционирование в помещении и работа по снижению задержки [25].
Беспроводная система 5-го поколения сокращенно обозначена как 5G. Он продолжает идти по пути LTE, с огромным увеличением спроса со стороны мобильных пользователей, сети 4G будут легко заменены на 5G с помощью передовой технологии доступа, называемой множественным доступом с разделением лучей (BDMA) и множественной несущей (FBMC) Банка фильтров. доступ. Концепция, лежащая в основе технологии BDMA, заключается в том, что она обслуживает несколько мобильных пользователей одновременно. В этом механизме ортогональный луч распределяет ресурсы для каждой мобильной станции, а метод BDMA делит луч антенны в соответствии с местоположением мобильных станций для обеспечения множественного доступа к базовым станциям. Это призвано увеличить пропускную способность беспроводных мобильных сетей 5-го поколения. Стандарт 5G улучшает сетевую систему и нацелен на обеспечение большей пропускной способности, чем сети 4G, что позволяет массово подключать мобильных пользователей к базовым станциям. Он также выполняет межмашинные, надежные и плотные машинные коммуникации. Характеристики 5G обеспечивают высокую скорость передачи данных, которая обеспечивает десятки мегабит в секунду для десятков тысяч пользователей, скорость передачи данных в сотни мегабит в секунду для городских сетей, одна Гбит с может предоставляться одновременно множеству мобильных пользователей на одном и том же точка подключения и может обеспечивать несколько сотен тысяч одновременных подключений для датчиков беспроводной сети [6]. Спектр услуг мобильной сети между технологиями LTE и 5G изображен для обслуживания приложений.
1.2.2 Технологии интернет вешей
LoRa означает Long Range и является запатентованной технологией. Эта схема модуляции расширения была разработана в 1940 году и использует нелицензированный диапазон ниже 1 ГГц. Его преимуществами являются низкая стоимость, устойчивость к помехам и передача на большие расстояния. Он используется в решениях IoT [69, 70]. Физический уровень LoRa модулирует сигнал в диапазоне ISM SUB-GHz. Он использует запатентованную методику расширения спектра, разработанную корпорацией Semtech. В соответствии с сетевой архитектурой LoRa предоставляет множество преимуществ. LoRa использует диапазон от 868 МГц до 915 МГц ISM. Эта полоса имеет очень широкий диапазон охвата, около 5 км в городских районах и 15 км в пригородных районах. Поэтому LoRa легко развертывается благодаря сетевой архитектуре, а его шлюз предназначен для обслуживания тысяч конечных устройств. Скорость передачи данных может составлять от 0,3 кбит с до 27 кбит с для полосы пропускания 125 кГц. Он широко используется для M2M приложений IoT. Таким образом, модуляция LoRa имеет постоянную огибающую модуляцию, которая похожа на тип модуляции FSK. Технология LoRa обеспечивает низкое энергопотребление и высокую эффективность при низких затратах.
Эта технология использует спектральный канал сверхнизкой полосы (UNB) (обычно менее 2,5 кГц) с модуляцией дифференциальной двоичной фазовой манипуляции (BPSK) для передачи. В SIGFOX устройство начинает передачу данных путем отправки трех пакетов восходящей линии в последовательности на трех несущих частотах от устройства к базовой станции. Базовая станция принимает пакеты (может быть три из них или один из них, независимо от того, потерялись ли два пакета во время передачи из-за помех от других системных сигналов или высокой степени коллизии сетевого трафика). Изначально SIGFOX поддерживал только связь по восходящей линии связи. Однако, это развилось в двунаправленную связь. Следовательно, эта технология использует максимальную пропускную способность 100 бит с. Зона покрытия SIGFOX составляет от 30 до 50 км в сельской местности и от 3 до 10 км в городских условиях. SIGFOX обеспечивает следующие преимущества:
:: Поддерживает широкую зону покрытия и используется для приложений с низкой скоростью передачи данных.
:: Это легкий протокол, который эффективно манипулирует сообщениями меньшего размера.
:: Используется около 26 байтов для транспортного уровня и 12 байтов для уровня данных. Поэтому он использует меньшее покрытие протокола по сравнению с обычными беспроводными системами. В обычных беспроводных системах стек IP использует около 40 байтов для транспортного уровня и 12 байтов для уровня данных.
:: Из-за меньшего количества передаваемых данных требуется меньше энергии. Следовательно, срок службы батареи будет улучшен. Это увеличивает пропускную способность сети в большей степени.
:: Внедрение этой технологии используется во многих приложениях, таких как интеллектуальный город, счетчики, автомобильные системы и сотовая связь для разгрузки трафика и т. д.
1.3 Обзор и анализ существующих беспроводных технологии для реализации умного города в Казахстане
В мире неуклонно растет доля городского населения: к 2050 году до 80% населения развитых стран будет жить в городах. В таких условиях перед властями встает задача более взвешенного подхода к управлению инфраструктурой, поскольку традиционные методы себя исчерпали. Рост населения диктует необходимость поддержания качества жизни. В условиях цифровой реальности для решения этой задачи используются умные технологии -- все чаще интеллектуальные системы помогают управлять различными аспектами городской среды.
Основной целью проекта Smart Aqkol является создание концептуальной модели Smart City на базе агрегации информационных потоков для создания городов, процесс управления в которых построен на базе аналитики городских данных. Мы получили большой опыт в применении данных технологий и обратную связь от служб, задействованных в управлении. Все это мы планируем применять в дальнейшем, при построении других Умных городов в РК. Практическое применение всех этих технологий и синергетический эффект от их применения уже были продемонстрированы в рамках реализации проекта Smart Aqkol, претендующего на роль эталонной модели построения Smart City. На сегодняшний день в рамках цифровизации регионов АО „Казахтелеком" совместно с акиматом Нур-Султана и областными акиматами Восточно-Казахстанской, Западно-Казахстанской, Туркестанской и Мангистауской областей ведет работу по внедрению элементов Smart City в Нур-Султане, Курчатове, Аксае, Туркестане и Актау.
Мониторинг и анализ данных осуществляются посредством таких компонентов, как:
системы учёта потребления коммунальных услуг;
датчики загрязнения воздуха, которые обеспечивают экологический мониторинг;
видеонаблюдение в общественных местах и на дорогах;
Внедрена автоматизированная система управления дорожным движением - все светофорные объекты оснащены контроллером и модемом, позволяющими дистанционно вести мониторинг и управлять светофорами в случае экстренной необходимости.
