Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор существующих методов и средств моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей 22
1.1. Общая характеристика телекоммуникационных сетей множественного доступа 22
1.1.1. Этапы развития телекоммуникационных технологий 22
1.1.2. Вероятностно-временные характеристики телекоммуникационных сетей 25
1.1.3. Сравнительная характеристика протоколов MAC 26
1.2. Особенности моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей 32
1.2.1. Методы исследования эффективности телекоммуникационных сетей 33
1.2.2. Аналитическое моделирование 33
1.2.3. Имитационное моделирование 34
1.2.3.1. Принципы и методы построения имитационных моделей 35
1.2.3.2. Процесс имитации 36
1.2.4. Экспериментальное исследование 38
1.3. Моделирование сетей множественного доступа на основе систем массового обслуживания 38
1.3.1. Применение СМО для моделирования вычислительных сетей 39
1.3.2. Применение СеМО для моделирования телекоммуникационных сетей 45
1.3.2. Особенности моделирования сетей множественного доступа системами массового обслуживания 51
1.4. Современные программно-аналитические средства 52
1.4.1. Пакет аналитического моделирования ДИФАР 53
1.4.2. Средство имитационного и аналитического моделирования NetMaker ХА 54
1.4.3. Система имитационного моделирования COMNETIII 56
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 59
ГЛАВА 2. Принципы моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационых сетей на основе технологии GPRS/EDGE 60
2.1. Характеристические особенности моделирования ВВХ сетей GPRS/EDGE 60
2.1.1. Общая характеристика технологии GPRS 60
2.1.2. Протоколы, применяемые в технологии GPRS 62
2.1.3. Понятие о приоритетных классах обслуживания. Достижения метода GPRS...65
2.1.4. Архитектура канального уровня GPRS 66
2.1.5. Эффективность смешанного доступа GPRS 69
2.1.6. Технология EDGE 70
2.2. Разработка методики аналитического моделирования вероятностно-временных характеристик канального уровня сетей GPRS/EDGE 73
2.2.1. Вероятностный граф процедур смешанного доступа 73
2.2.2. Формализованное представление задачи моделирования вероятностно-временных характеристик сети GPRS/EDGE 77
2.2.3. Применение метода баланса интенсивностей нагрузок для анализа вероятностно-временных характеристик сетей GPRS/EDGE 79
2.2.4. Вероятностно-временные характеристики канального уровня GPRS/EDGE .83
2.3. Задача улучшения вероятностно-временных характеристик сетей
GPRS/EDGE за счет адаптивного регулирования параметра распределения
полосы частот 84
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 86
ГЛАВА 3. Разработка алгоритмов аналитического и имитационного моделирования вероятностно-временных характеристик канального уровня сетей GPRS/EDGE 87
3.1. Разработка модифицированных алгоритмов аналитического моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей GPRS/EDGE 87
3.1.1. Построение модифицированного алгоритма аналитического моделирования ВВХ сетей GPRS/EDGE 87
3.1.2. Построение модифицированного алгоритма решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок 89
3.2. Построение имитационной модели процессов обслуживания пакетных сообщений в сети GPRS/EDGE 91
3.2.1. Объекты имитационной модели процесса приоритетного обслуживания пакетных сообщений в телекоммуникационных сетях GPRS/EDGE 91
3.2.2. Входные и выходные данные системы 92
3.2.3. Состояния системы 93
3.2.4. Оценка адекватности модели 94
3.2.5. Алгоритм имитационного моделирования 95
3.3. Разработка модифицированного алгоритма задачи повышения производительности и уменьшения среднего времени задержки пакетных сообщений протокола канального уровня сети GPRS/EDGE 99
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 101
ГЛАВА 4. Программная реализация алгоритмов аналитического и имитационного моделирования, а также задачи повышения эффективности пакетной передачи данных телекоммуникационных сетях с технологией GPRS/EDGE за счет адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот 102
4.1. Разработка программных средств для оценки качества функционирования телекоммуникационных сетей 102
4.1.1. Применение языка Matlab для решения поставленных задач 102
4.1.2. Разработка функциональной схемы программных средств анализа, моделирования и улучшения вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети GPRS/EDGE 104
4.1.3. Диаграмма потоков данных (DFD) 106
4.1.4. Описание программы 107
4.2. Программная реализация аналитической модели канального уровня сетей GPRS/EDGE 109
4.3. Программная реализация имитационной модели вероятностно-временных характеристик канального уровня сетей GPRS/EDGE 111
4.4, Программная реализация задачи адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот 112
4.5. Графическое представление полученных результатов 112
Выводы по главе 4 121
Заключение 122
Литература
- Вероятностно-временные характеристики телекоммуникационных сетей
- Общая характеристика технологии GPRS
- Построение модифицированного алгоритма аналитического моделирования ВВХ сетей GPRS/EDGE
- Применение языка Matlab для решения поставленных задач
Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные темпы развития информационных и
телекоммуникационных технологий приводят к тому, что существующие программные средства для анализа, моделирования и оптимизации сетей множественного доступа, построенные на моделях Эрланга для однородного трафика в двухточечных каналах, перестают соответствовать требованиям времени.
