Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ сетей радиодоступа (РД) 11
1.1. Постановка задачи 11
1.2. Оценка использования радиочастотного спектра (РЧС) в сетях РД 11
1.3. Анализ принципов организации сетей и систем радиодоступа 19
1.4. Анализ трафика, поступающего на обслуживание в сеть РД 29
1.5. Выводы 35
2. Разработка алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа 37
2.1. Постановка задачи 37
2.2. Анализ показателей оценки качества обслуживания абонентов и работы сетей радиодоступа 37
2.3. Анализ алгоритмов обслуживания потоков требований 41
2.4. Разработка алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований 47
2.5. Определение области применения разработанных алгоритмов 51
2.6. Выводы 56
3. Аналитическая оценка использования канального ресурса и качества обслуживания разноскоростных потоков требований сетью РД 58
3.1. Постановка задачи 58
3.2. Разработка концептуальной модели обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа 58
3.3. Определение аналитической модели сети радиодоступа 61
3.4. Оценка использования канального ресурса сети РД и качества обслуживания разноскоростных потоков 70
3.4.1 Исследование для соотношения скоростей V2/V1=1/2 71
3.4.2 Исследование для соотношения скоростей V2/V1=1/4 74
3.4.3 Исследование для соотношения скоростей V2/V1=2/1 76
3.4.3 Исследование для соотношения скоростей V2/V1 =30/1 81
3.5. Выводы 87
4. Разработка имитационной модели обслуживания сетью РД разноскоростных потоков требований с учетом предложенных алгоритмов 89
4.1. Постановка задачи 89
4.2. Обоснование применения имитационного моделирования. Исходные данные 89
4.3. Выбор принципов построения алгоритма моделирования. Метод оценки достоверности моделирования 91
4.4. Разработка алгоритма имитационного моделирования 93
4.5. Программа имитационного моделирования сети радиодоступа и ее проверка 100
4.6. Выводы: 102
5. 0ценка эффективности предложенных алгоритмов и разработка рекомендаций по использованию 104
5.1. Постановка задачи 104
5.2. Разработка критериев эффективности предложенных алгоритмов и оценочных параметров. Планирование моделирования 104
5.3 Анализ характеристик качества обслуживания сетей РД при введении разработанных алгоритмов обслуживания 107
5.3.1. Анализ характеристик для соотношения скоростей V2A/1=2/1 107
5.3.2. Анализ характеристик для соотношения скоростей V2/V1=30/1 112
5.4. Оценка эффективности разработанных алгоритмов 121
5.4.1 Оценка эффективности для соотношения скоростей V2A/1=2/1 122
5.4.1 Оценка эффективности для соотношения скоростей V2/V1=30/1 124
5.5. Рекомендации по применению алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков на сетях РД 130
5.6. Выводы 131
Заключение 134
Литература
- Оценка использования радиочастотного спектра (РЧС) в сетях РД
- Анализ показателей оценки качества обслуживания абонентов и работы сетей радиодоступа
- Разработка концептуальной модели обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа
- Обоснование применения имитационного моделирования. Исходные данные
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время для организации доступа абонентов к сетям связи используются различные технологии, в том числе и радиодоступ (РД). Под радиодоступом понимают предоставление доступа к телефонным сетям общего пользования, к сетям передачи данных, к сети Интернет и т.п. посредством радиосвязи с качеством, не уступающим проводным системам связи. [17] Для организации радиодоступа могут использоваться системы, основанные на различных стандартах радиоинтерфейса. В настоящее время радиодоступ обеспечивает высокую оперативность развертывания связи, причем особенный эффект достигается, если прокладка кабельных каналов связи невозможна или связана со значительными затратами.
Для систем радиодоступа согласно установленному в РФ распределению полос частот между радиосредствами различного назначения выделены специальные диапазоны радиочастот. Выделенный диапазон радиочастот ограничен, поэтому необходимо повышать эффективность его использования. Одним из путей повышения эффективности использования радиочастотного спектра (РЧС) может быть разработка и применение соответствующих алгоритмов обслуживания потоков требований, поступающих в сеть радиодоступа. При этом следует отметить, что в данной диссертации не исследуются различные другие традиционные пути повышения использования радиочастотного спектра.