Противопожарная безопасность обеспечивается за счёт установки системы мониторинга и передачи данных посредством GSMLTE-сетей о состоянии пожарных датчиков. На сегодняшний день в перечень оснащённых объектов вошли районная больница, общеобразовательные школы, детские сады.
Также действуют системы "умного" освещения - 250 LED-светильников оснащены функцией дистанционного управления яркостью освещения.
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА
2.1 Обзор технологии 4G
Считается, что новшества в области общественной безопасности в "умном городе" только начинают распространяться, и беспроводная связь является движущей силой этих нововведений. Фактически, хотя текущая сеть 4G предоставляет видео в реальном времени, которое позволяет респондентам получить доступ к сцене до прибытия, распределение 5G в умном городе позволит интегрировать все видеонаблюдения с доступом к определенным местам, точка за точкой, с ультравысокое разрешение. Это измерение позволит респондентам использовать распознавание лиц для обнаружения известных преступников или обнаружения пропавших без вести лиц до прибытия на место происшествия.
2.2 Обзор технологии 5G
Важные характеристики 5G, которые заслуживают Smart Cities, включают более высокие скорости, большее количество соединений, которые обеспечивают беспроводную связь в необычном месте, простирающемся от уличного света до канализационных отверстий; более быстрое, более адаптивное время ответа, которое поддерживает чувствительные ко времени приложения, такие как связь между транспортными средствами; и сверхмалые соединения, такие как датчики для обнаружения утечек в водопроводной сети.
Считается, что есть так много аспектов, по которым беспроводное соединение следующего поколения ускорит рост Smart City, но в нашем отчете будут обсуждаться некоторые примечательные области, демонстрирующие, что это возможно, когда муниципалитеты приветствуют 5G.
Нынешняя волна мобильной связи происходит между людьми, но следующая будет между устройствами, и для этого должна быть разработана мобильная система следующего поколения. Фактически, мобильная система 5-го поколения, также известная как 5G, нацелена на поддержку в дополнение к ресурсоемким смартфонам миллиарда устройств IoT (Internet of Things), начиная от простых недорогих низкоэнергетических устройств с использованием массивной связи машинного типа (mMTC) и заканчивая современными, требующими сверхнадежная связь с малой задержкой (URLLC). Для достижения этих довольно разнообразных целей 5G использует концепцию сетевого сегмента, которая использует виртуализацию сетевых функций (NFV) и программно-определяемую сеть (SDN). Однако эта концепция все еще находится на более ранней стадии и еще не полностью понята. На самом деле, неясно, насколько 5G может удовлетворить требования Smart Home, одного из самых популярных в настоящее время приложений IoT. Действительно, умный дом очень важен в стареющей Европе, поскольку он прокладывает путь к дистанционному здравоохранению, позволяя пожилым людям дольше оставаться в своем собственном доме. В этом документе представлена работа, проделанная в Осло Столичный университет Secure 5G4IoT Lab1 в рамках проекта SCOTT H20202, целью которого является пролить свет на то, как нарезка сети 5G может эффективно поддерживать Умный дом с точки зрения производительности, управления, безопасности и стоимости.
Статья начинается с краткого, но всестороннего представления об Умном доме. Далее, состояние внедрения Умного дома тщательно изучается и результаты обобщаются. Затем объясняется концепция среза сети 5G. Ядром статьи, естественно, является презентация Smart Home Network Slicing. Последнее, но не менее важное, это краткое описание экспериментального проекта в лаборатории Secure 5G4IoT. Статья завершается несколькими предложениями о дальнейшей работе.
2.2.1 Архитектура базовых станций gNB
Базовые станции gNB, о которых пойдет речь в настоящем разделе, формируют сеть радиодоступа мобильной связи 5-го поколения (NR Radio Access). Если вернуться на 20 лет назад, в эпоху бурного строительства сетей 2-го поколения (2G-GSM), то мы увидим, что конструктивно каждая БС представляла собой большой железный шкаф, высотой 1,5-2 метра, установленный в кондиционированном помещении "на земле" (выгородке технического этажа, либо металлическом контейнере). От базовой станции к антеннам, размещенным башнях, столбах и т.д. прокладывались радиочастотные фидеры (сечением 78 дюйма или больше - в зависимости от протяженности трассы).
Около 10 лет назад производители начали выпуск так называемых распределенных базовых станций, на основе которых в настоящее время построены сети мобильной связи 2G-GSM, 3G-UMTS и 4G-LTE большинства операторов связи. Такая базовая станция включает в себя базовый блок (или BBU - Baseband Unit), по-прежнему размещаемый "на земле", и несколько радиомодулей (или RRU), размещаемых вблизи антенн сотовой связи. BBU и RRU связаны между собой оптическим кабелем, поверх которого реализуется интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Радиомодуль осуществляет аналого-цифровое цифро-аналоговое преобразование, усиление и фильтрацию сигнала, формирование радиочастотного тракта. Весь стек протоколов взаимодействия базовой станции с пользовательским терминалом и базовой станции с ядром сети, а также алгоритмы обработки сигналов реализуются базовым блоком (BBU). BBU по сути представляет собой небольшой сервер, высотой 2-3 юнита, который может быть установлен либо в телекоммуникационной стойке (если существует какое-либо выделенное помещение), либо в климатическом шкафу на крыше здания, либо непосредственно на столберадиомачте для BBU внешнего (outdoor) исполнения.
Следующим шагом развития архитектуры построения базовых станций стала концепция облачных BBU или "Cloud BBU", которая заключалась в отказе от локальных BBU, размещаемых непосредственно на объектах БС, и перенос их функциональности на виртуализированные ресурсы мощных серверов, размещаемых в центрах обработки данных (ЦОД). Данная концепция за счет централизации ресурсов и эффекта "масштаба" позволяет повысить надежность и емкость базовых станций, одновременно снизив затраты на их эксплуатацию. Однако она не нашла существенного применения из-за высоких требований к характеристикам CPRI каналов:
допустимая задержка (RTT) - 5мкс;
допустимый уровень битовых ошибок - 10-12;
стабильность частоты - 0.002ppm
пропускная способность для 4G-LTE в полосе 20МГц в зависимости от количества потоков - до 10G (в этом случае требования к пропускной способности CPRI для сетей 5G в полосе 400МГц могут вырасти до 400G).