В системах связи происходит повсеместный переход от технологий коммутации каналов к коммутации пакетов и IP протоколам; от моносервисных систем голосовой связи, действующих на принципах коммутации каналов, - к мультисервисным системам коммутации пакетов для интегральной передачи голоса, данных, видео и др. с дифференциацией и управлением качеством услуг (QoS - Quality-of-Services). Стремительно возрастает объем трафика доступа к услугам Internet. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются услуги на основе технологии мобильной связи с пакетной коммутацией GPRS/EDGE - доступ в Интернет, WAP - доступ, e-mail, доступ в корпоративные сети, телематика. В связи с этим возникает необходимость в программных средствах моделирования вероятностно- временных характеристик (ВВХ) систем связи для оценки качества услуг, основанных на теории многомерных распределенных очередей с приоритетным обслуживанием для интегрального трафика в многоточечных радиоканалах множественного доступа.
Наиболее распространенным методом расчета вероятностно-временных характеристик является имитационное моделирование. Используются также аналитические методы, основанные на использовании
моделей систем и сетей массового обслуживания (СМО и СеМО).
Исследованию проблем моделирования ВВХ телекоммуникационных сетей (ТКС) передачи данных посвящены работы российских ученых А.Б. Мархасина, А.А. Назарова, Д.Ю. Кузнецова, Г.И. Фалина и др., а также зарубежных авторов Л. Клейнрока, Ф. Тобаги, Д. Бертсекаса, Р. Галагера и
др.
Аналитические модели телекоммуникационных сетей носят обычно вероятностный характер и строятся на основе понятий аппарата теории телетрафика, вероятностей и марковских процессов.
Существующие методы анализа подобных систем имеют ряд недостатков, к числу которых следует отнести:
представление входных потоков заявок как простейших, без учета их неоднородности, входных потерь и распределенных в пространстве очередей;
во внимание не принимаются ошибки в канале, повторные потоки нагрузки по переспросам, реальные системные параметры протоколов и дисциплины приоритетного обслуживания.
Методы, которые используются для анализа сетевых систем предполагают некоторые упрощающие допущения для решения таких задач: опустошающее обслуживание, неограниченная длина очереди и т.д.
Существующие программные средства направлены в основном на построение имитационных моделей. Примерами таких программ являются коммерческие продукты: COMNET III (CACI Products), BONes Designer (Alta Group of Cadence Design Systems) OPNET Modeler (MIL3), NETSYS (Cisco), Netmaker XA (Make Systems) и др.
Недостатком зарубежных коммерческих программных средств является то, что используемые во всех рассмотренных продуктах методы и алгоритмы скрыты внутри программ, поэтому единственным способом,
позволяющим оценить точность расчетов с помощью данных программ, является построение реальных образцов сетей. Поскольку информация о том, какие предположения и упрощения заложены в модели, отсутствует, ошибки моделирования выявляются только на последних стадиях проектирования сети.
Из отечественных средств аналитического моделирования локальных вычислительных сетей следует отметить Комплекс программ аналитического моделирования систем и сетей массового обслуживания на основе методов диффузионной аппроксимации "ДИФАР". Он позволяет рассчитывать вероятностно-временные характеристики СМО, СеМО и сетевых систем, задавая в качестве параметров два момента входных потоков и обслуживания, что позволяет исследовать поведение систем в широком диапазоне изменения, как средних значений, так и дисперсий потоков и обслуживания, а также найти оптимальное построение сетевых систем по значениям вероятностно-временных характеристик (ВВХ), адекватных фактическим распределениям.
Недостатками данного комплекса является то, что, во-первых, он рассчитан на модели локальных вычислительных сетей, состоящих из 30 -50-ти узлов, тогда как рассматриваемые в данной работе мобильные сети включают в себя десятки и сотни тысяч абонентов, во-вторых, моделируемые с помощью данного пакета системы массового обслуживания не включают в себя системы с распределенной в пространстве очередью, которые служат для описания телекоммуникационных сетей множественного доступа.