В настоящее время наблюдается рост потребности в услугах, относящихся к передаче неречевого трафика, и новых широкополосных услугах, связанных с передачей по каналам связи телевизионных программ, видеоконференций, различного рода мультимедийных услуг и т.п. Эти тенденции отражаются и в развитии современных сетей радиодоступа, в которых обеспечивается передача различных типов трафика. В сети радиодоступа поступают разноскоростные потоки, для обслуживания которых необходимы различные скорости передачи и соответствующие сетевые ресурсы. Трафик, образуемый разноскоростными потоками, называется разноскоростным трафиком.
При обслуживании разноскоростных потоков требований характеристики качества обслуживания для отдельных потоков могут значительно различаться между собой и от принятых норм [35,38,47,52]. Существующие алгоритмы обслуживания [30,32,35,45,47,48,54,55] не позволяют решить обе задачи (увеличение эффективности использования радиочастотного спектра и выравнивание характеристик качества обслуживания разноскоростных потоков), а в ряде случаев их применение может приводить к снижению эффективности использования канального ресурса (см. раздел 2.3). Поэтому разработка алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований в сети радиодоступа, улучшающих использование каналов сетей радиодоступа и позволяющих выровнять качество обслуживания требований для разных потоков, составляющих разноскоростной поток, является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа.
Задачами исследования являются:
1. Анализ использования радиочастотного спектра, принципов организации сетей и систем радиодоступа, характеристик трафика, поступающего на обслуживание в сеть радиодоступа.
2. Определение показателей оценки качества обслуживания абонентов и работы сетей радиодоступа.
3. Анализ известных алгоритмов обслуживания потоков требований.
4. Разработка алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа.
5. Аналитическая оценка использования канального ресурса и качества обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа при существующем алгоритме обслуживания (без введения предложенных алгоритмов).
6. Разработка имитационной модели обслуживания сетью радиодоступа разноскоростных потоков требований с учетом предложенных алгоритмов.
7. Оценка эффективности предложенных алгоритмов по разработанным критериям.
8. Разработка рекомендаций по использованию предложенных алгоритмов. Методы исследования.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в диссертации, основаны на применении теории массового обслуживания, теории вероятностей, теории телетрафика и имитационного моделирования.
Научная новизна.
Научная новизна данной работы заключается в следующем: 1.На основании анализа использования радиочастотного спектра, принципов
построения существующих сетей радиодоступа и поступающего в сеть трафика, на качественном уровне обоснована "необходимость разработки алгоритмов
обслуживания разноскоростных потоков требований, позволяющих улучшить
использование радиочастотного спектра.
2. Предложены оценочные показатели работы алгоритмов обслуживания потоков требований (в том числе и разноскоростных): использование канального ресурса, индивидуальные потери для различных видов трафика, средние вероятности потерь по вызовам и по нагрузке, среднее время ожидания для ожидающих требований.
3. Разр аботаны алгоритмы обслуживания разноскоростных потоков требований, поступающих в сеть радиодоступа, позволяющие улучшить использование канального ресурса сети радиодоступа и выровнять качество обслуживания различных требований по вероятности потерь; определены области применения предложенных алгоритмов.
4. Показ ано, что сеть радиодоступа без применения разработанных алгоритмов обслуживания может быть описана моделью полнодоступной системы массового обслуживания с конечным числом обслуживающих приборов, на которую поступает пуассоновский поток неординарных требований нескольких типов.
5. Доказ ано, что при определении характеристик качества обслуживания разноскоростных потоков с помощью разработанной аналитической модели, потоки с разной длительностью обслуживания и с одинаковой скоростью передачи можно заменить одним потоком, что позволяет упростить выполнение расчетов.
6. Разр аботана имитационная модель сети радиодоступа, учитывающая предложенные алгоритмы обслуживания разноскоростных потоков требований, поступающих в эту сеть, которая может быть использована для установления параметров алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков, определения характеристик качества обслуживания разноскоростных потоков требований и оценки использования канального ресурса.
7. Доказ ана эффективность предложенных алгоритмов по разработанным
критериям эффективности и оценочным параметрам.
Практическая ценность работы.
Разработанные алгоритмы обслуживания разноскоростных потоков требований и рекомендации по их применению могут быть использованы в сетях радиодоступа и в других типах сетей с ограниченным ресурсом обслуживания. Разработанная имитационная модель и соответствующее программное обеспечение могут быть
использованы для выбора параметров алгоритмов обслуживания и определения качества работы обслуживания абонентов и работы сетей, в которые поступают разноскоростные потоки.