Архитектура базовых станций gNB сети мобильной связи 5-го поколения, предлагаемая 3GPP, представляет собой дальнейшее развитие идеологии распределенных базовых станций и "Cloud BBU". gNB включает в себя центральный модуль gNB-CU (gNB Central Unit) и один или несколько распределенных модулей gNB-DUs (gNB Distributed Unit). 3GPP (рекомендация TR 38.801 V14.0.0) определяет 8 возможных опций разделения функций между CU и DU - (см. рисунок 2.1) При этом опция 8 соответствует классической (существующей) схеме построения распределенной базовой станции.
Рисунок 2.1 - Схеме построения распределенной базовой станции
Основные функции, реализуемые на тех или иных уровнях, описаны ниже.
Рекомендация 3GPP TS 38.401 V15.0.0 определяет архитектуру построения базовой станции, основанную на 2-ой опции разделения функций. В этом случае RRC и ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Бұл дипломдық жұмыс ақылды қаланы (Smart cities) жүзеге асыруға сымсыз технологияларды пайдалануға арналған, дипломның негізгі мақсаты Қазақстан мемлекетіне ақылды қалаларды дамытуға сымсыз технологияларды зерттеу болып табылады.
Бұл жұмыста ақылды қалалар желісін құруға болатын сымсыз технологиялардың әр түрлі түрлері туралы және ақылды қаланың негізгі түсініктері толықтай сипатталған. Дипломдық жұмыс барысында сымсыз технологияларға талдау жасалды, олардың ішінен ақылды қаланы жүзеге асыру үшін 4G және 5G мобильді технологиялар таңдалды. Сонымен қатар,5G желісіндегі ақылды қаланың мысалы ретінде Алматы қаласының шағын ауданының макеты жасалды және 5G желісінің параметрлері есептелінді.
Дипломдық жұмыстың көлемі 72 беттен тұрады, онда сурет, кесте, әдебиет көзі бар.
Түйінді сөздер: Ақылды қала, Smart cities ,Интернет заттар, Internet of Things, LPWA, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Long-Term Evolution, Global System Mobile.
АННОТАЦИЯ
Данная дипломная работа была посвящена использованию беспроводных технологий в реализации умного города, главной целью которого является изучение беспроводных технологий для умных городов Казахстана.
В работе рассмотрены основные понятия умного города, различные виды беспроводных технологии, на которых можно построить сеть умных городов. В ходе работы был сделан анализ беспроводных технологии, из которых были выбраны мобильные технологии 4G и 5G для реализации умного города. Также была разработана модель микрорайона города Алматы в качестве примера умного города на сети 5G. В расчетной части были получены параметры сети 5G.
Объем дипломного проекта 72 страниц, содержит рисунков, таблиц и источников литературы.
Ключевые слова: Smart cities, Smart house,4G, 5G, Интернет вещей, Internet of Things, LPWA, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Long-Term Evolution, Global System Mobile.
ABSTRACT
This graduate work was devoted to the use of wireless technology in the implementation of a smart city, the main purpose of which is to study wireless technology for smart cities of Kazakhstan.
The paper describes in detail the basic concepts of a smart city, various types of wireless technologies on which you can build a network of smart cities. In the course of the work, an analysis of wireless technologies was made, from which 4G and 5G mobile technologies were selected for the implementation of the smart city, which is the most optimal. Also, a mock-up of the microdistrict of the city of Almaty was made, as an example of a smart city on a 5G network. 5G network.
The volume of the diploma project is 72 pages, 22 figures,33 sources of literature.
Key words: Smart cities,4G, Smart house, 5G, Internet of Things, LPWA, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Long-Term Evolution, Global System Mobile.
СОДЕРЖАНИЕ
Нормативные ссылки ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Обозначения и сокращения ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ...
ВВЕДЕНИЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
11
12
13
1
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИИ В РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОД ... ... ... ... ... ... ... .. ... ...
14
1.1
Концепция умного города ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
14
1.2
Виды беспроводных технологии в реализации умного города ... ...
16
1.2.1
1.2.2
1.3
Технологии мобильной связи и технологии малого радиуса действия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .Технологии интернет вешей ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ...
Обзор и анализ существующих беспроводных технологии для реализации умного города в Казахстане ... ... ... ... ... ... . ... ... .
16
20
21
2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..
23
2.1
2.2
Обзор технологии 4G ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .
Обзор технологии 5G ... ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .
23
23
2.2.1
Архитектура базовых станций gNB ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
24
3
РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СЕТИ 4G И 5G ДЛЯ МОДЕЛИ УМНОГО ГОРОДА
27
3.1
Описание модели квартала умного города ... ... ... ... ... ... ... . ...
27
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Расчет параметров сети 5G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Оценка радиопокрытия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Расчет пропускной способности ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
Расчет зоны радиопокрытия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Расчет подключаемых абонентов ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
40
45
45
48
4
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ..
51
4.1
4.2
4.3
Цели и задачи проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
Необходимость проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Трудовые ресурсы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
51
51
51
4.4
Расчет доходов и расходов от проекта ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
52
4.5
экономической ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
56
4.6
Выводы по экономической части ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
59
5
ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ ... ... ... ...
60
5.1
Общие сведения по охране труда предприятия ... ... ... ... ... ... ...
60
5.2
Анализ опасных и вредных производственных факторов ... ... ... .
61
5.3
Производственная санитария и гигиена труда ... ... ... ... ... ... ...
62
5.4
5.5
5.6
Электробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Пожаробезопасность ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
Техника безопасности при работе с компьютером ... ... ... ... ... ..
62
6465
5.7
Расчёт искусственного освещения помещения ... ... ... ... ... ... .. .
66
5.8
Антропогенное воздействие объекта на окружающую среду и мероприятия по экологической безопасности ... ... ... ... ... ... ...
