Разработка лабораторного практикума в среде MATLAB/Simulink для исследования систем связи пятого поколения (5G-Advanced)

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические основы функционирования и стандартизации сетей 5G-Advanced в России

1.1. Эволюция стандартов мобильной связи и нормативное регулирование инфокоммуникаций в рамках решений Минцифры РФ

1.2. Архитектура радиоинтерфейса NR и особенности применения частотных диапазонов, утвержденных ГКРЧ

1.3. Принципы обеспечения качества обслуживания (QoS) и спецификации физического уровня связи 5G-Advanced

Глава 2. Проектирование и программная реализация лабораторного практикума в среде MATLAB/Simulink

2.1. Имитационное моделирование систем формирования сигналов и алгоритмов обработки данных в Simulink

2.2. Расчет и анализ помехоустойчивости канала связи при различных сценариях использования сети

2.3. Методика проведения исследований характеристик широкополосного доступа на базе разработанного программного комплекса

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Разработка лабораторного практикума в среде MATLAB/Simulink для исследования систем связи пятого поколения (5G-Advanced)

Специальность: 11.02.15 Инфокоммуникационные сети и системы связи

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития инфокоммуникационной отрасли Российской Федерации характеризуется активным внедрением технологий пятого поколения мобильной связи (5G) и подготовкой к переходу на усовершенствованные версии стандарта, обозначаемые как 5G-Advanced. Актуальность данной тематики обусловлена стратегическим курсом Минцифры России на обеспечение технологического суверенитета в сфере телекоммуникаций, развитие отечественной элементной базы и программного обеспечения для сетей нового поколения, а также потребностью в квалифицированных кадрах, способных проектировать, развертывать и эксплуатировать высокоскоростные широкополосные сети доступа. В условиях расширения спектра услуг, включающих интернет вещей (IoT), критически важные коммуникации (URLLC), массовую межмашинную связь (mMTC) и услуги дополненной и виртуальной реальности, требуется глубокое понимание физического уровня систем 5G-Advanced, принципов формирования и обработки сигналов, механизмов обеспечения качества обслуживания (QoS) и помехоустойчивости каналов связи.

Степень разработанности проблемы в отечественной технической литературе свидетельствует о наличии фундаментальных исследований в области цифровой обработки сигналов, теории связи и моделирования телекоммуникационных систем, однако методическое обеспечение подготовки специалистов по направлению 11.02.15 «Инфокоммуникационные сети и системы связи» в части практического освоения технологий 5G-Advanced нуждается в совершенствовании. Существующие учебные материалы зачастую не охватывают новейшие функциональные возможности стандарта Release 17 и Release 18, утвержденных консорциумом 3GPP, и не учитывают специфику частотного регулирования ГКРЧ и требования российских операторов связи.

Разработка лабораторного практикума в среде MATLAB/Simulink позволяет обеспечить наглядность изучения сложных процессов модуляции, кодирования, пространственного мультиплексирования (MIMO), формирования луча (beamforming) и адаптации параметров радиоинтерфейса NR (New Radio) к изменяющимся условиям распространения радиоволн и загрузки сети. Имитационное моделирование предоставляет возможность проведения виртуальных экспериментов без необходимости приобретения дорогостоящего оборудования базовых станций (gNodeB) и абонентских устройств (UE), что особенно важно для образовательных организаций среднего профессионального образования.

Цель выпускной квалификационной работы заключается в разработке полнофункционального лабораторного практикума в среде MATLAB/Simulink для исследования систем связи пятого поколения (5G-Advanced), обеспечивающего освоение студентами теоретических основ и практических навыков моделирования радиоинтерфейса NR, расчета параметров каналов связи и анализа характеристик широкополосного доступа.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

• изучить эволюцию стандартов мобильной связи и нормативное регулирование инфокоммуникаций в рамках решений Минцифры РФ и ГКРЧ;
• исследовать архитектуру радиоинтерфейса NR и особенности применения частотных диапазонов, утвержденных для эксплуатации сетей 5G в Российской Федерации;
• проанализировать принципы обеспечения качества обслуживания (QoS) и спецификации физического уровня связи 5G-Advanced;
• разработать имитационные модели систем формирования сигналов и алгоритмов обработки данных в среде Simulink;
• выполнить расчет и анализ помехоустойчивости канала связи при различных сценариях использования сети;
• сформировать методику проведения исследований характеристик широкополосного доступа на базе разработанного программного комплекса.

Объектом исследования выступают инфокоммуникационные сети и системы связи пятого поколения (5G-Advanced), функционирующие на базе радиоинтерфейса NR.

Предметом исследования являются методы имитационного моделирования физического уровня систем 5G-Advanced в среде MATLAB/Simulink, алгоритмы формирования и обработки сигналов, методики расчета помехоустойчивости и оценки качества обслуживания.

Методологическую базу выпускной квалификационной работы составляют теоретические положения цифровой обработки сигналов, теории информации, теории вероятностей и математической статистики, а также современные методы имитационного моделирования телекоммуникационных систем. В качестве инструментальных средств использованы программные пакеты MATLAB R2023b и Simulink с библиотеками 5G Toolbox, Communications Toolbox и Signal Processing Toolbox. Нормативно-техническую основу составляют Федеральный закон № 126-ФЗ «О связи», решения ГКРЧ по распределению радиочастотного спектра, приказы Минцифры России, стандарты ГОСТ Р 58324-2018, ГОСТ Р 53801-2010, технические спецификации 3GPP серий TS 38.xxx.

Научная новизна работы заключается в комплексной адаптации международных технических спецификаций 5G-Advanced к условиям российского частотного регулирования и разработке методического обеспечения, учитывающего специфику подготовки специалистов среднего звена по направлению 11.02.15.

Теоретическая значимость исследования определяется систематизацией знаний о принципах функционирования радиоинтерфейса NR, механизмах обеспечения QoS и методах расчета энергетических характеристик каналов связи в сетях 5G-Advanced, что способствует углублению понимания процессов, протекающих на физическом уровне современных инфокоммуникационных систем.

Практическая значимость выпускной квалификационной работы состоит в создании готового к внедрению лабораторного практикума, включающего набор имитационных моделей, методические указания к выполнению лабораторных работ, контрольные вопросы и задания, которые могут быть использованы в образовательном процессе организаций среднего профессионального образования, осуществляющих подготовку по сп

…