Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ принципов организации, моделирова-ния и оптимизации протоколов RLC/MAC сетей пакет-ной радиопередачи 15
1.1 Анализ и сравнение существующих моделей протоколов RLC/MAC 16
1.2 Анализ функционирования протоколов RLC/MAC. Вы-явление путей совершенствования, эффективного исполь-зования и возможностей оптимизации 18
1.2.1 Анализ канального уровня сети пакетной радиопередачи 18
1.2.2 Анализ параметров заголовков и регистров 26
1.2.3 Исследование процедур приема/передачи блоков RLC/MAC 29
1.2.4 Анализ и систематизация RLC/MAC счетчиков и таймеров 33
1.2.5 Выбор параметров для оптимизации 36
1.3 Постановка задачи моделирования 37
Глава 2. Формализация сетевых параметров и разра-ботка аналитической модели канального уровня сети пакетной радиопередачи 41
2.1 Разработка обобщенной аналитической модели сети пакетной радиопередачи 41
2.1.1 Общие положения 41
2.1.2 Скорость передачи информации 43
2.1.3 Учет потерь избыточности 44
2.1.4 Требуемое количество RLC/MAC пакетов 44
2.1.5 Пропускная способность узла коммутации 45
2.1.6 Вероятность потерь пакетов RLC/MAC 45
2.2 Разработка марковской модель системы пакетной ра-диопередачи
2.2.1 Введение 54
2.2.2 Марковская цепь 54
2.2.3 Дискретный марковский процесс 57
2.2.4 Марковский процесс для сложной функции 58
2.2.5 Показатели производительности системы 63
2.2.6 Критерии качества обслуживания 63
2.3 Описание и формализация показателей QoS канального уровня сети пакетной радиопередачи 65
2.3.1 Общие положения 65
2.3.2 Вероятность потери пакета в очереди входного буфера с учетом ARQ трафика 65
2.3.3 Вероятность потери пакета при передачи с использованием механизмов ARQ 68
2.3.4 Задержки и потери системы для разных классов качества обслуживания 69
2.3.5 Приоритетная очередь с двумя классами QoS 70
2.3.6 Система с мультиклассовыми очередями 71
2.4 Детализация аналитической модели зависимостями от протокольных параметров RLC/MAC уровня 73
2.4.1 Общие положения 73
2.4.2 Задержки вносимые механизмом окна мобильной станции 74
2.4.3 Задержки вносимые механизмом ARQ 75
2.4.4 Задержки вносимые совместным влиянием механизмов ARQ и окна MS 77
2.4.5 Задержки вызванные необходимостью повторного установ-ления соединения2.5 Выводы по главе 2 7779
Глава 3. Разработка программного обеспечения для анализа, моделирования и оптимизации протоколов канального уровня пакетной радиопередачи 80
3.1 Программная реализация аналитической модели 81
3.1.1 Общие положения 81
3.1.2 Описание структуры модели 81
3.1.3 Описание программного интерфейса 91
3.2 Имитационная модель протоколов RLC/MAC 92
3.2.1 Описание структуры модели 92
3.2.2 Описание программного интерфейса 94
3.2.3 Блок отображения временного блочного потока 95
3.2.4 Блок отображения задаваемых и измеряемых параметров 96
3.2.5 Блок отображения сетевой архитектуры и движения MS 98
3.3 Результаты моделирования 99
3.3.1 Модель поступления вызовов 99
3.3.2 Модель поступающей нагрузки 99
3.3.3 Запрашиваемая пропускная способность 100
3.3.4 Сегментация LLC пакетов 103
3.3.5 Распределение ресурсов 104
3.3.6 Скорость передачи информации 105
3.3.7 Описание радиоканала 108
3.3.8 Режим без подтверждения 109
3.3.9 Режим с подтверждением 111
3.3.10 Производительность системы 113
3.3.11 Влияние таймеров на производительность системы 114
3.3.13 Итоговая сетевая статистика 115
3.4 Выполнение оптимизации протоколов RLC/MAC 117
3.4.1 Общие положения 117
3.4.2 Выполнение оптимизации 118
3.4.3 Сравнение результатов
3.5 Выводы по главе 3 120123
Глава 4. Разработка протокола информационного обмена на базе пакетной радиопередачи и его внедрение в реальную сетевую инфраструктуру 124
4.1 Нахождение предварительных значений протоколь-ных параметров 125
4.1.1 Общие положения 125
4.1.2 Задержки механизма окна мобильной станции 125