69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
70
71
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В данной дипломной работе были использованы следующие нормативные ссылки:
Государственная система санитарно-эпидемиологического нормирования Республики Казахстан Санитарные правила и нормы СанПиН № 1.01.004.01 Гигиенические требования к организации и условиям работы с видео-дисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами ;
Приказ Министра внутренних дел Республики Казахстан Пункта 1 статьи 12 Закона Республики Казахстан от 11 апреля 2014 года "О гражданской защите": Технический регламент Общие требования к пожарной безопасности;
Государственная система санитарно-эпидемиологического нормирования Республики Казахстан Санитарные правила и нормы СанПиН № 2.04-05-2002 ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В данной работе были использованы следующие обозначения и сокращения:
2G, 3G, 4G, 5G* Refers to different generations Относится к различным поколениям of mobile standards стандартов подвижной связи
IoT - Internet of Things, интернет вещей;
GPS - Global Positioning System, система глобального позиционирования;
IP - Internet Protocol, маршрутизируемый протокол сетевого уровня стека TCPIP;
ISM - Industrial, Scientific, Medical, нелицензируемый диапазон частот;
LTE - Long-Term Evolution, стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов;
ITU International Telecommunication МСЭ Международный союз электросвязи;
LTE-A Pro Long‐Term Evolution Advanced Pro Усовершенствованная технология долгосрочного развития;
MIMO Multiple Input, Multiple Output Многоканальный вход многоканальный выход;
ЖКХ- Жилищно-коммунальное хозяйство.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы дипломной работы связана с тем, что интенсивное развитие smart технологий и умных городов приводит к необходимости изучения беспроводных технологии для реализации в нашей стране. Сегодня ключевой задачей становится создание условий для развития городов всех типов, обеспечивающих за счет роста собственной конкурентоспособности и равномерность экономического и социального развития территорий страны. Решающую роль здесь играют не отношения конкуренции, а отношения соревновательности, взаимодействия и взаимопомощи, основанные на наиболее эффективном использовании ограниченных ресурсов, в первую очередь интеллектуальных. Так актуализируется задача создания условий для развития современных городов как интеллектуальных центров, обеспечивающих на практике приоритет информационных и нематериальных параметров городского развития над традиционными материальными элементами, превращения их в умные города .
Концепция Smart City предполагает внедрение ИКТ в процессы управления городским хозяйством, что, в свою очередь, стимулирует развитие цифровизации в стране. Кроме того, технологии позволяют наладить более взвешенный подход к использованию ресурсов (городского имущества, транспортных систем, водо- и энергоснабжения и т. д.) и улучшить жизнь горожан засчет их разумного распределения. К слову, по оценкам Cisco, города, активно использующие ИТ, смогут повысить свою энергоэффективность на 30% в течение 20 лет. В мире, где крупные населенные пункты используют 60-80% от мировых потребностей в энергии, подобная экономия может стать определяющей для будущего благополучия.
Предметом исследования являются мобильные технологии 4G и 5G в реализации умного города.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена новая технология 5G как основная сеть для будущих умных городов Казахстана.
Целью дипломной работы является разработка учебного стенда для изучения сетей Интернета вещей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
изучить предметную область умного города;
рассмотреть аналоги умных городов разных странах, а также в Казахстане;
сделать анализ беспроводных технологии для умного города;
исследовать мобильные технологии 4G и 5G;
расчитать параметры сети 5G на примере микрорайона города Алматы.
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БЕСПРОВОДНЫХ ТЕХНОЛОГИИ В РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА
1.1 Концепция умного города
Умный город - это градостроительная концепция интеграции множества информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), в том числе систем Интернета вещей (IoT) для управления городской инфраструктурой: транспортом, образованием, здравоохранением, системами ЖКХ, безопасности и тд. Целью создания умного города является улучшение качества жизни жителей с помощью технологии городской информатики для повышения эффективности обслуживания и удовлетворения нужд человека.
ITU (Международный союз Электросвязи) определяет следующие основные направления продвижения для Умного Города [8]:
:: Транспорт;
:: Вода;
:: Энергия;
:: Безопасность.
Первый пункт понятен - это мобильность, которая напрямую влияет на экономику, вторые два связаны с экономией̆ ресурсов, ну и последний - это как раз безопасность.
Умные города охватывают различные аспекты правильного функционирования и управления городом.
Правительство: Этот фактор направлен на цифровизацию администрации для повышения эффективности, внедрения электронной демократии путем улучшения системы голосования и предоставления гражданам легкого доступа к публичным документам, что может повысить прозрачность, как описано Paolo Neirotti et al. в [11]. Suha Alawadhi et al. обсудить в [12], что городское планирование может быть включено в этот раздел, что позволяет разумный рост города с учетом таких факторов, как загрязнение воздуха, управление стоимостью коммунальных услуг, переполненность школ, открытые пространства и пробки на дорогах.
Экономика состоит из внедрения инновационных решений для улучшения экономики и деловых возможностей города. Использование технологий для развития области и расширения возможностей трудоустройства также были инициативами, предпринятыми умными городами. Экономическая экспансия города привлекает человеческий капитал и позволяет инвестировать финансовые ресурсы в улучшение других аспектов города.
Управление: Эта область охватывает управление транспортом, энергией и природными ресурсами, как объяснил Махмуд Аль-Хадер и в [13]. Это один из самых развитых факторов среди умных городов. Решения IoT и беспроводной сенсорной сети (WSN) -- это технологии, которые в настоящее время используются для получения данных и управления ресурсами и распределения трафика. Управление растениеводством [14], дозирование кормов и развитие производства для ферм, распределение и измерение расхода воды для сельского хозяйства [15], муниципальных и бытовые цели, управление общественным освещением, спрос на энергию и возобновляемые источники энергии, улучшение городской логистики и общественного транспорта являются примерами инициатив, которые осуществляются в настоящее время.
Инфраструктуры: Паоло Нейротти [11] также обсуждают эту область как часть аспектов Smart City. К этой категории относятся такие аспекты, как качество жизни (QoL), такие как освещение, отопление или вентиляция. Управление объектом, таким как собственность, аренда и услуги, такие как уборка и обслуживание, также включены. Управление энергопотреблением и потреблением воды в зданиях, телекоммуникациях и лифтах также являются одними из решений, которые можно реализовать в умном городе.
Технология: часто учитывается технологический фактор, хотя он может быть частью решений, разработанных для других факторов. Он состоит из использования технологии для разработки новых решений для создания интеллектуального, цифрового и виртуального города, как указано Taewoo Nam et al. в [16]. Это означает использование доступных технологий для улучшения работы города и повышения степени удовлетворенности его жителей.