Таким образом, задача построения методики анализа и моделирования вероятностно-временных характеристик сетей множественного доступа на современном этапе развития информационных технологий является актуальной и востребованной, как и задача улучшения вероятностно-временных характеристик путем адаптивного распределения сетевых ресурсов.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью диссертации является исследование и разработка средств моделирования вероятностно-временных характеристик канального уровня сетей GPRS/EDGE, с целью повышения эффективности обслуживания пакетных сообщений.
Согласно цели были выделены следующие задачи диссертационного исследования:
исследование методов аналитического и имитационного моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей;
создание формализованного представления задачи моделирования вероятностно-временных характеристик канального уровня сети GPRS/EDGE;
разработка методики аналитического моделирования вероятностно-временных характеристик протокола канального уровня сети GPRS/EDGE;
разработка имитационной модели процессов обслуживания пакетных сообщений в сети GPRS/EDGE;
разработка модифицированных алгоритмов функционирования телекоммуникационных сетей с технологией GPRS/EDGE;
программная реализация аналитической и имитационной моделей канального уровня сети GPRS/EDGE;
постановка и решение задачи улучшения вероятностно-временных характеристик путем адаптивного регулирования параметра распределения ресурса канала.
Методы исследования
В диссертационном исследовании были использованы методы теории
вероятностей и математической статистики, теории случайных процессов,
теории телетрафика, теории множественного доступа, теории графов. Основу
разработки составили средства математического и имитационного
моделирования и технология объектно-ориентированного
программирования.
Научная новизна
В диссертационной работе осуществлено решение проблемы создания моделей и алгоритмов анализа телекоммуникационных сетей для протокола смешанного доступа канального уровня GPRS/EDGE и получены вероятностно-временные характеристики данных систем. Научная новизна проведенного исследования заключается в создании совокупности научно-технических разработок, обеспечивших создание моделей и алгоритмов для решения задачи оценки качества функционирования сети с целью повышения ее производительности и уменьшения среднего времени задержки передачи пакетных сообщений.
В ходе выполнения диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты:
Разработано формализованное представление задачи моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей с технологией GPRS/EDGE.
Предложена методика аналитического моделирования вероятностно-временных характеристик канального уровня GPRS/EDGE.
3. Разработан модифицированный алгоритм решения уравнения
баланса интенсивностей нагрузок.
4. Разработана имитационная модель функционирования
телекоммуникационной сети под управлением протокола канального уровня
GPRS/EDGE.
5. Разработан алгоритм имитации процессов приоритетного
обслуживания пакетных сообщений в сети GPRS/EDGE.
6. Предложена методика решения задачи повышения
производительности и уменьшения среднего времени доставки сообщений в
телекоммуникационных сетях GPRS/EDGE за счет адаптивного
распределения полосы частот.
7. Разработан алгоритм решения задачи улучшения вероятностно-
временных характеристик сети GPRS/EDGE за счет адаптивного
распределения полосы частот.
8. Осуществлена программная реализация аналитической и
имитационной моделей телекоммуникационной сети под управлением
протокола канального уровня GPRS/EDGE для оценки показателей качества
сети, а также задачи повышения эффективности использования канала.
Достоверность научных результатов
Достоверность моделей подтверждается соответствием результатов теоретического анализа реальному функционированию системы.
Успешное внедрение и функционирование разработанных методик и алгоритмов системах мобильной связи показали, что адаптивное распределение ресурса полосы частот позволяет улучшить фактическую пропускную способность сети GPRS/EDGE в 1.89 раз.
Практическая значимость
Практическая значимость работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение моделей при проектировании телекоммуникационных сетей.
Проведенные исследования и полученные результаты составляют
теоретическую основу моделирования и построения программ
моделирования вероятностно-временных характеристик
телекоммуникационных сетей.
Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программных средств.
Самостоятельное практическое значение имеют:
Методика аналитического моделирования ВВХ телекоммуникационных сетей;
Алгоритм имитационной модели функционирования сети GPRS/EDGE;
Методика повышения производительности сети GPRS/EDGE путем адаптации параметра распределения ресурса полосы частот.
Использование разработанных методик и алгоритмов в учебном процессе Сибирского государственного университета информатики и телекоммуникаций в следующих изданиях:
Кокорева Е.В., Беленький В.Г., Зайцев А.Г. и др. Средства связи с подвижными объектами: Методические указания к лабораторным работам. - Новосибирск: СибГУТИ. 2000. - 31 с.
Кокорева Е.В., Ярославцев А.Ф., Основы теории массового обслуживания: Методические указания к лабораторным работам.