4.1.3 Задержки вносимые механизмом ARQ 129
4.1.4 Задержки вносимые настройкой таймера Т3169 131
4.1.5 Задержки вызванные необходимостью повторного установ-ления соединения при истечении таймера Т3182 133
4.2. Разработка протокола взаимодействия с сетями па-кетной радиопередачи 135
4.2.1 Описание протокола взаимодействия с сетями пакетной ра-диопередачи 135
4.2.2 Описание проводимого эксперимента 139
4.2.3 Программа и методика испытаний 140
4.2.4 Результаты испытаний 145
4.2.5 Рекомендации по настройке протокольных счетчиков и таймеров4.3 Выводы по главе 4 148150
Заключение 151
Список используемой литературы 152
- Анализ функционирования протоколов RLC/MAC. Вы-явление путей совершенствования, эффективного исполь-зования и возможностей оптимизации
- Разработка марковской модель системы пакетной ра-диопередачи
- Блок отображения сетевой архитектуры и движения MS
- Задержки вносимые механизмом ARQ
Введение к работе
Актуальность темы. При внедрении современных сетей сотовой связи с технологией пакетной радиопередачи (General Packet Radio Service - GPRS) встает задача оптимизации процедур использования ограниченных ресурсов радиоканала, при обеспечении необходимого уровня качества обслуживания (Quality of service - QoS).
Анализ состояния проблемы показал, что большинство практически важных алгоритмов, связанных с обработкой пакетных данных на всех уровнях стека протоколов используются недостаточно эффективно. Установка большего числа протокольных режимов и параметров качества обслуживания в сетях действующих операторов мобильной связи осуществляется «по умолчанию» и тем самым не обеспечивается эффективная адаптация параметров протоколов при передаче разнородного трафика, не учитываются требования по обеспечению гарантированного качества услуг, задаваемого профилем QoS.
Актуальными являются методы, позволяющие производить настройку и оптимизацию параметров канального уровня протокольного стека сетей пакетной радиопередачи. Уровень RLC/MAC характеризуется большим количеством параметров, настройка значений которых может обеспечить существенное улучшение показателей качества обслуживания при ограниченных системных ресурсах.
На сегодняшний день существует достаточно большое количество моделей систем мобильной связи с технологией пакетной радиопередачи GPRS/EDGE, UMTS, в которых протоколы канального уровня моделируются с той или иной степенью детализации.
Среди зарубежных ученых занимающихся проблемами моделирования сетей пакетной радиопередачи следует отметить Roger Kalden, Christoph Lindemann, Dirk Staehle , Kenji Leibnitz и Konstantin Tsipotis и др.
В России исследованию проблем моделирования телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи посвящены работы Мархасина А.Б., Фалина Г.И., Назарова А.А., Кокоревой Е.В. и др. Большинство моделей сетей пакетной радиопередачи строятся на основе аппарата теории телетрафика, марковских процессов (работы В.А. Ефимушкина, Т.В. Ледовских, A. Samhat, T. Chahed, W. Li и др.). В моделях учитывающих более детальные параметры стека протоколов используются методы как аналитического, так и имитационного моделирования ( работы В.Д. Боева, Д.И. Кирика, Д.Ю. Каталевского, M. Ivanovich, P. Fitzpatrick и др.). Обширный класс работ исследует механизмы автоматической ретрансляции блоков принятых с ошибками (работы В.И. Неймана, Z. Quan, J. Wall, D. Eun и др.). Значительная часть работ направлена на исследования параметров качества обслуживания и соответственно различных механизмов обработки очередей образующихся в системных буферах (работы B. Moon, Z. Quan, J. Chung, Y.Khan и др.). Ряд моделей строятся с целью предложить альтернативу существующим стандартизованным протоколам сетевого стека (работы Л.А. Семенова, М.В. Гарова, H. Kim, X. Qiu и др.).