Люди: эта область обсуждается Паоло Нейротти [11] а также Taewoo Nam et al. [16]. Развлечения, общественная безопасность, улучшение услуг, предоставляемых системой здравоохранения, культурная деятельность, управление благосостоянием и поддержание общественных мест, а также новые способы использования технологий для улучшения системы образования являются примерами возможных решений, охватываемых этим фактором. Одной из мотиваций умных городов является улучшение качества жизни граждан и облегчение их жизни. В конце концов, цель всех других факторов - помочь людям.
Первый стандарт ISO 37120:2014 [3] по индикаторам для Умных городов был выпущен в мае 2014. Он дал возможность городским управляющим, политикам и тем, кто планирует изменения в городах, объективно оценивать их прогресс и сравнивать свои результаты с тем, что делают в других городах. Ключевые показатели или измерения в этом стандарте позволяют, в его реализации, четко сфокусироваться на его исполнении. ISO 37120:2014 был сделан как часть будущего набора стандартов и этот набор стандартов должен будет обеспечить постоянное и устойчивое развитие городских образований. Он спроектирован так, чтобы его можно было применять в любом городе, муниципалитете или местном правительстве, вне зависимости от их размера, размещения или уровня развития. Набор показателей в стандарте также предусматривает базовые статистические показатели и определенного вида информацию для того чтобы помочь официальным лицам отобрать те города, здоровья населения. Следовательно, необходимо планировать эту деятельность.
В зависимости от требований к надежности системы использование технологий, работающих в нелицензированных полосах частот, может поставить под угрозу ее производительность. Выбор технологий, которые меньше мешают друг другу, может помочь обеспечить правильное развертывание и функционирование Smart Cities.
Используя вышеупомянутые причины в качестве мотивации мы определяем основные аспекты, которые являются частью умного города. Кроме того, эволюция беспроводных технологий и их характеристики подробно. Затем обсуждается переполненная полоса ISM 2,4 ГГц и проблемы сосуществования беспроводных технологий. Наконец, различия в потребляемой мощности рассматриваются. Кроме того, текущие проекты Smart City и беспроводные технологии, используемые для каждого домена, также обсуждаются.
1.2 Виды беспроводных технологии в реализации умного города
Беспроводные технологии были разработаны на протяжении многих лет, чтобы иметь возможность подключать миллионы устройств. В зависимости от расстояния, скорости передачи или требований к потребляемой мощности были предложены дифференцированные решения. В настоящее время, независимо от того, стандартизированы они или нет, доступные технологии позволяют нам подключать большое количество устройств и обмениваться информацией об управлении энергией, водой или трафиком, являющейся частью всех областей умного города. В этом разделе подробно описаны технологии, используемые в настоящее время для реализации умного города.
1.2.1 Технологии мобильной связи и технологии малого радиуса действия
Стандарты Wi-Fi наиболее широко используются в домашних и предпринимательских средах для обеспечения доступа в Интернет для бесчисленных устройств. Он также используется для предоставления гражданам бесплатного доступа в Интернет путем развертывания точек доступа по всему городу. Все типы данных могут передаваться через WiFi, хотя в более ранних версиях стандарта могут возникнуть трудности с передачей мультимедийного трафика высокого качества. Сравнение битрейтов беспроводных технологий. Как видно, битрейт для IEEE 802.11 был растет по мере выпуска новых стандартов. Пользователи могут свободно перемещаться без проблем при подключении к другим точкам доступа в сети. Недостатком является то, что Wi-Fi-соединения менее стабильны, чем проводные, радиус обслуживания ограничен, что приводит к значительному ослаблению сигнала [9]. В таблице 13 представлены характеристики стандартов WiFi. Радиус WiFi имеет средний радиус действия. Устройства могут отодвигаться до расстояний от 20 до 70 м для помещений и от 100 до 250 м для улиц. Между стандартами IEEE 802.11a b n g, IEEE 802.11b имеет более сильный сигнал на большие расстояния. IEEE 802.11b и IEEE 802.11n являются лучшими для близких расстояний [8]. Это может быть специально указано для управления, инфраструктуры, экономики и людей в Smart City. Используемые полосы частот не лицензируются, поэтому при проектировании сети следует соблюдать меры предосторожности. Помехи могут ухудшать качество обслуживания (QoS) развертываемой системы.
Стандарт IEEE 802.16 это прогрессивный набор стандартов для поддержки широкополосной фиксированной и мобильной беспроводной связи. WiMAX - это термин, разработанный как аббревиатура для всемирной интероперабельности для микроволнового доступа, он относится к совместимым реализациям стандартов IEEE 802.16 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) [44]. Кроме того, этот стандарт был опубликован в 2001 году, его целью была поддержка связи в полосе частот 10 - 66 ГГц. Более поздняя версия IEEE 802.16 была завершена в 2009 году.
Z-Wave - это собственный протокол, разработанный Sigma Designs Inc., который обеспечивает шифрование, целостность и аутентификацию [4]. Существует версия с открытым исходным кодом, которая называется open-zwave, но она не поддерживает службы безопасности. Z-wave поддерживает маломощные ячеистые сети с одним контроллером и до 232 ретрансляторов. Он работает в полосах частот 868915 МГц и использует модуляцию BFSK. CSMA CA используется в качестве метода доступа к сети. Кроме того, доступные скорости передачи данных составляют 9,6 кбит с и 40 кбит с.
Мобильная технология - это технология, используемая для связи мобильных устройств, где сетевой канал является беспроводным. Следовательно, сотовые сети могут предлагать конечным пользователям различные функции, такие как пропускная способность передачи, меньшее потребление энергии мобильными устройствами и большая площадь конвергенции. Таким образом, текущие устройства из категории включают смартфоны, мобильные телефоны, планшеты и iPod. По поколениям сотовой сети [15]. Генерация мобильных сетей может быть детализирована следующим образом:
2G - это сокращение от технологии мобильных сетей второго поколения. Это первые цифровые стандарты сотовой связи, в том числе американский стандарт IS-95 и стандарт GSM, появившийся в 1990-х годах и знаменующий второе поколение (2G) технологий сотовой связи. Мобильная сеть 2G была запущена в Глобальной системе мобильной связи (GSM). При связи 2G речевые сигналы кодируются в число битов в виде двоичной последовательности, что позволяет использовать расширенные решения множественного доступа. Подробно, мобильные стандарты были основаны на различных решениях множественного доступа, что делает их взаимно несовместимыми [15]. Следовательно, GSM был основан на комбинации FDMA и множественного доступа с временным разделением (TDMA), где каждой базовой станции назначены каналы, причем эти каналы разделены на короткие временные интервалы. 2G обеспечил эффективный и надежный сервис, чем 1G, и ему было позволено работать на коротких расстояниях повторного использования. Эта технология предоставляла услуги передачи данных для мобильных конечных пользователей, например услуги текстовых сообщений и небольшие объемы данных по протоколу, называемому MMS. Скорость передачи данных достигает 10 Кб с для GSM и до 384 Кб с для промежуточных стандартов [11].