Вклад автора в исследование проблемы.
Все результаты, представленные в работе, получены автором лично в ходе проведенных исследований.
Использование результатов работы.
Основные теоретические положения и практические результаты диссертационной работы были использованы:
? в цифровой сети ОАО «Телеком», где применение предложенного алгоритма позволило увеличить использование канального ресурса на 22-35%, уменьшить разницу потерь потоков с 25 до 4 раз (акт внедрения);
? при проведении научно-исследовательских работ в научно-исследовательской части (НИЧ) МТУСИ (акт внедрения);
? в учебном процессе при чтении лекций по курсам «Основы управления и проектирования сетей ДЭС», «Основы построения сетей ДЭС» (акт внедрения).
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции Международной академии связи (г. Москва, 2004г.) [25], научно-технической конференции профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава МТУСИ (г. Москва 2005 г.) [22-24], IV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC - 2005) [26].
Объем работы.
Диссертационная работа содержит 141 страницу основного текста, 3 приложения на 20 страницах, 60 рисунков и графиков, 64 таблицы. В списке литературы 82 наименования.
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в материалах научно-технических конференций, научных журналах, депонированы в ЦНТИ «Информсвязь» - всего 11 работ [18-28].
Основные положения, выносимые на защиту. 1. В сетях радиодоступа, в связи с дефицитом радиочастотного спектра, необходимо повышать эффективность его использования; одним из путей повышения эффективности использования радиочастотного спектра является разработка и применение соответбтвующих алгоритмов обслуживания поступающих в сеть радиодоступа разноскоростных потоков требований.
2. Разработанные алгоритмы обслуживания разноскоростных потоков, поступающих в сеть радиодоступа, позволяют улучшить использование канального ресурса сети радиодоступа и выровнять качество обслуживания разноскоростных потоков требований по вероятности потерь.
3. Для оценки алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований в сетях радиодоступа следует применять следующие показатели: использование канального ресурса, средние потери по вызовам и по нагрузке, индивидуальные потери отдельных потоков.
4. Сеть радиодоступа может быть описана моделью полнодоступной системы массового обслуживания с конечным числом обслуживающих приборов, на которую поступает пуассоновский поток неординарных требований нескольких типов.
5. При проведении расчетов по определению характеристик качества обслуживания абонентов и работы сети с помощью разработанной аналитической модели, потоки с разной длительностью обслуживания и с одинаковой скоростью передачи можно заменить одним потоком, что позволяет упростить выполнение расчетов.
6. Разработанная имитационная модель сети радиодоступа позволяет устанавливать параметры алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков, определять характеристики качества обслуживания разноскоростных потоков требований и давать оценку использования канального ресурса.
7. Разработанные рекомендации по использованию алгоритмов в сетях радиодоступа с ограниченным ресурсом следует использовать для определения условий, в которых алгоритмы наиболее эффективны, и при установлении норм по качеству обслуживания разноскоростных потоков требований, поступающих в сеть радиодоступа.
Содержание работы.
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна, практическая ценность исследования, даны сведения об апробации работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1, с целью определения необходимости разработки алгоритмов обслуживания потоков, позволяющих повысить использование радиочастотных
ресурсов сетей радиодоступа, произведена "оценка использования радиочастотного спектра в сетях радиодоступа и установлен его дефицит практически во всех диапазонах. На основании анализа принципов построения различных сетей радиодоступа выявлены функциональные устройства, которые реализуют принятые в настоящее время для этих сетей алгоритмы обслуживания. Проведен анализ характеристик трафика, поступающего в сеть радиодоступа. Анализ проводился на основе данных, полученных от операторов сетей и материалов литературных источников.
В главе 2 произведен анализ показателей, используемых для оценки качества обслуживания абонентов и работы сетей радиодоступа; установлены показатели качества обслуживания, по которым необходимо проводить оценку алгоритмов обслуживания потоков требований. Проведен анализ алгоритмов обслуживания потоков требований, в том числе алгоритма, использующегося в настоящее время в сетях радиодоступа. На качественном уровне показано, что известные алгоритмы обслуживания могут привести к снижению использования канального ресурса при обслуживании разноскоростных потоков требований. Разработаны алгоритмы обслуживания разноскоростных потоков требований и определены области их применения.