Однако в известных моделях не в полной мере учитываются требования по обеспечению гарантированного качества обслуживания, задаваемого профилем QoS, также существующие модели не позволяют в полной мере варьировать обширными параметрами протокольного стека. Таким образом, разработка метода по моделированию и оптимизации канального уровня сетей пакетной радиопередачи, основанного на наиболее полном описании протокольного стека и учитывающего вид передаваемого трафика и требования к параметрам QoS при передаче разнородной информации, является актуальной и востребованной задачей на современном этапе развития мобильных инфокоммуникаций.
Цель и задача диссертации
Основная цель диссертационной работы:
Улучшение основных показателей качества обслуживания на канальном уровне в мобильных сетях пакетной радиопередачи на основе разработки моделей и метода оптимизации параметров протоколов RLC/MAC.
Основная задача научных исследований:
Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения основных показателей качества обслуживания на основе аналитической и имитационной моделей.
Основная задача диссертационной работы может быть решена посредством решения следующих подзадач:
1. Анализ характеристик и выявление путей совершенствования протоколов RLC/MAC в современных сетях пакетной радиопередачи;
2. Разработка аналитической модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи основанной на процессе Пуассона модулированного марковским, включающей зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня;
3. Разработка имитационной модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи;
4. Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи обеспечивающего улучшение основных показателей качества обслуживания;
5. Разработка протокола взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, разработка экспериментального стенда и анализ эффективности предлагаемых решений.
Методы исследований
Для решения поставленных задач использовались методы теории вероятности и математической статистики, теории марковских процессов, теории моделирования случайных процессов, теории телетрафика, теории сетей связи.
Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения реализованного в программной среде Borland Delphi Enterprise 6.0 и Any Logic 5.4 и созданного экспериментального стенда.
Научная новизна и результаты
В ходе диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня. Найдены вероятностные характеристики марково-модулированного процесса, а также итоговые показатели качества обслуживания;
2. Разработана имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели качества обслуживания;
3. Разработан метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения показателей QoS;
4. Разработан новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, позволяющий оптимизировать характеристики канального уровня. Результаты экспериментальной проверки разработанного протокола свидетельствуют об улучшении основных показателей качества обслуживания.
Достоверность полученных результатов определяется:
1. Согласованностью результатов полученных на основе аналитической и имитационной модели для различных сетевых конфигураций, с известными данными, взятыми из независимых и проверенных источников.
2. Согласованностью полученных зависимостей показателей качества обслуживания от основных параметров канального уровня с характерными для сетей пакетной радиопередачи закономерностями.
3. Использованием экспериментальных данных, полученных при оптимизации взаимодействия специализированной системы под управлением разработанного протокола ASTRA-L с сетями пакетной радиопередачи.
4. Успешным внедрением разработанного метода, обеспечившим улучшение в среднем на 15% по основным показателям качества обслуживания.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на практическое применение при проектировании телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи. Проведенные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу создания программного обеспечения по моделированию и оптимизации телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программных средств. Самостоятельное практическое значение имеют:
1. Метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающий улучшение основных показателей QoS.
2. Программное обеспечение, позволяющее производить анализ и оптимизацию протоколов канального уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.
3. Новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, позволяющий оптимизировать характеристики протоколов канального уровня.
Результаты проведенных исследований были внедрены при разработке комплекса охранно-пожарной сигнализации «Астра». GPRS модуль под управлением разработанного протокола ASTRA-L взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи запущен в опытное производство, а также в учебном процессе кафедры РТС КНИТУ-КАИ при создании новых лабораторных работ по направлению 210700 “Инфокоммуникационные технологии и системы связи”. Использование результатов работы подтверждено соответствующими актами внедрения в научно-техническом центре ЗАО НТЦ «ТЕКО», и в КНИТУ-КАИ.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня.
2. Имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели QoS.
3. Метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающий улучшение основных показателей QoS.
4. Программное обеспечение по анализу и оптимизации протоколов канального уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.
5. Протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи и результаты его экспериментальной проверки.
Апробация работы
Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань 2005, 2006 гг.); VI и VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань 2007 г., Санкт-Петербург 2009 г.); IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Казань 2008 г.); V, VI и VII ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань 2007, 2008, 2009 гг.); VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань 2011 г.).