Проект партнерства третьего поколения 3GPP. Кроме того, технология мобильной сети 3G предназначена для отправки и получения мультимедийных услуг с высокой и переменной скоростью передачи данных. Радиодоступ этой технологии основан на WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) и использует широкополосный частотный канал 5 МГц. Как следствие, планирование беспроводной радиосети 3G значительно отличается от процесса узкополосных радиосетей FDMA TDMA 2G и WCDMA (широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов). Телекоммуникационные сети 3G поддерживают услуги, обеспечивающие высокоскоростной доступ до 2 Мб в секунду. В то время как ряд больших форматов данных стал намного более доступным, включая стандартные HTML-страницы, видео и музыку. Более того, сети 3G обеспечивают 7,2 Мбит с или 52 Мбит с на 3G HSPA + [12].
Четвертое поколение стандартов беспроводной сотовой связи сокращено до 4G. Он заменен семейством мобильных стандартов 2G и 3G. Технология 4G улучшает существующие сети связи, предоставляя полное и надежное решение на основе IP, такое как голос, данные и мультимедиа. Эта система может обслуживаться абонентам всегда и везде и на более высоких скоростях передачи данных по сравнению с предыдущими поколениями. Приложения, которые создаются для использования сети 4G, включают в себя: цифровое видео вещание (DVB), службу мультимедийных сообщений (MMS), телевидение высокой четкости и мобильное телевидение. 4G может обеспечить 100 Мбит с для высокой мобильности, такой как получение услуги от движущегося автомобиля или поезда. 1 Гбит с для низкой мобильности, например, при ходьбе (пешеход) [13].
LTE - это радиоинтерфейс 3GPP. Он основан на технологиях мобильной сети GSM EDGE и UMTS HSPA и обеспечивает увеличение как пропускной способности, так и скорости передачи данных с использованием новых методов модуляции. Ширина полосы несущей составляет от 1,4 МГц до 20 МГц, и она поддерживает дуплексирование с временным и частотным разделением. Следовательно, он обеспечивает пиковые скорости загрузки 300 мегабит в секунду и 75 мегабит в секунду для скорости загрузки, задержка перед началом передачи данных составляет менее пяти миллисекунд. Эта технология представляет собой сетевую архитектуру на основе IP, которая обеспечивает бесшовную передачу голоса и данных на вышки сотовой связи более старой модели. LTE предлагает среднюю скорость загрузки и выгрузки 77,8 Мбит с и 26,9 Мбит с [15].
3GPP Long-Term Evolution-Advanced (LTE-A) предлагает значительные улучшения по сравнению с предыдущими технологиями мобильной сети, такими как Универсальная система мобильной связи (UMTS) и Высокоскоростной пакетный доступ (HSPA), путем введения нового физического уровня (PHY) и реформирования. базовая сеть (CN) [60]. Стандарт LTE Advanced обеспечивает значительное улучшение стандарта Long Term Evolution (LTE). LTE-Advanced может достигать скорости загрузки данных до трех Гб в секунду и скорости загрузки до 1,5 Гб в секунду. Для сравнения, LTE обеспечивает 300 МБ в секунду для загрузки и 75 МБ в секунду для загрузки. И LTE-Advanced также включает в себя новые протоколы передачи и схемы с несколькими антеннами, которые обеспечивают более плавную передачу между различными областями сот, повышают пропускную способность данных на уровне границ сот и увеличивают количество бит в секунду на каждый герц спектра. Следовательно, результатом может быть более высокая пропускная способность сети, более согласованные соединения и более дешевые данные [5].
Это версия 3GPP 13. Также известная как LTE-Advanced Pro, которая поставляется с сетями 4.5G, 4.5G Pro, 4.9G, Pre-5G. LTE-A Pro - это эволюция Long Term Evolution (LTE), он способен функционировать на скоростях до Гбит с. Этот выпуск включает в себя множество новых технологий, которые могут быть использованы в стандарте сетевой системы 5G, в том числе: массивную MIMO, квадратурную амплитудную модуляцию 256, нелицензированный LTE и Internet of Thing LTE. Эта технология обеспечивает широкий спектр улучшений проблем существующих сервисов в дополнение к новым и появляющимся случаям использования. Кроме того, основные достижения, достигнутые в Выпуске 13, включают в себя усовершенствования связи по типу машины (MTC), улучшения агрегации несущих, широкополосную область с узким диапазоном IoT (NB-IoT LPWA), функции общественной безопасности, взаимодействие с Wi-Fi, одиночная ячейка - многоточечный лицензированный вспомогательный доступ, 3D FD-MIMO, позиционирование в помещении и работа по снижению задержки [25].
Беспроводная система 5-го поколения сокращенно обозначена как 5G. Он продолжает идти по пути LTE, с огромным увеличением спроса со стороны мобильных пользователей, сети 4G будут легко заменены на 5G с помощью передовой технологии доступа, называемой множественным доступом с разделением лучей (BDMA) и множественной несущей (FBMC) Банка фильтров. доступ. Концепция, лежащая в основе технологии BDMA, заключается в том, что она обслуживает несколько мобильных пользователей одновременно. В этом механизме ортогональный луч распределяет ресурсы для каждой мобильной станции, а метод BDMA делит луч антенны в соответствии с местоположением мобильных станций для обеспечения множественного доступа к базовым станциям. Это призвано увеличить пропускную способность беспроводных мобильных сетей 5-го поколения. Стандарт 5G улучшает сетевую систему и нацелен на обеспечение большей пропускной способности, чем сети 4G, что позволяет массово подключать мобильных пользователей к базовым станциям. Он также выполняет межмашинные, надежные и плотные машинные коммуникации. Характеристики 5G обеспечивают высокую скорость передачи данных, которая обеспечивает десятки мегабит в секунду для десятков тысяч пользователей, скорость передачи данных в сотни мегабит в секунду для городских сетей, одна Гбит с может предоставляться одновременно множеству мобильных пользователей на одном и том же точка подключения и может обеспечивать несколько сотен тысяч одновременных подключений для датчиков беспроводной сети [6]. Спектр услуг мобильной сети между технологиями LTE и 5G изображен для обслуживания приложений.