- Новосибирск: СибГУТИ. 2004. - 40 с.
- Кокорева Е.В., Ярославцев А.Ф., Моренкова О.И. Компьютерное
моделирование: Методические указания к лабораторным работам.
- Новосибирск: СибГУТИ. 2005. - 24 с.
5. Акты внедрения результатов диссертационной работы на
автоматизированных системах связи ОАО «ОТИК-групп», и в
учебном процессе МИЭТ.
Работа проводилась в рамках инновационной образовательной программы «Современное профессиональное образование для российской инновационной системы в области электроники». В результате выполнения работы получен сертификат: «Sun certified programmer for the JAVA 2 platform 1.4 (SAI)».
Личный вклад автора
1. На основе аналитического обзора существующих методов и средств
показана актуальность постановки и решения задачи создания моделей и
алгоритмов моделирования вероятностно-временных характеристик
телекоммуникационных сетей.
2. Разработана и верифицирована методика аналитического
моделирования вероятностно-временных характеристик канального уровня
сети GPRS/EDGE на основе решения уравнения баланса интенсивностей
нагрузок.
Разработан модифицированный алгоритм решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок.
Разработана имитационная модель функционирования сети под управлением протокола канального уровня GPRS/EDGE.
Разработан алгоритм имитации процесса обслуживания пакетных сообщений в сети GPRS/EDGE.
Разработан алгоритм решения задачи улучшения вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей GPRS/EDGE.
7. Осуществлена программная реализация аналитической и
имитационной моделей для оценки показателей качества сети GPRS/EDGE.
8. Получены статистические оценки результатов моделирования.
9. Осуществлена программная реализация задачи повышения
производительности сети GPRS/EDGE за счет адаптивного регулирования
параметра распределения полосы частот.
Реализация полученных результатов
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Московского государственного института электронной техники (технического университета) и являлась составной частью исследовательских мероприятий в рамках НИОКР «Разработка методологии практической подготовки студентов в рамках инновационных образовательных программ» Федеральной целевой программы развития образования на 2006-2010 годы.
Все работы по программной реализации средств моделирования ВВХ проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курсов «Технология программирования», «Теория языков и методы трансляции».
В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:
1 .Формализованное представление задачи моделирования вероятностно-временных характеристик сетей множественного доступа канального уровня GPRS/EDGE.
2.Методика моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети с технологией GPRS/EDGE.
3.Имитационная модель функционирования сети под управлением протокола канального уровня GPRS/EDGE.
4. Методика решения задачи повышения производительности сети GPRS/EDGE за счет адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот.
5.Модифицированный алгоритм решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок.
б.Алгоритм имитации процесса обслуживания пакетных сообщений в сети GPRS/EDGE.
7.Алгоритм решения задачи улучшения вероятностно-временных характеристик сети GPRS/EDGE за счет адаптивного распределения полосы частот.
8.Программная реализация методик и алгоритмов моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей с технологией GPRS/DGE.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций». — Новосибирск, 2000.
6-й Международный Бизнес-Форум "Мобильные системы'2001", 2001.
The IEEE Siberian Workshop "Modern Communication Technologies -SIBCOM'2001", Tomsk, 2001.
VIII Международная конференция «Связь-2004», Иссык-Куль, 2004.
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций». — Новосибирск, 2005.
XV международная школа-семинар «Новые информационные технологии». - Крым, Судак, МГИЭМ, 2007.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 13 печатных работ. Из них 3 статьи, 5 публикаций без соавторов, 1 в изданиях ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений, содержащих акты внедрения результатов и листинги программ. Общий объем диссертационной работы 177 страниц машинописного текста (133 страницы основного текста), б таблиц и 34 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика проблемы. Обоснована актуальность темы диссертации. Сформулированы цели и задачи исследования. Показана научная и практическая значимость. Перечислены положения, выносимые на защиту. Рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.
В первой главе проводится анализ современных методов и средств
моделирования вероятностно-временных характеристик
телекоммуникационных сетей.
Рассматривается общая характеристика сетей связи в контексте эволюционного развития. Приведены характеристические особенности моделирования ВВХ сетей GPRS/EDGE.
Качество функционирования сетей связи определяется вероятностно-временными характеристиками, основными из которых являются: производительность сети, её пропускная способность, вероятность потери сообщения. Для решения задач оптимизации производительности и пропускной способности сетей могут применяться экспериментальные методы исследования, аналитическое и имитационное моделирование.