В главе 3 произведена аналитическими методами численная оценка качества обслуживания разноскоростных потоков требований и использования частотного ресурса сети радиодоступа без введения предложенных алгоритмов. При этом разработана концептуальная модель сети радиодоступа, сделан вывод о том, что сеть радиодоступа, может быть рассмотрена как марковская система обслуживания; построена аналитическая модель сети радиодоступа, позволяющая оценить характеристики качества обслуживания поступающих потоков и использование каналов сети радиодоступа. Проведен анализ характеристик работы сети при поступлении в сеть требований с двумя различными скоростями обслуживания, одна из которых совпадает с телефонной, под которой понимается скорость, необходимая для обслуживания телефонных сообщений (требований), а вторая в несколько раз выше или ниже телефонной.
В главе 4 разработана имитационная модель обслуживания сетью радиодоступа разноскоростных потоков требований с учетом разработанных алгоритмов обслуживания. Разработка имитационной модели включала в себя: определение принципов построения алгоритма моделирования, разработку концептуальной модели сети радиодоступа с учетом алгоритмов обслуживания, определение исходных данных и оценочных параметров, разработку алгоритма и программы имитационного моделирования, оценку достоверности результатов моделирования.
В главе 5 проведена оценка эффективности предложенных алгоритмов и разработаны рекомендации по использованию. Разработаны критерии эффективности и оценочные параметры по каждому критерию. Произведен анализ полученных в результате моделирования характеристик качества обслуживания потоков требований и использования канального ресурса сети радиодоступа с учетом предложенных алгоритмов обслуживания. Показано, что для потоков со скоростью, в 2 раза превышающей телефонную, применение предложенных алгоритмов позволяет обеспечить для потока с высокой скоростью передачи такие же потери, как и для телефонного потока без ухудшения использования канального ресурса сети; для потоков со скоростью передачи, в 30 раз превышающей телефонную, введение предложенных алгоритмов позволяет уменьшить потери высокоскоростного потока и увеличить использование канального ресурса сети. Разработаны рекомендации по применению алгоритмов обслуживания разноскоростных потоков требований.
В приложении 1 приведены таблицы качества работы сетей и использования канального ресурса сетями радиодоступа при использующимся в настоящее время алгоритма обслуживания (глава 3).
В приложении 2 приведены таблицы результатов имитационного моделирования (глава 5).
В приложении 3 приведены акты внедрения.
Оценка использования радиочастотного спектра (РЧС) в сетях РД
В соответствии с общей задачей диссертации в главе 1 решаются следующие задачи:
1) Производится оценка использования радиочастотного спектра (РЧС) в сетях РД с целью определения необходимости разработки алгоритмов обслуживания потоков, позволяющих повысить использование радиочастотных ресурсов сетей РД.
2) Для того, чтобы разработанные алгоритмы можно было реализовать в сетях РД, необходимо, предварительно, на основании анализа принципов организации (построения) различных сетей РД, выявить функциональные блоки (или блок), которые реализуют принятые в настоящее время для этих сетей алгоритмы обслуживания.
3) При разработке алгоритмов обслуживания потоков требований в сетях РД, необходимо знать и учитывать характер потоков, поступающих на обслуживание в сеть РД, а также ряд других характеристик и особенностей трафика. Поэтому, следующей задачей, решаемой в данной главе, является анализ характеристик трафика, поступающего в сеть РД. Анализ проводится на основе статистических данных, полученных от операторов сетей и материалов литературных источников.
В соответствии с существующим распределением полос радиочастот между службами Российской Федерации в частотном диапазоне 300 МГц для радиосредств сухопутной подвижной и фиксированной службы гражданского применения выделяются полосы радиочастот 300-308 МГц и 336-344 МГц. При этом для оборудования беспроводного доступа и радиоудлинителей, предназначенных для обеспечения связи со стационарными и подвижными абонентами, выделяются полосы радиочастот 307,5-308 и 343,5-344 МГц.