1.2.2 Технологии интернет вешей
LoRa означает Long Range и является запатентованной технологией. Эта схема модуляции расширения была разработана в 1940 году и использует нелицензированный диапазон ниже 1 ГГц. Его преимуществами являются низкая стоимость, устойчивость к помехам и передача на большие расстояния. Он используется в решениях IoT [69, 70]. Физический уровень LoRa модулирует сигнал в диапазоне ISM SUB-GHz. Он использует запатентованную методику расширения спектра, разработанную корпорацией Semtech. В соответствии с сетевой архитектурой LoRa предоставляет множество преимуществ. LoRa использует диапазон от 868 МГц до 915 МГц ISM. Эта полоса имеет очень широкий диапазон охвата, около 5 км в городских районах и 15 км в пригородных районах. Поэтому LoRa легко развертывается благодаря сетевой архитектуре, а его шлюз предназначен для обслуживания тысяч конечных устройств. Скорость передачи данных может составлять от 0,3 кбит с до 27 кбит с для полосы пропускания 125 кГц. Он широко используется для M2M приложений IoT. Таким образом, модуляция LoRa имеет постоянную огибающую модуляцию, которая похожа на тип модуляции FSK. Технология LoRa обеспечивает низкое энергопотребление и высокую эффективность при низких затратах.
Эта технология использует спектральный канал сверхнизкой полосы (UNB) (обычно менее 2,5 кГц) с модуляцией дифференциальной двоичной фазовой манипуляции (BPSK) для передачи. В SIGFOX устройство начинает передачу данных путем отправки трех пакетов восходящей линии в последовательности на трех несущих частотах от устройства к базовой станции. Базовая станция принимает пакеты (может быть три из них или один из них, независимо от того, потерялись ли два пакета во время передачи из-за помех от других системных сигналов или высокой степени коллизии сетевого трафика). Изначально SIGFOX поддерживал только связь по восходящей линии связи. Однако, это развилось в двунаправленную связь. Следовательно, эта технология использует максимальную пропускную способность 100 бит с. Зона покрытия SIGFOX составляет от 30 до 50 км в сельской местности и от 3 до 10 км в городских условиях. SIGFOX обеспечивает следующие преимущества:
:: Поддерживает широкую зону покрытия и используется для приложений с низкой скоростью передачи данных.
:: Это легкий протокол, который эффективно манипулирует сообщениями меньшего размера.
:: Используется около 26 байтов для транспортного уровня и 12 байтов для уровня данных. Поэтому он использует меньшее покрытие протокола по сравнению с обычными беспроводными системами. В обычных беспроводных системах стек IP использует около 40 байтов для транспортного уровня и 12 байтов для уровня данных.
:: Из-за меньшего количества передаваемых данных требуется меньше энергии. Следовательно, срок службы батареи будет улучшен. Это увеличивает пропускную способность сети в большей степени.
:: Внедрение этой технологии используется во многих приложениях, таких как интеллектуальный город, счетчики, автомобильные системы и сотовая связь для разгрузки трафика и т. д.
1.3 Обзор и анализ существующих беспроводных технологии для реализации умного города в Казахстане
В мире неуклонно растет доля городского населения: к 2050 году до 80% населения развитых стран будет жить в городах. В таких условиях перед властями встает задача более взвешенного подхода к управлению инфраструктурой, поскольку традиционные методы себя исчерпали. Рост населения диктует необходимость поддержания качества жизни. В условиях цифровой реальности для решения этой задачи используются умные технологии -- все чаще интеллектуальные системы помогают управлять различными аспектами городской среды.
Основной целью проекта Smart Aqkol является создание концептуальной модели Smart City на базе агрегации информационных потоков для создания городов, процесс управления в которых построен на базе аналитики городских данных. Мы получили большой опыт в применении данных технологий и обратную связь от служб, задействованных в управлении. Все это мы планируем применять в дальнейшем, при построении других Умных городов в РК. Практическое применение всех этих технологий и синергетический эффект от их применения уже были продемонстрированы в рамках реализации проекта Smart Aqkol, претендующего на роль эталонной модели построения Smart City. На сегодняшний день в рамках цифровизации регионов АО „Казахтелеком" совместно с акиматом Нур-Султана и областными акиматами Восточно-Казахстанской, Западно-Казахстанской, Туркестанской и Мангистауской областей ведет работу по внедрению элементов Smart City в Нур-Султане, Курчатове, Аксае, Туркестане и Актау.
Мониторинг и анализ данных осуществляются посредством таких компонентов, как:
системы учёта потребления коммунальных услуг;
датчики загрязнения воздуха, которые обеспечивают экологический мониторинг;
видеонаблюдение в общественных местах и на дорогах;
Внедрена автоматизированная система управления дорожным движением - все светофорные объекты оснащены контроллером и модемом, позволяющими дистанционно вести мониторинг и управлять светофорами в случае экстренной необходимости.
Противопожарная безопасность обеспечивается за счёт установки системы мониторинга и передачи данных посредством GSMLTE-сетей о состоянии пожарных датчиков. На сегодняшний день в перечень оснащённых объектов вошли районная больница, общеобразовательные школы, детские сады.
Также действуют системы "умного" освещения - 250 LED-светильников оснащены функцией дистанционного управления яркостью освещения.
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УМНОГО ГОРОДА
2.1 Обзор технологии 4G
Считается, что новшества в области общественной безопасности в "умном городе" только начинают распространяться, и беспроводная связь является движущей силой этих нововведений. Фактически, хотя текущая сеть 4G предоставляет видео в реальном времени, которое позволяет респондентам получить доступ к сцене до прибытия, распределение 5G в умном городе позволит интегрировать все видеонаблюдения с доступом к определенным местам, точка за точкой, с ультравысокое разрешение. Это измерение позволит респондентам использовать распознавание лиц для обнаружения известных преступников или обнаружения пропавших без вести лиц до прибытия на место происшествия.