Существует довольно значительное количество пакетов программ, автоматизирующих процессы разработки и исследования аналитических моделей вычислительных систем и сетей. Большинство из этих программных
пакетов предназначены для имитационного моделирования работы сетевых систем.
При аналитическом моделировании сетевых систем используется аппарат теории массового обслуживания (теории телетрафика).
Особенности моделирования телекоммуникационной сети заключаются в том, что такая сеть представляется т-канальной многомерной (с размерностью N) системой массового обслуживания вида M/G(jtgp Imln
с приоритетами и неоднородной распределенной векторной очередью
n = (n\\,ni2,n\k>--->ni\>ni2>nik>-->nNl>nN2>nNk)> к КОТОрОЙ неприменимы
соотношения для известных СМО.
Результатом проведенных в первой главе исследований стали постановка задачи диссертации, а также формулировка цели и задач, способствующих ее достижению.
Во второй главе осуществлено построение аналитической и имитационной моделей протокола канального уровня сети GPRS/EDGE, а также поставлена задача адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот.
Для анализа вероятностно-временных характеристик
телекоммуникационных сетей применяется метод баланса интенсивностей нагрузок (БИН), наиболее полно отражающий реальные условия функционирования сетей. Обосновано применение метода к анализу ВВХ сетей GPRS/EDGE.
В системах GPRS/EDGE используется протокол смешанного доступа: для канала запросов используется механизм свободного доступа (тактированная Aloha), для канала данных - механизм контролируемого доступа (резервирования). С помощью метода БИН система массового обслуживания с распределенной очередью сводится к множеству систем типа
МІМ III п, для анализа которых можно использовать известные соотношения теории массового обслуживания.
Для решения задачи адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот необходимо найти распределение
// = (// ,...,//^,...}/*), интенсивностей обслуживания, которое обеспечивает наилучшие показатели качества обслуживания: время доставки и пропускную способность.
Третья глава посвящена разработке алгоритмов аналитического и имитационного моделирования, а также алгоритма решения задачи повышения производительности сети GPRS/EDGE. При этом учитываются следующие параметры: количество абонентов N; количество классов приоритета К; количество каналов, отведенных под пакетную передачу данных т; вероятность ошибки на бит - BER; средняя длительность информационного пакета Т в относительных единицах времени, равных длительности одного радиоблока форматной структуры кадра GPRS, (ОЕВ); емкости буферов щ', ограничения на количество повторных передач пакетов к-х классов приоритета а,*; скважность передачи запросов /-ми абонентами $,-, где/ = ІД к = Щ.
В четвертой главе приведены результаты моделирования.
На основе построенных в главе 2 методик и разработанных в главе 3 алгоритмов автором разработаны программные средства для аналитического и имитационного моделирования, а также для решения задачи повышения эффективности использования канала за счет адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот в телекоммуникационных сетях с технологией GPRS/EDGE..
Полученные в результате моделирования зависимости помогают оценить качество функционирования сети GPRS/EDGE, а адаптивное
распределение сетевых ресурсов улучшить пропускную способность канала в 1,89 раза.
В заключении диссертации сформулированы основные выводы и полученные результаты.
В приложениях содержатся акты внедрения результатов диссертационного исследования и листинги программной реализации задачи анализа, моделирования и адаптивного регулирования параметра распределения полосы частот вероятностно-временных характеристик сетей множественного доступа.
Вероятностно-временные характеристики телекоммуникационных сетей
Качество функционирования сетей множественного доступа определяется вероятностно-временными характеристиками (ВВХ), основными из которых являются: производительность сети, её пропускная способность (максимальная производительность), вероятность потери сообщения, среднее время доставки сообщения, средняя и пиковая скорости передачи [26, 53].
Особый интерес представляют ВВХ канального уровня сетей передачи данных. Канальный уровень определяет правила совместного использования узлами сети физического уровня. Протоколы этого уровня определяют, каким образом биты информации организуются в логические последовательности (пакеты, кадры, фреймы), а также расположение и вид контрольной информации (заголовки и концевики). Этот уровень структурирован по двум подуровням: управлению доступом к среде - MAC (Media Access Control) и управлению логической связью - LLC (Logical Link Control) [ЗО, 37].
Задача подуровня MAC заключается в распределении среды с множественным доступом между различными узлами сети. Для этого существует множество протоколов - правил, по которым осуществляется управление разрешением на передачу информации для сетевых устройств. Эти правила получили название протоколов множественного доступа [68].