Публикации
Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 10 печатных работах, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации
Анализ функционирования протоколов RLC/MAC. Вы-явление путей совершенствования, эффективного исполь-зования и возможностей оптимизации
Среди зарубежных ученых занимающихся проблемами моделирования се-тей пакетной радиопередачи следует отметить Roger Kalden, Christoph Linde-mann, Dirk Staehle , Kenji Leibnitz и Konstantin Tsipotis и др. [22, 23, 29, 51 ]. В России исследованию проблем моделирования телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи посвящены работы Мархасина А.Б., Фалина Г.И., Назарова А.А., Кокоревой Е.В. и др. [1, 2, 10, 52-57].
Большинство моделей сетей пакетной радиопередачи строятся на основе аппарата теории телетрафика, марковских процессов (работы В.А. Ефи-мушкина, Т.В. Ледовских, A. Samhat, T. Chahed, W. Li и др.) [14, 35]. Типичным представителем подобных работ является модель Роджера Кал-дена [22]. Модель развивалась в течение трех лет параллельно с процессом стандартизации технологии GPRS. С самого начала предполагалось заострить внимание на радиоинтерфейсе и на инфраструктуре Internet, так как именно они вносят основные задержки и потери в систему. Дополнительные задержки, вно-симые ядром сети являются незначительными, по этой причине во внимание приняты только задержки в магистральной части сети пакетной радиопередачи. Кроме того были подобраны подходящие модели телефонной нагрузки (трафи-ка) описывающие поведение пользователя и характеристики прикладного уров-ня.
В модель были включены все узлы, характерные для плоскости передачи: терминальное оборудование, MS, BSS, SGSN, GGSN, и сервер сети Internet. Так как моделируется только одна ячейка и одна несущая частота, функции мо-бильности и хэндовера были исключены.
В результате был смоделирован весь протокольный стек, за исключением протоколов, ответственных за передачу внутри ядра сети, из-за их незначитель-ного влияния на рассматриваемые характеристики. Также были разработаны модели трафика для типичных приложений Internet типа просмотра web прило-жений, почтовой службы и передачи файлов. Представленные результаты мо-делирования обеспечивают понимание зависимости пропускной способности системы от числа пользователей в сети, которые могут быть обслужены при на-личии отведенного ресурса. Кроме того, исследовано влияние различных схем кодирования при различных условиях радиоканала. Показано, что конечные пользователи имеют широкий разброс скоростей передачи, при использовании мобильного доступа к Web ресурсам.
Недостатком подобных моделей является то, что они позволяют находить общие характеристики системы (вероятности потери пакета, средний размер очередей системы, системные задержки, среднюю скорость передачи информа-ции и др.), но не дают возможности проследить поведение сети при изменении более тонких настроек, таких как, например, протокольные параметры.
Ряд моделей [39, 40] направлен на выведение универсальных законов для систем мобильной радиопередачи подобных законам Эрланга для телефонных сетей связи, соответственно с получением зависимостей вероятностей блоки-ровки вызовов в зависимости от количества предоставляемых каналов трафика. К данному классу работ можно отнести модель Дж. Линдермана, А. Тхумлера [23]. Данная работа позволяет производить всестороннее изучение вопросов со-вместного использования ресурсов в мобильных сетях пакетной передачи дан-ных. Причем при моделировании учитываются не только фиксированные кана-лы, постоянно распределенные для системы, но и каналы предоставляемые сис-теме при наличии свободного ресурса. Наиболее важным является исследова-ние зависимости количества пакетных каналов, зарезервированных для пользо-вателей, на работу всей сети в целом. Недостатком подобных работ является осуществление только аналитиче-ского моделирования, которое не может учесть всего многообразия параметров и факторов, воздействующих на систему. При описании сетевой нагрузки ис-пользуются модели Пуассона, которые не могут в полной мере учесть всех осо-бенностей пакетного трафика. Это приводит к достаточно большим погрешно-стям при применении результатов в реальных сетях связи.
В моделях учитывающих более детальные параметры стека протоколов ис-пользуются методы как аналитического, так и имитационного моделирования (работы В.Д. Боева, Д.И. Кирика, Д.Ю. Каталевского, M. Ivanovich, P. Fitzpatrick и др.) [15, 16]. Обширный класс работ исследует механизмы автома-тической ретрансляции блоков принятых с ошибками (работы В.И. Неймана, Z. Quan, J. Wall, D. Eun и др. [17,38].