2.2 Обзор технологии 5G
Важные характеристики 5G, которые заслуживают Smart Cities, включают более высокие скорости, большее количество соединений, которые обеспечивают беспроводную связь в необычном месте, простирающемся от уличного света до канализационных отверстий; более быстрое, более адаптивное время ответа, которое поддерживает чувствительные ко времени приложения, такие как связь между транспортными средствами; и сверхмалые соединения, такие как датчики для обнаружения утечек в водопроводной сети.
Считается, что есть так много аспектов, по которым беспроводное соединение следующего поколения ускорит рост Smart City, но в нашем отчете будут обсуждаться некоторые примечательные области, демонстрирующие, что это возможно, когда муниципалитеты приветствуют 5G.
Нынешняя волна мобильной связи происходит между людьми, но следующая будет между устройствами, и для этого должна быть разработана мобильная система следующего поколения. Фактически, мобильная система 5-го поколения, также известная как 5G, нацелена на поддержку в дополнение к ресурсоемким смартфонам миллиарда устройств IoT (Internet of Things), начиная от простых недорогих низкоэнергетических устройств с использованием массивной связи машинного типа (mMTC) и заканчивая современными, требующими сверхнадежная связь с малой задержкой (URLLC). Для достижения этих довольно разнообразных целей 5G использует концепцию сетевого сегмента, которая использует виртуализацию сетевых функций (NFV) и программно-определяемую сеть (SDN). Однако эта концепция все еще находится на более ранней стадии и еще не полностью понята. На самом деле, неясно, насколько 5G может удовлетворить требования Smart Home, одного из самых популярных в настоящее время приложений IoT. Действительно, умный дом очень важен в стареющей Европе, поскольку он прокладывает путь к дистанционному здравоохранению, позволяя пожилым людям дольше оставаться в своем собственном доме. В этом документе представлена работа, проделанная в Осло Столичный университет Secure 5G4IoT Lab1 в рамках проекта SCOTT H20202, целью которого является пролить свет на то, как нарезка сети 5G может эффективно поддерживать Умный дом с точки зрения производительности, управления, безопасности и стоимости.
Статья начинается с краткого, но всестороннего представления об Умном доме. Далее, состояние внедрения Умного дома тщательно изучается и результаты обобщаются. Затем объясняется концепция среза сети 5G. Ядром статьи, естественно, является презентация Smart Home Network Slicing. Последнее, но не менее важное, это краткое описание экспериментального проекта в лаборатории Secure 5G4IoT. Статья завершается несколькими предложениями о дальнейшей работе.
2.2.1 Архитектура базовых станций gNB
Базовые станции gNB, о которых пойдет речь в настоящем разделе, формируют сеть радиодоступа мобильной связи 5-го поколения (NR Radio Access). Если вернуться на 20 лет назад, в эпоху бурного строительства сетей 2-го поколения (2G-GSM), то мы увидим, что конструктивно каждая БС представляла собой большой железный шкаф, высотой 1,5-2 метра, установленный в кондиционированном помещении "на земле" (выгородке технического этажа, либо металлическом контейнере). От базовой станции к антеннам, размещенным башнях, столбах и т.д. прокладывались радиочастотные фидеры (сечением 78 дюйма или больше - в зависимости от протяженности трассы).
Около 10 лет назад производители начали выпуск так называемых распределенных базовых станций, на основе которых в настоящее время построены сети мобильной связи 2G-GSM, 3G-UMTS и 4G-LTE большинства операторов связи. Такая базовая станция включает в себя базовый блок (или BBU - Baseband Unit), по-прежнему размещаемый "на земле", и несколько радиомодулей (или RRU), размещаемых вблизи антенн сотовой связи. BBU и RRU связаны между собой оптическим кабелем, поверх которого реализуется интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Радиомодуль осуществляет аналого-цифровое цифро-аналоговое преобразование, усиление и фильтрацию сигнала, формирование радиочастотного тракта. Весь стек протоколов взаимодействия базовой станции с пользовательским терминалом и базовой станции с ядром сети, а также алгоритмы обработки сигналов реализуются базовым блоком (BBU). BBU по сути представляет собой небольшой сервер, высотой 2-3 юнита, который может быть установлен либо в телекоммуникационной стойке (если существует какое-либо выделенное помещение), либо в климатическом шкафу на крыше здания, либо непосредственно на столберадиомачте для BBU внешнего (outdoor) исполнения.
Следующим шагом развития архитектуры построения базовых станций стала концепция облачных BBU или "Cloud BBU", которая заключалась в отказе от локальных BBU, размещаемых непосредственно на объектах БС, и перенос их функциональности на виртуализированные ресурсы мощных серверов, размещаемых в центрах обработки данных (ЦОД). Данная концепция за счет централизации ресурсов и эффекта "масштаба" позволяет повысить надежность и емкость базовых станций, одновременно снизив затраты на их эксплуатацию. Однако она не нашла существенного применения из-за высоких требований к характеристикам CPRI каналов:
допустимая задержка (RTT) - 5мкс;
допустимый уровень битовых ошибок - 10-12;
стабильность частоты - 0.002ppm
пропускная способность для 4G-LTE в полосе 20МГц в зависимости от количества потоков - до 10G (в этом случае требования к пропускной способности CPRI для сетей 5G в полосе 400МГц могут вырасти до 400G).
Архитектура базовых станций gNB сети мобильной связи 5-го поколения, предлагаемая 3GPP, представляет собой дальнейшее развитие идеологии распределенных базовых станций и "Cloud BBU". gNB включает в себя центральный модуль gNB-CU (gNB Central Unit) и один или несколько распределенных модулей gNB-DUs (gNB Distributed Unit). 3GPP (рекомендация TR 38.801 V14.0.0) определяет 8 возможных опций разделения функций между CU и DU - (см. рисунок 2.1) При этом опция 8 соответствует классической (существующей) схеме построения распределенной базовой станции.
Рисунок 2.1 - Схеме построения распределенной базовой станции
Основные функции, реализуемые на тех или иных уровнях, описаны ниже.
Рекомендация 3GPP TS 38.401 V15.0.0 определяет архитектуру построения базовой станции, основанную на 2-ой опции разделения функций. В этом случае RRC и ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