В таблице 1.1 показано распределение РЧС для гражданских радиослужб в России в диапазоне 400 МГц. Весь диапазон 400 МГц имеет в России категорию СИ, т.е. предназначен для совместного использования радиоэлектронных средств (РЭС) правительственного и гражданского назначения. В целом диапазон 400 МГц в России весьма интенсивно используется средствами различного назначения:
Распределение полос частот в диапазоне 390-470 МГц между РЭС гражданского назначения регламентируется Решением ГКРЧ от 15.05.95 г. (протокол № 30/5), а в диапазоне 470-486 МГц Решением ГКРЧ от 15.12.95 г. (протокол № 35/3). Последним решением в порядке исключения разрешается использование радиочастот в указанных полосах для развития сетей подвижной связи в Москве и Московской области при условии, что при их проектировании будут исключены взаимные помехи в районах действующих и планируемых телевизионных (ТВ) станций, работающих на 21-м, 22-м и 23-м телевизионных каналах (ТВК). Это решение обусловлено тем, что в Московском регионе интенсивно развиваются сети сухопутной подвижной связи, в том числе и транкинговой в диапазоне 400 МГц, и удовлетворить все возрастающие потребности в радиочастотах в этом диапазоне в настоящее время стало практически невозможно.
В полосах частот 453-457,5 и 463-467,5 МГц (при выполнении установленных частотно-территориальных ограничений) действуют сотовые сети стандарта NMT-450. ? Средствам диспетчерской и производственно-технологической связи выделены полосы частот 390-394; 417-422; 430-440; 447-450; 458,45-460; 468,45-469 МГц. ? Также в рассматриваемом диапазоне действуют малоканальные радиорелейные станции (РРС) (390,3-429,3/431,3-469,3 МГц), радиовысотомеры малых высот (427-461 МГц), РЭС службы космических исследований и космической эксплуатации и др.
Сети сотовой связи стандарта NMT-450, которым выдан частотный ресурс 2x4,5 МГц, в настоящее время вступают в этап реформирования на основе перехода к новым цифровым технологиям. Частотный ресурс для новых цифровых технологий ограничен. В каждом регионе этот ресурс выделен одному оператору сети NMT-450 и должен быть сохранен только за одним оператором. Расширение частотного ресурса в этом диапазоне для сетей NMT-450 без принятия решений на правительственном уровне весьма проблематично, так как окружающие полосы интенсивно используются средствами правительственного назначения.
Для развития транкинговых систем нового поколения (в Европе - это трансъевропейская транкинговая система TETRA) предполагается выделить в диапазоне 400 МГц полосы 410-430 и 450-470 МГц. В России еще не принято общее решение о выделении частотных полос для создания и развития транкинговых систем стандарта TETRA. В настоящее время проходит этап исследований и экспериментов, для чего в отдельных регионах создаются опытные зоны в полосах 412-417/422-427 МГц.
В таблице 1.2 показано частотное распределение диапазона 800 МГц между гражданскими радиослужбами. Данный диапазон частот в России также интенсивно используется сетями сухопутной подвижной связи общего пользования различного назначения. Обилие РЭС различных европейских и американских стандартов, как следствие исторически сложившегося в России негармонизированного распределения спектра для систем подвижной радиосвязи, сильно осложняет электромагнитную обстановку и создает высокий уровень межсистемных помех, особенно в крупных мегаполисах России.
Анализ показателей оценки качества обслуживания абонентов и работы сетей радиодоступа
Эффективность сети радиодоступа характеризуется большим числом параметров и, в общем случае, определяет степень соответствия системы своему назначению, ее технического совершенства и экономической целесообразности. Количественно эффективность такой сети может оцениваться: пропускной способностью; достоверностью передачи информации; эффективностью использования рабочих частот; емкостью; размерами обслуживаемой территории; стоимостью эксплуатации; статистическими параметрами трафика и другими характеристиками [48,74]. Так, например, полная эффективность использования радиоспектра может быть определена как: гт = rf Ч» nt. где: rf, rs, rt - эффективность соответственно в частотной, пространственной и временной области. Когда две из этих величин не являются независимыми друг от друга, их выражают в виде сложной эффективности, например, пространственно-временной.
В общем виде полная эффективность использования радиоспектра равна: n d Ч Пг dr Чг где: п и nr- число радиоканалов с одинаковой пропускной способностью в единичной полосе частот для реальной и эталонной систем, d, dr - число повторных использований одного канала в единичном пространстве для реальной и эталонной систем, q, qr - количество информации, передаваемой по одному радиоканалу в единичный интервал времени для реальной и эталонной систем.