Также значительная часть работ направлена на исследования параметров качества обслуживания и соответственно различных механизмов обработки очередей образующихся в системных буферах (работы B. Moon, Z. Quan, J. Chung, Y.Khan и др.) [17, 38]. К подобным работам относится совместное ис-следование немецких и английских ученых Д. Сташли. К. Лейбница и К. Тси-потса [51]. Целью работы было исследование взаимодействия протоколов TCP и RLC, а также вопросы качества доступа к ресурсам WWW посредством сис-темы GPRS/EDGE. Параметры качества оценивались с точки зрения времени загрузки Web страниц, а также ширины полосы частот необходимой при пере-дачи.
По сравнению с моделями Калдена и Линдермана, в данном случае поведе-ние пользователя более детализировано. В частности рассмотрено влияние ха-рактера контента на запрашиваемые ресурсы сети.
В целом модель сети GPRS/EDGE схожа с первым рассмотренным имита-тором. В ней также наиболее подробно разобрано взаимодействие между мо-бильной и базовой станциями, но в данном случае взаимодействие базовой станции с остальными узлами системы также учтено в виде системных задер-жек.
В данном случае моделируется одна ячейка с тремя выделенными частота-ми (в модели Роджера Калдена рассматривается только одна выделенная часто-та), что предполагает более сложный алгоритм обработки ввиду увеличения за-действованных протокольных функций. Также в модели учтены все четыре схемы кодирования и различные мультислотовые возможности мобильных терминалов по линиям вверх и вниз.
Данные модели не позволяют в полной мере учитывать многообразные характеристики протокольного стека. Ряд моделей строятся с целью предложить альтернативу существующим стандартизованным протоколам стека пакетной радиопередачи, которая обес-печивала бы лучшую производительность и являлась бы более эффективной (работы Л.А. Семенова, М.В. Гарова, H. Kim, X. Qiu и др.) [18, 36, 48]. Однако в известных моделях не в полной мере учитываются требования по обеспече-нию гарантированного качества обслуживания, задаваемого профилем QoS, также существующие модели не позволяют в полной мере учитывать обширные параметры протокольного стека пакетной радиопередачи. Таким образом, разработка метода по моделированию и оптимизации ка-нального уровня сетей пакетной радиопередачи, основанного на полноценном описании протокольного стека и учитывающего вид передаваемого трафика и требования к параметрам QoS при передаче разнородной информации, является актуальной и востребованной задачей на современном этапе развития мобиль-ных инфокоммуникаций.
Разработка марковской модель системы пакетной ра-диопередачи
Основная задача научных исследований - разработка метода выбора и оп-тимизации параметров протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения основных показателей качества обслуживания на основе ана-литической и имитационной моделей. Данная задача может быть решена посредством решения следующих под-задач:
1. Анализ характеристик и выявление путей совершенствования протоколов RLC/MAC в современных сетях пакетной радиопередачи.
На уровне RLC/MAC существует большое количество счетчиков и тайме-ров настройка значений которых может обеспечить большую пропускную спо-собность сети для операторов, а также существенно повысить качество связи для конечного пользователя, при тех же дефицитных ресурсах.
2. Разработка аналитической модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи основанной на процессе Пуассона модулированного марков-ским, включающей зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня.
Основой аналитической модели является процесс Пуассона моделирован-ный марковским (MMPP процесс). Нахождение матрицы установившихся со-стояний для подобной марковской цепи является непростой задачей, так как система в каждом состоянии зависит от множества переменных т.е. имеет век-торную структуру. Для нахождения безусловных вероятностей установившихся состояний таких систем используются матрично – геометрические методы ре-шений. Преимуществом в данном случае является наиболее полное аналитиче-ское описание сетевого поведения, с возможностью варьирования большого ко-личества ключевых параметров.
3. Разработка имитационной модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи. Ввиду того, что аналитическое моделирование процессов, протекающих в сетях передачи данных, является достаточно сложным и зачастую не может учесть всего многообразия параметров и факторов, воздействующих на систе-му, предполагается использование методик имитационного моделирования. Имитационная модель позволяет воспроизвести весь процесс функциониро-вания сети с сохранением логической структуры, связи между явлениями и по-следовательности протекания их во времени. Имитационная модель позволяет учесть большое количество реальных деталей функционирования моделируе-мого объекта и является незаменимым средством для проведения верификации полученных аналитических зависимостей, исключая необходимость в дорого-стоящих экспериментах на реальном оборудовании.