Протокол MAC управления множественным доступом, получивший название простая (pure) Aloha, был впервые предложен Н. Абрамсоном в 1970 году для обеспечения доступа в вычислительный центр Гавайского университета (США) пользователям, находящимся на островах Гавайского архипелага [1, 10, 19]. Временная диаграмма процесса обслуживания в сети с протоколом простая Aloha изображена на рисунке 1.1. Здесь Т -фиксированная длительность одного пакета, интервал коллизии (наложения нескольких пакетов) стремится к 2Т.
В 1972 году Дж. Роберте предложил широко известный протокол тактированная (slotted) Aloha (рисунок 1.2), производительность которого: На рисунке 1.2 длина такта Т равна фиксированной длительности пакета. При этом интервал коллизии всегда будет равен Ґ(пакеты полностью перекрывают друг друга).
Следующий фундаментальный вклад в технику MAC был сделан в 1975 году американскими учеными J1. Клейнроком и Ф. Тобаги, которые предложили несколько разновидностей классического протокола множественного доступа с прослушиванием несущей CSMA (Carrier Sense Multiple Access) [5-8]. В этих протоколах абоненты, прежде чем начать передачу, прослушивают канал, чтобы определить, свободен ли он. Усовершенствованием данного протокола является множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), По сравнению с Aloha протоколы с прослушиванием несущей дают лучшие значения пропускной способности: до 98% при длине пакета 12000 бит [23, 24, 62].
В настоящее время в пакетной радиосвязи и спутниковой связи нашли применение методы свободного (СД), контролируемого (КД) и смешанного доступа [15, 68].
Механизмы свободного доступа описаны выше. Под контролируемым доступом понимается взаимно координируемый, упорядоченный и управляемый (централизованно либо на распределенной основе) способ пользования коллективными ресурсами общей среды, при котором исключаются коллизии [9-13, 22].
Основные механизмы КД: — синхронно-временное (СВР) либо программируемое (ПВР) разделение, или фиксированный доступ; — опрос (циклический либо петлевой); — передача полномочий (маркерное кольцо, маркерная шина); — резервирование и др. Синхронно-временное разделение, или фиксированный доступ Каждой абонентской станции выделяется один или несколько временных интервалов для передачи независимо от того, есть ли у нее информация (рисунок 1.3).
Общая характеристика технологии GPRS
Пакетная радиосвязь общего пользования GPRS (General Packet Radio Service) - надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не по затраченному времени [4,40,48].
На структурном уровне систему GPRS можно разделить на три части: подсистему базовых станций (BSS - Base Station Subsystem), подсистему коммутации (NSS - Network and Switching Subsystem) и опорную сеть GPRS (GPRS Core Network).
Архитектура сети с технологией GPRS представлена на рисунке 2.1 [65, 82]. К элементам NSS относятся: MSC (Mobile Switching Center - Центр Мобильной Коммутации) — это специализированная автоматическая телефонная станция, обеспечивающая возможность связи с коммутацией каналов, управления мобильностью и предоставления сервисов GSM для мобильных телефонов внутри зоны своего обслуживания.
HLR (Home Location Register - Регистр Местоположения) — это централизованная база данных, которая содержит информацию о каждом абоненте данной сети [27, 50]. Архитектура GPRS VLR (Visitors Location Register - Регистр Перемещения) — это временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия определённого MSC/VLR. Каждая базовая станция в сети приписана к определенному VLR, так что абонент не может присутствовать в нескольких VLR одновременно. Элементы составляющие BSS: BSC (Base Station Controller - Контроллер Базовой Станции) — аппаратура управления базовыми станциями. BTS (Base Transceiver Station — приемопередатчик базовой станции) — аппаратура, которая обеспечивает покрытие и предоставление услуг радиосвязи в определённой географической зоне между сетью и мобильными терминалами (MS - Mobile Subscriber).
Ядро системы GPRS (GPRS Core Network) состоит из двух основных блоков - SGSN (Serving GPRS Support Node - узел поддержки GPRS/узел обслуживания абонентов) и GGSN (Gateway GPRS Support Node - шлюзовой узел GPRS).
BSS и NSS относятся к технологии GSM и единственным новым блоком, необходимым для перехода к технологии GPRS, является PCU (Packet Control Unit - устройство контроля пакетной передачи). PCU стыкуется с контроллером базовых станций BSC и отвечает за направление трафика данных непосредственно от BSC к SGSN [102].
Основная идея GPRS заключается в эволюционном развитии на платформе мобильных сетей 2-го поколения GSM, использующих коммутацию каналов (КК), технологий коммутации пакетов (КП), с целью эффективного предоставления новых, высокоскоростных, по сравнению с 2G GSM, услуг передачи данных, видео, доступа в Internet и т.п. [4]. Технология GPRS в состоянии поддерживать сквозную передачу «порт-порт» на скорости до 160 Кбит/с интегрального пакетного (bursty) трафика (реально скорость передачи достигает 53,6 Кбит/с).