Так как в системах радодоступа для обслуживания одного телефонного вызова может требоваться различный ресурс радиотракта от 64 до 8 кбит/с, то при рассмотрении систем радиодоступа как систем массового обслуживания под "каналом" будем понимать ресурс радиотракта, который необходим для обслуживания одного телефонного вызова. Количество телефонных вызовов, которые могут быть обслужены одновременно радиотрактом будем называть канальным ресурсом радиотракта.
При рассмотрении систем радидоступа как систем массового обслуживания в зависимости от дисциплины обслуживания вызовов (требований) характерны свои основные и вспомогательные показатели качества [48,74]. При организации работы сети для основного показателя добиваются его оптимальных числовых значений, сохраняя другие показатели на допустимом уровне.
В системе с явными потерями основным показателем качества обслуживания потоков требований от абонентов является вероятность потери поступившего требования (вызова), а также вероятность потерь по времени и по нагрузке.
Вероятность потери вызова Рв(ИД2), поступившего в промежутке [t1,t2), есть отношение средних интенсивностей потоков потерянных и поступивших вызовов в этом промежутке.
Вероятность потерь по времени Pt(t1,t2) в промежутке [t1,t2) есть вероятность занятости в этом промежутке всех доступных источнику приборов обслуживания (каналов).
Вероятность потерь по нагрузке PH(t1,t2) в промежутке [t1,t2) есть отношение интенсивностей потерянной и поступившей нагрузок в этом промежутке времени.
Для сравнения и анализа отдельных линий связи (пучков каналов) вводится понятие пропускной способности линии связи (пучка). Под пропускной способностью системы понимается интенсивность обслуженной этой системой нагрузки в рассматриваемом промежутке времени при заданном качестве обслуживания. Для систем с явными потерями заданное качество обслуживания задается нормой потерь по вызовам или по нагрузке. Наряду с пропускной способностью всей системы часто рассматривают использование ресурса. Использование ресурса в промежутке [t1,t2) равно отношению интенсивности обслуженной в этом промежутке нагрузки к ресурсу линии связи.
В системах с неограниченным ожиданием основными показателями, которыми характеризуется качество обслуживания являются: ? Вероятность ожидания Р(у 0) (совпадает с вероятностью потерь по времени); ? Вероятность ожидания свыше определенного времени Р(у Т); ? Среднее время ожидания для всех вызовов; ? Среднее время ожидания для ожидавших вызовов; ? Средняя длина очереди; ? Среднее время пребывания в системе; ? Пропускная способность системы; ? Использование ресурса.
Для систем с ожиданием качество обслуживания задается одним из трех показателей: среднее время ожидания для всех вызовов, среднее время ожидания для ожидавших вызовов, среднее время пребывания в системе.
В настоящее время на сетях связи находит применение комбинированная система обслуживания (КСО), т.е. системы с потерями и ожиданием. КСО подразделяется на следующие виды: ? системы с ограниченным числом мест ожидания; ? системы с ограниченным временем ожидания; ? системы, в которых ограничение накладывается на оба показателя (число мест ожидания и время ожидания).
Для систем с ожиданием средняя загрузка приборов выше, чем в системах с явными потерями, т.к. выше исполненная нагрузка. Это обстоятельство является одной из причин применения систем с ожиданием - увеличение использования канала. Кроме того, системы с ожиданием дают возможность реализовать различное качество обслуживания для вызовов различных приоритетов.
Показатели оценки качества работы сетей при введении комбинированной системы обслуживания следующие: 1) вероятность потерь (по вызовам, по нагрузке); 2) вероятность ожидания;
Разработка концептуальной модели обслуживания разноскоростных потоков требований сетью радиодоступа
Основное назначение систем РД заключается в предоставлении услуг телефонной связи. Кроме услуг телефонной связи абонентам сетей РД предоставляется возможность организовать передачу данных с различной скоростью и услуги мультимедиа. Анализ, проведенный в главе 1, показал, что передача телефонии может производиться со скоростью от 64 кбит/с до 8 кбит/с. Возможные скорости передачи данных и информации мультимедиа - от 6 кбит до 2 Мбит. Все системы РД строятся на основе многостанционного доступа с использованием различных методов коммутации и радиотехнических технологий. Многостанционный доступ подразумевает наличие в системе станции, организующей по радиотракту связь с несколькими терминальными станциями, распределенными на некоторой территории. В зависимости от типа оборудования это может быть базовая станция, контроллер, центральная станция и т.д. Ресурс радиотракта распределяется между активными абонентами. Как показано в главе 1 в общем случае при использовании различных методов коммутации с контролем доступа в сеть новых требований можно считать, что каждому из них выделяется ресурс, соответствующий необходимой скорости передачи, активному абоненту может быть предоставлен любой свободный ресурс в радиотракте. В большом числе стандартов, на которых построены сети радиодоступа (например: DECT, WiMAX и др.), при отсутствии свободного ресурса с достаточной скоростью передачи абоненту отказывают в обслуживании.