Для создания имитационной модели была выбрана среда имитационного моделирования Any Logic. Данный продукт ориентирован на моделирование широкого круга задач. Основными строительными блоками модели AnyLogic являются активные объекты, которые позволяют моделировать любые объекты реального мира. Чтобы создать модель AnyLogic необходимо создать классы активных объектов и задать их взаимосвязи. AnyLogic интерпретирует классы активных объектов, создаваемые пользователем графически, в классы Java. По-этому разработчик модели может пользоваться всеми преимуществами объект-но-ориентированного моделирования: наследование, полиморфизм и т.д.
4. Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи обеспечивающего улучшение основ-ных показателей качества обслуживания.
В силу того, что мобильные сети пакетной передачи данных работают в ос-новном совместно с сетями с коммутацией каналов, в модели необходимо учесть поведение абонентов обоих сетей. Средняя частота поступления вызовов подчиняется закону Пуассона со средними pack и chan соответственно [23]:
Будем считать, что всего каналов доступных в ячейке N, каналов постоян-но отданных под сеть пакетной радиопередачи – Npack, под сеть с коммутацией каналов – Nchan. При этом необходимо учитывать, что ресурсы сети с коммута-цией каналов могут использоваться для передачи пакетного трафика, но они должны быть освобождены по первому требованию. Мобильные системы пакетной передачи данных были разработаны для об-служивания неравномерного трафика, поэтому когда абонент находится в ак-тивном режиме возможны два состояния:
Количество запросов в течении пакетной сессии случайная величина под-чиненная закону Пуассона со средним Nзап. Время ожидания между двумя включениями системы экспоненциально распределенная случайная величина со средним = 1/Тож.
Каждый запрос включает определенное количество пакетов - случайная ве-личина подчиненная закону Пуассона со средним Nпак. Время между прибыти-ем пакетов экспоненциально распределенная случайная величина со средним пак = 1/Тпак.
Таким образом, при данных условиях среднее время нахождения MS в ак-тивном режиме складывается из среднего времени передачи и среднего време-ни ожидания. Для нахождения суммарного среднего времени нахождения MS в активном режиме Тсум необходимо полученный результат помножить на сред-нее количество запросов:
Блок отображения сетевой архитектуры и движения MS
Основными строительными блоками модели AnyLogic являются активные объекты, которые позволяют моделировать любые объекты реального мира. Чтобы создать модель AnyLogic необходимо создать классы активных объектов и задать их взаимосвязи. AnyLogic интерпретирует классы активных объектов, создаваемые пользователем графически, в классы Java. Поэтому разработчик модели может пользоваться всеми преимуществами объектно-ориентированного моделирования: наследование, полиморфизм и т.д.
В рамках пакета AnyLogic были реализованы следующие сетевые компо-ненты:
Application – моделирует работу уровней стека расположенных над уровнем RLC/MAC. Задает основную нагрузку на RLC уровень в виде пакетов LLC PDU требующих дальнейшей передачи, а также принимает пакеты, поступающие от уровня RLC. Для реализации создано два класса актив-ных объектов для передачи и приема блоков соответственно; RLC/MAC – детальное моделирование уровня RLC/MAC; Channel – моделирование физического уровня; Network – моделирование сетевой архитектуры для отработки механизмов пакетной передачи данных;
User – модель поведения пользователя мобильной сети; Создание модели производится графически. Сначала на общий объект вы-носится необходимое количество узлов, затем производится их соединение и задания параметров соединения и самих узлов. Далее отдельно описывается каждый узел. Для моделирования пакета отдельного протокольного уровня создан свой класс сообщения. Инкапсуляция пакетов производится путем инкапсуляции одного класса сообщения в другой.
На рис. 3.12 представлено окно программы AnyLogic с открытым классом активного объекта протокола RLC отвечающего за работу мобильной станции. Рис. 3.12 Окно программы AnyLogic с открытым классом активного объекта протокола RLC, отвечающего за работу мобильной станции.