На рисунке 2.2 изображены стеки протоколов для обмена информацией между элементами сети GPRS [84].
Конкретный состав стека протоколов зависит от того, между какими элементами осуществляется взаимодействие.
В сквозном соединении используются протоколы IP/X.25/X.75 в опорной сети и КП-ориентированные протоколы управления множественным доступом к радиосреде (Medium access control based on packet switching -MAC/PS) и управления радиоканалом (Radio link control based on packet switching - RLC/PS) [17]. В отличие от технологии коммутации каналов КК, ресурсы радиоканала с КП распределяются не статически, на время сеанса связи, и одновременно в обоих направлениях дуплекса, а динамически, на интервал передачи одного или нескольких IP пакетов, в одном, актуальном на момент распределения, направлении дуплекса. Функциями протокола RLC являются сегментация, реассемблирование модулей пакетированных данных подуровня управления каналом (LLC PDUs), обнаружение ошибок и селективный автоматический запрос повторения (АЗП) передач ошибочных блоков (SR-ARQ - Selective Repeat-Automatic Repeat Request) в сочетании с запросами определенного QoS. Подуровень MAC/PS управляет множественным доступом, или параллельным распределением временных слотов общего радиоканала (common channel) одновременно для пакетов многих мобильных станций (MS). Иными словами, подуровень MAC/PS организует распределенное статистическое мультиплексирование пакетного трафика многих MS в радиоканале коллективного пользования [11].
SGSN и GGSN взаимодействуют между собой с помощью протокола туннелирования (GTP - GPRS Tunneling Protocol). Он определяет передачу протокольных блоков данных (PDU - Protocol Data Unit) через связывающую SGSN и GGSN магистральную сеть GPRS. Заголовок GTP содержит информацию о мобильном абоненте и идентификатор контекста пакетного протокола (PDP - Packet Data Protocol), т. е. используемого пользователем протокола (IP или Х.25). GTP функционирует поверх IP, таким образом, магистральной сетью GPRS может быть любая сеть с поддержкой IP, такая, как Ethernet, ATM и т. п.
Построение модифицированного алгоритма аналитического моделирования ВВХ сетей GPRS/EDGE
На основе формализованного представления задачи моделирования вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей и в соответствии с этапами метода БИН была разработана схема модифицированного алгоритма решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок, которая приведена на рисунке 3.2.
Решение уравнения баланса интенсивностей нагрузок относительно промежуточного параметра F - канального трафика дает возможность вычислить парциальные интенсивности нагрузок в сечениях сети, выраженные через этот параметр.
Для нахождения решения уравнения и исключения промежуточного параметра используется численный метод Гаусса-Ньютона - это класс методов для решения нелинейных задач наименьших квадратов. В общих чертах, этот метод использует матрицу Якобиана J/7 = —- производных dxj первого порядка функции / для нахождения вектора значений параметра, который минимизирует остаточные суммы квадратов (сумму квадратных отклонений предсказанных значений от наблюдаемых) [104]. Следующее приближение вектора х: xt+l = х + Ах , где Ах = (J(x )T JV Г1 J {Xі )т (Y - /(х()).
Целью моделирования является оценка качества функционирования телекоммуникационной сети - т.е. получение в результате модельного эксперимента вероятностно-временных характеристик (средней задержки передачи, вероятности смешанных потерь, производительности и пропускной способности системы).
Разработка имитационной модели (ИМ) процессов обслуживания пакетов сообщений в ТКС GPRS/EDGE базируется с одной стороны на диаграмме протоколов МАС/LLC GPRS (рисунок 2.4), с другой стороны на состояниях вероятностного графа процедур смешанного доступа (рисунок 2.7). Таким образом, в основу построения имитационной модели положены комбинированные принципы At и особых состояний.
Главные положения при построении ИМ: - отображение абонентских мобильных станций структурными элементами модели; - отображение каналов, выделенных под пакетную передачу данных, соответствующими объектами модели; отображение служебных и информационных пакетов соответствующими объектами модели. Основными объектами модели являются: Transmitt() - программные процессы; LocBufPrior() - локальные приоритетные очереди пакетов; ComBufPriorQ - общая приоритетная очередь; Packet - пакеты.
Каждой системе обслуживания в имитационной модели соответствует ее описание на языке программирования, называемое программным процессом. Состояние процесса, когда в нем реализуется некоторая последовательность действий, называется активным. Пассивным является состояние процесса, ожидающего выполнения условий его активации, например, постановки заявки в очередь запросов, передачи запроса, получения разрешения и т.д.