Таким образом, можно считать, что в системах РД имеется несколько типов источников нагрузки. Каждый тип нагрузки характеризуется своей скоростью передачи. Пусть имеется S типов источников нагрузки и необходимые им скорости передачи: Vi, V2, Vs. Обозначим суммарную скорость передачи в радиотракте Vr. Всегда можно подобрать целые числа Ki, Кг KS, П такие, что: Vi: V2 : : Vs: Vr = Ki: кг:....: KS : п. Для обслуживания требований і-го потока требуется ресурс: 4= MP, где р - базовая скорость передачи. Ресурс радиотракта, соответствующий базовой скорости передачи р, назовем "каналом передачи".
Тогда можно считать, что радиотракт содержит п "каналов передачи". Назовем число п канальным ресурсом радиотракта, а для одного требования і-го типа необходимо Kj «каналов передачи» (і меняется от 1 до s).
Требования, для обслуживания которых необходимо несколько обслуживающих приборов одновременно, принято называть неординарными требованиями [48]. Целое число Kj - количество приборов, требующееся для обслуживания требования, является характеристикой неординарности требования. Все приборы, необходимые для обслуживания одного неординарного требования, занимаются и освобождаются одновременно. Можно принять «канал передачи» за один обслуживающий прибор; тогда в сеть радиодоступа поступает поток неординарных требований.
Среднее время, затрачиваемое устройством управления при организации сеанса связи на сбор информации о состоянии системы, на определение признаков поступившего требования, выработку решения, является малым по сравнению со средним промежутком между поступающими требованиями и значением среднего времени обслуживания требования. Поэтому при выборе модели системы обслуживания на этапе организации сеанса связи можно ввести допущение, что потерь или задержек начала обслуживания требований за счет устройства управления практически не происходит, так что их влиянием можно пренебречь. Такую систему обслуживания [5] можно характеризовать как однофазную, полнодоступную, обслуживающую неординарные требования, а принятую в ней дисциплину обслуживания - с явными потерями. Системы РД могут быть предназначены: ? для подключения групп абонентов, распределенных на значительных территориях, ? для подключения значительного количества одиночных абонентов, расположенных с достаточно высокой плотностью на ограниченной территории.
В первом случае можно считать, что количество абонентов ограниченно, во втором количество абонентов практически неограниченно. Потоком вызывающих моментов называется поток моментов появления требований. Математической моделью потока вызывающих моментов от конечного числа абонентов является примитивный поток [58]. Примитивным называют ординарный поток, параметр которого пропорционален числу свободных источников. Данная модель потока учитывает, что требования могут поступать только от свободных источников. С ростом числа источников последействие примитивного потока сокращается. В пределе при числе источников, стремящемся к оо, примитивный поток переходит в простейший. Анализ пропускной способности полнодоступных систем обслуживания с потерями показывает [48,58], что с точки зрения пропускной способности, примитивный поток всегда "лучше" простейшего при любом распределении длительности обслуживания. Следовательно, использование модели простейшего потока вызывающих моментов позволит определить нижнюю границу пропускной способности системы радиодоступа. Анализ систем РД, проведенный в главе 1, показал, что емкость сетей радиодоступа колеблется от 1024 до 100000 абонентов. При числе абонентов 300 погрешность, вносимая использованием модели простейшего потока вместо модели примитивного потока, очень незначительна.
Основные модели теории телетрафика используют предположение об экспоненциальном распределении длительности обслуживания требований [4]. Это допущение как показано в главе 1 подкрепляется статистическими наблюдениями.