Детальное моделирование поведения протокола производилось по методи-ке “машины конечных состояний” с использованием стейчартов AnyLogic. Стейтчарт позволяет графически задать пространство состояний алгоритма по-ведения объекта, а также события, которые являются причинами срабатывания переходов из одних состояний в другие, и действия, происходящие при смене состояний. С помощью стейтчартов можно графически задать дискретные по-ведения объектов любой сложности. Любые действия которые должны быть выполнены по переходам стейчар-тов, по получению сообщений либо по другим событиям происходящим в сис-теме описываются на языке Java.
На рис. 3.13 представлен стейчарт протокола RLC, отвечающего за работу мобильной станции, а также показан код на языке Java, который должен быть выполнен при срабатывании одного из переходов.
Описание программного интерфейса
Основной принцип технологии анимации AnyLogic заключается в том, элементы анимации связаны с компонентами модели – активными объектами и повторяют иерархическую структуру объектов в модели. Таким образом, для каждого класса активного объекта может быть создана своя анимация. В разработанном имитаторе протоколов RLC/MAC создано большое коли-чество анимированных структур для визуализации хода моделирования и уп-рощения поиска оптимальных настроек работы модели. Вся анимация разме-щена на рабочем поле и разбита на логические группы.
На рис. 3.14 представлен общий вид рабочего поля анимации в ходе вы-полнения моделирования. Далее каждая группа будет рассмотрена в отдельно-сти.
Блок показывает движение блоков по линиям вверх (от MS к BTS) и вниз (от BTS к MS) для выбранной мобильной станции. Позволяет наблюдать со-стояния буферов и регистров RLC уровня для детального анализа потока TBF. Диаграмма ColorChartTime отображает состояние, в котором в данный мо-мент находится протокол RLC. Сигнализируется четыре состояния:
Блок отображения задаваемых и измеряемых параметров
Данный блок разбит на три части. В первой отражены параметры класса активного объекта Application моделирующего поведение протоколов верхних уровней стека и создающих нагрузку на RLC уровень. Соответственно в данном блоке представлены основные параметры интенсивности поступления заявок на передачу информации и индикаторы, которые отражают реальные значения па-раметров данного уровня в ходе моделирования.
Параметры класса активного объекта Application
Во второй части данного блока представлены задаваемые и измеряемые па-раметры протокола RLC, отвечающего за работу мобильной станции. Здесь располагаются счетчики и таймеры протоколов RLC/MAC, значения которых и нужно оптимизировать. В измеряемой части собирается статистика по блочным потокам поступающих и отправляемых пакетов, времени обслуживания и обра-ботки заявок, затратам по передачи пакетов и использованию ресурсов.
Параметры протокола RLC на стороне MS
В третьей части блока представлены задаваемые и измеряемые параметры протокола RLC на стороне сети. Здесь происходит оценка показателей QoS ко-торые были достигнуты при каждой передачи. Рис. 3.18 Параметры протокола RLC на стороне сети
Данный блок связан с классами активных объектов Network и User и необ-ходим для отработки режимов приема/передачи по протоколам RLC/MAC в различных сетевых архитектурах.
Блок позволяет задавать и измерять характеристики нужной сетевой архи-тектуры (количество мобильных и базовых станций, размер сот, зона покрытия, уровни качества обслуживания абонентов и др.)
Для изучения влияния на характеристики сетевой производительности меха-низмов доступа к среде передачи MAC уровня, в рамках данного блока модели-руются упрощенные процедуры хэндовера. Данный блок также имеет собственное поле, визуализирующее все блоки управления, передающиеся в процессе установления соединения, перемещения из соты в соту и выделения сетевых ресурсов.
Причем рассмотренные выше блоки иллюстрируют детальный процесс приема/передачи только одной MS, осуществляющий перемещения в поле по-казанном на рис. 3.19. Программа позволяет выбрать визуализацию TBF любой из моделируемых мобильных станций (в собственном поле визуализации также будут отобра-жаться только блоки выбранной MS). В левом углу данного блока содержатся итоговые характеристики каждой мобильной и базовой станции, в правом углу отображаются итоговые сетевые показатели.
Задержки вносимые механизмом ARQ
Разработан новый протокол взаимодействия с сетями пакетной радиопе-редачи, позволяющий не только использовать интерфейс протокольного стека для передачи информации, но и оптимизировать настройки сетевых протоко-лов, обеспечивая максимально возможное качество обслуживания на канальном уровне.