Очереди служат для хранения ожидающих обслуживания пакетных данных в соответствии с их приоритетом. Низкоприоритетные пакеты могут вытесняться из ограниченных очередей, как локальных, так и общей, при поступлении данных более высокого приоритета.
Основной единицей (объектом) ИМ является пакет (служебный или информационный), обладающий следующими свойствами: ArriveTime - время поступления; Priority - класс приоритета; Length - длительность в ОЕВ; RequestTime - время передачи запроса; AttemptTime - время очередной попытки передачи информационного пакета; Number - количество неудачных попыток передачи пакета; TransmittTime - время окончания успешной передачи. На вход модели сети подается нагрузка G, которая представляет собой пуассоновский поток пакетов, измеряется в Эрлангах и изменяется от 0 до 1. Модельное время измеряется в ОЕВ. Исходными данными для моделирования являются: L - количество расчетных точек; ModelTime - время моделирования; т - количество каналов, отведенных под пакетную передачу данных в форматной структуре GPRS, надстроенной над GSM; К - количество классов приоритетного обслуживания; Пік - емкости буферов под пакеты А го класса приоритета i-x мобильных абонентов; dik - ограничения на количество повторных передач пакетов А:-го класса приоритета i-x мобильных абонентов; BER - показатель качества канала - вероятность ошибки на бит. Выходными данными модели являются: D - среднее время доставки пакета в сети (ОЕВ); (То- дисперсия времени доставки пакета в сети; R - вероятность смешанных потерь; -производительность системы (Эрл); С - пропускная способность сети как максимальная производительность (Эрл).
Применение языка Matlab для решения поставленных задач
В соответствии с технологией разработки программного обеспечения проектирование создаваемого программного продукта начинается с определения его структуры. Для этого разрабатывается функциональная схема, несущая информацию о компонентах программного продукта и потоках данных как внутри него, так и внешних по отношению к данному программному средству.
Функциональная схема пакета программ анализа, моделирования и улучшения вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети GPRS/EDGE представлена на рисунке 4.1.
Интерфейс пользователя предлагает выбор из трех, представленных функций, а также ввод общих исходных данных.
Общими исходными данными моделирования являются: L - количество расчетных точек; е- точность вычислений; т - количество каналов, отведенных под пакетную передачу данных; К - количество классов обслуживания; ВЕК- вероятность ошибки на бит; т- средняя длительность информационного пакета; Щк- емкости буферов; сій - ограничения на количество повторных передач пакетов к-х классов приоритета; sr скважность передачи запросов /-ми абонентами. После ввода исходных данных и выбора типа задачи запускается одна из функций: - аналитическое моделирование - программа «Баланс интенсивностей нагрузок»; - имитационное моделирование - программа «Имитация процесса обслуживания пакетных сообщений»; - задача улучшения ВВХ - программа «Адаптивное распределение ресурса».
Каждая из задач допускает ввод характерных для нее исходных данных, для чего используются экранные формы.
Результаты выполнения каждого и из трех программных модулей могут по выбору пользователя сохраняться в виде файла на жестком диске с последующим выводом, либо сразу выводиться на экран в виде графиков и таблиц данных.
В соответствии с методологией объектного и модульного программирования разрабатывается диаграмма потоков данных (Data Flow Diagram) для спецификации функций разрабатываемого программного продукта и обрабатываемых ими данных.
Полученные диаграммы потоков данных задачи моделирования и улучшения вероятностно-временных характеристик телекоммуникационных сетей с технологией GPRS/EDGE представлены на рисунке 4.2.
Контекстная диаграмма потоков данных (рисунок 4.2 - а) показывает взаимодействие пакета программ с пользователем, детализирующая (рисунок 4.2 - б) иллюстрирует межмодульные взаимодействия.
Основу программной реализации составила технология объектно-ориентированного программирования в сочетании с модульным подходом к разработке программного обеспечения.
Назначение. Пакет программ предназначен для получения вероятностно-временных характеристик канального уровня сетей GPRS/EDGE: производительности и пропускной способности канала - для оценки эффективности; среднего времени доставки пакетов - для оценки оперативности и вероятности смешанных потерь пакетов - для оценки надежности функционирования сети.
Общие сведения. Пакет программ работает в системе Matlab на любом IBM совместимом компьютере под управлением операционной системы Windows 95/98/2000/ХР. Вызов и загрузка. Для вызова программы в среде Matlab необходимо набрать «Start» в командной строке.