Обоснование применения имитационного моделирования. Исходные данные
В соответствии с изложенной в главе 3 математической моделью сети радиодоступа, и разработанным в главе 2 алгоритмами обслуживания разноскоростных потоков требований при построении модели использованы следующие исходные положения (обоснованные в главе 3):
система описывается моделью полнодоступной системы массового обслуживания с конечным числом обслуживающих приборов п, на которую поступает простейший поток неординарных требований 2-х типов; для каждого типа требований можно задать интенсивность поступления Л] , характеристику неординарности вызова KJ, среднюю длительность обслуживания Tj, имеющую экспоненциальное распределение; дисциплина обслуживания требований 1-го потока - с явными потерями, дисциплина обслуживания требований 2-го потока - ограниченное ожидание; ограничение накладывается на максимальную длину очереди и на максимально допустимое время ожидания.
Системы, в которых максимальное время ожидания ограничено некоторой постоянной величиной, не являются марковскими, и, следовательно, не могут быть описаны с помощью системы линейных уравнений. Граф возможных состояний таких систем при наличии 2-х поступающих потоков с различной скоростью передачи очень сложен, поэтому для варианта обслуживания с ограниченным ожиданием не удалось получить аналитических выражений вероятности возможных состояний. Для исследования динамических систем, состояния которых изменяются во времени, часто применяют имитационное моделирование. При имитационном моделировании получаемые оценки исследуемых характеристик носят частный характер, аналогично исследованию аналитических моделей численным методом. Основным преимуществом имитационного моделирования по сравнению с аналитическим является возможность исследования практически неограниченного класса систем и, соответственно, их математических моделей. Поэтому для исследования сети был выбран метод имитационного моделирования.
При этом исходными данными для моделирования являются: ? Х\ - интенсивность j-ro потока требований 0=1.2); ? Tj - средняя длительность обслуживания j-ro потока требований 0=1.2); ? Kj - характеристика неординарности вызовов j-ro потока требований 0=1.2), выраженная в числе телефонных каналов, необходимых для его обслуживания; ? m - максимально допустимая длина очереди для j-ro потока требований 0=1.2); ? ушах - максимально допустимое время ожидания j-ro потока требований 0=1.2); ? п - канальный ресурс, выраженный в числе телефонных каналов, которые могут быть организованны. ? Результатом исследования полученного по заданным исходным данным являются: у - среднее время ожидания для ожидающих вызовов равное сумме времен ожидания всех вызовов, деленной на число ожидающих вызовов; ? Pj - вероятность отказа равная числу неудачных вызовов, деленному на общее количество поступивших вызовов j=1,2; ? Р(у 0) -вероятность ожидания равна числу ожидающих вызовов, деленному на общее число попыток установления соединений; ? Ру - средняя вероятность потерь по нагрузке.
При исследовании сложных систем можно обнаружить существенную неравноправность состояний системы в заданном интервале времени t. Применительно к таким системам удается выделить два типа состояний: 1) обычные (неособые) состояния, в которых система находится почти все время, и 2) особые состояния, характерные для системы в некоторые изолированные моменты времени, совпадающие с моментами поступления в систему входных сигналов от внешней среды, выхода одной из характеристик Zj(t) на границу области существования и т.д.
Особые состояния системы характерны еще и тем обстоятельством, что Zj(t) в эти моменты времени изменяются, как правило, скачком, а между особыми состояниями изменение Z(t) происходит плавно и непрерывно.
Например, пусть в простейшей многоканальной системе массового обслуживания Zo(t) - количество свободных каналов, Zo (t) - количество заявок в очереди, Zj(t) - время, оставшееся до момента освобождения і-го канала, и т.д. Особые состояния появляются в моменты поступления новых заявок (количество свободных каналов или количество заявок в очереди меняется скачком) или в моменты освобождения каналов после окончания обслуживания (Zj(t) выходит на границу области существования).
Как правило, свойства таких систем оцениваются по информации об особых состояниях, а неособые состояния интереса для исследователя не представляют. Бывают случаи, когда соотношения математических моделей удается преобразовать таким образом, что для определения особого состояния системы достаточно знать предыдущее особое состояние или несколько предыдущих особых состояний.
Для моделирования сети радиодоступа был выбран универсальный «принцип особых состояний», а в качестве языка программирования - язык высокого уровня Паскаль.