Проведен эксперимент по оптимизации GPRS модуля специализирован-ной системы - системы охранно-пожарной сигнализации с использованием разработанного протокола. Приводятся итоговые рекомендации по оптимизи-рованной настройке протокольного уровня RLC/MAC.
Так как для охранно-пожарных систем скорость доставки тревожных со-общений играет первостепенную роль, ставится задача вложить в протокол взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи возможности настройки са-мого протокольного стека GPRS/EDGE с целью обеспечения их оптимального взаимодействия.
При испытаниях использовался приемо-контрольный прибор А-812 со специализированной прошивкой, предназначенной для исследований взаимо-действия системы с внешними сетями связи. По приходу какого-либо сообще-ния в журнал событий А-812, прибор формирует тестовый фаил заданного размера, для передачи посредством используемой сетевой технологии. Нахож-дение оптимизированных настроек производилось при помощи созданного, в рамках диссертационной работы, имитатора. Проведенные эксперименты показали, что испытания прибора Астра – 882 с новым протоколом позволяющим оптимизировать настройки GPRS стека, дает существенный выигрыш по оперативности доставки тревожных сообще-ний, в сравнении с настройками по умолчанию.
В рамках экспериментального исследования предполагается использовать разработанный протокол взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи, по-зволяющий оптимизировать настройки сетевых протоколов, обеспечивая мак-симально возможное качество обслуживания на канальном уровне.
Данный протокол был применен в приборах Астра – 882 для управления GPRS модулем SIM300 производства компании SIMCOM.
Управление модемом осуществляет микроконтроллер по средствам АТ команд. Помимо прочих, существует большое количество команд, требующих установки конкретных параметров GPRS стека, как в самом модеме, так и на стороне сетевого оператора, предоставляющего услуги связи. Здесь следует учитывать, что если модем однозначно выполняет данные команды, устанавли-вая требуемые значения параметров, то на стороне сети подобные команды мо-гут быть и отклонены. Как упоминалось выше, чем больше область поиска, тем больше требует-ся времени на нахождение оптимизированного решения. Поэтому большое зна-чение имеют предлагаемые значения параметров, с которых начинается про-цесс поиска. Для нахождения данных предварительных значений необходимо произве-сти аналитическое и имитационное моделирование исследуемой сетевой ин-фраструктуры, сравнить и проанализировать результаты.
Задержки вносимые механизмом окна мобильной станции В разделе 2.4.2 описана зависимость скорости передачи от окна мобиль-ной станции. Подставив в формулу (2.139) Tackn = timer3169 получим:
В данном случае зависимость дискретна благодаря функции int в знаме-нателе выражения (4.1). Расчет по данной формуле не учитывает множество случайных факторов возникающих при реальной передаче. Влияние случайных параметров на работу системы приводит к тому, что зависимость (4.1) стано-вится непрерывной:
На рис. 4.1 представлена зависимость средней скорости передачи поль-зователя от окна MS, в случае фиксированного назначения каналов, при усло-вии, что для системы GPRS выделен только один PDTCH, а также с учетом то-го, что значения таймера Т3169 не вносят дополнительных задержек при пере-дачи данных. Зависимость построена для случаев дискретного и непрерывного описания.
Зависимость средней скорости передачи пользователя от окна MS Как видно, в случае дискретной модели, скорость увеличивается скачко-образно. По обеим зависимостям видно, что начиная со значений окна MS W = 352 PDU, задержки, вносимые данной технологией, сказываются незначительно и скорость приближается к максимально достижимой скорости одного PDTCH.
В ходе имитационного моделирования при варьировании значений окна мобильной станции W, были получены характеристики, представленные в таб-лице 4.1 (Pпот PDU = 0,1 Т3182 = 5 сек). Зависимость средней скорости передачи пользователя от окна MS
Как видно значения скорости, полученные в ходе имитационного моде-лирования, несколько ниже аналитически рассчитанных. Это вызвано тем, что математическая модель не может учесть всех задержек связанных с обработкой и передачей реального пакетного трафика. Между тем можно наблюдать доста-точно точное совпадение аналитических и имитационных данных.
