Разработка метода повышения пропускной способности фиксированной инфраструктуры мобильной сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Чернушевич, Ян Викторович

• Чернушевич, Ян Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернушевич, Ян Викторович

Введение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава 1 Анализ методов повышения пропускной способности в мобильных сетях.

1.1. Принципы взаимодействия в фиксированной инфраструктуре мобильной сети стандарта GSM.

1.2. Анализ принципов предоставления дополнительных услуг в условиях конвергенции стационарных и подвижных сетей.

1.3. Анализ сигнального обмена на уровне сети сигнализации.

1.4. Разработка модели для анализа обслуживания вызовов в цифровых мобильных сетях.

1.5. Анализ существующих методов повышения пропускной способности информационных сетей.

1.6. Выводы.

Глава 2 Исследование метода дифференцированного обслуживания пользователей в цифровых мобильных сетях.

2.1. Введение.

2.2. Критерии оценки эффективности использования ресурсов мобильной сети.

2.3. Анализ структурного состава абонентов мобильной сети.

2.4. Исследование сети при изменении структурного состава абонентов.

2.5. Описание модели дифференцированного обслуживания вызовов различных категорий на звене информационной сети.

2.6. Выводы.

Глава 3 Математическая модель дифференцированного обслуживания пользователей.

3.1. Введение.

3.2. Описание основной модели.

3.3. Алгоритм численного моделирования.

3.4. Приближенная многопотоковая модель.

3.5. Результаты численных исследований.

3.6. Выводы.

Глава 4 Исследование эффективности метода дифференцированного обслуживания абонентов мобильной сети на звене большой емкости.

4.1. Исследование эффективности динамического управления приоритетами

4.2. Исследование эффективности обслуживания требований с приоритетами

4.3. Исследование эффективности с учетом суточных колебаний нагрузки

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода повышения пропускной способности фиксированной инфраструктуры мобильной сети»

Актуальность темы. Мобильные сети явились одним из наиболее грандиозных технических достижений XX века. В них произошло слияние технологий традиционных стационарных телефонных сетей, технологий сетей передачи данных и технологий систем двухсторонней радиотелефонной связи с подвижными объектами. Большинство мобильных сетей в настоящее время построено на цифровых стандартах, при этом наиболее распространённым является стандарт GSM. Фиксированная инфраструктура мобильной сети по своему построению аналогична стационарной NB-ISDN сети. Она состоит из информационной (ИС) и сигнальной (СС) сетей. Однако в мобильных сетях по СС передается не только информаци по установлению соединений и предоставлению дополнительных видов обслуживания (ДВО), но и служебная информация по регистрации абонентов. В настоящее время проектирование фиксированной инфраструктуры мобильных сетей осуществляется на основании удельной нагрузки, при этом не учитывается структурный состав абонентов.

В отличие от стационарных, мобильные сети подвержены резким перекосам нагрузки, которые возникают при перемещении абонентов по зонам покрытия сети. Часто изменяется структура их взаимодействия с узлами сети, что может приводить к перекосам как информационной, так и сигнальной нагрузки. В связи с этим возникает ряд задач, связанных с управлением информационной и сигнальной нагрузкой в изменяющихся условиях на мобильных сетях.

Усложнение характера и рост объема нагрузки в телекоммуникационных сетях приводит к тому, что требуемое качество обслуживания может быть обеспечено только при использовании эффективных методов повышения пропускной способности. Разработка методов управления, а также вопросы расчета статистических характеристик для таких сетей рассматривались в работах отечественных и зарубежных исследователей Г.П.Башарина,

В.М.Вишневского, Г.П.Захарова, Н.А.Кузнецова, В.В.Кульбы, Л.Клейнрока, В.Г.Лазарева, С.И.Самойленко, С.Н.Степанова, А.Д.Харкевича, М.Шварца, Р.Шерера, Г.Г.Яновского и др.

Одним из таких методов является метод дифференцированного обслуживания абонентов, т.е. выделение категорий абонентов, обслуживание которых происходит с повышенным качеством. В настоящее время этот способ может найти широкое применение в мобильных сетях с помощью предоставления абонентам разных уровней обслуживания, тем самым, снижая взаимное влияние пользователей различных категорий. В связи с этим задача разработки нового метода повышения пропускной способности фиксированной инфраструктуры сетей мобильной связи, основанного на дифференцированном доступе абонентов к ресурсам сети является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка метода повышения пропускной способности фиксированной инфраструктуры сетей мобильной связи, основанного на дифференцированном доступе абонентов к ресурсам сети. Для достижения этой цели в диссертации рассмотренны следующие задачи: в результате анализа действующих тарифных планов различных операторов и наблюдений за информационной и сигнальной нагрузками были выделены категории мобильных абонентов и с помощью имитационного моделирования исследована эффективность использования ресурсов мобильной сети при дифференцированном обслуживании; разработана математическая модель оценки качества дифференцированного обслуживания абонентов на звене сети; в рамках построенной модели разработаны алгоритмы и методики выбора порогов дифференцированного обслуживания абонентов, учитывающие ДВО и повторные вызовы.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы теории марковских процессов, теории телетрафика, теории коммутации, теории принятия решений и методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В результате анализа действующих тарифных планов различных операторов и наблюдений за информационной и сигнальной нагрузками были выделены категории мобильных абонентов, характеризующиеся собственными параметрами информационной и сигнальной нагрузок, а также специфическим спектром используемых дополнительных услуг.

2. Разработана и исследована математическая модель дифференцированного обслуживания абонентов различных категорий на звене сети, учитывающая следующие важные аспекты: пороги обслуживания абонентов различных категорий, дообслуживание при предоставлении ДВО, повторные вызовы от абонентов низкой категории, а также стоимость установления соединения.

3. Разработана и исследована приближенная модель, позволяющая свести поставленную задачу к исследованию одномерного процесса «размножения и гибели».

4. Исследована точность приближенной модели, обеспечивающей вычисление стоимостных функционалов и качества обслуживания требований с различными приоритетами для звеньев с большим числом каналов.

5. Разработан алгоритм расчета, позволяющего в реальном масштабе времени определять оптимальное значение порогов доступа.

6. Выработаны рекоммендации по эффективному управлению ресурсами сети.

Личный вклад: Теоретические и практические исследования, а также вытекающие из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность: Выполненные в диссертационной работе исследования и разработанный метод, а также предложенные методы позволяют оценивать эффективность использования ресурсов фиксированной инфраструктуры мобильной сети.

Методика дифференциации абонентов по категориям позволяет уточнить процедуры расчета информационной и сигнальной нагрузок на фиксированной инфраструктуры мобильной сети, а также создать новые тарифные планы, позволяющие оптимизировать пропускную способность сетей. Метод дифференцированного обслуживания абонентов с помощью порогов позволяет обеспечивать нормы сигнальной нагрузки, сохраняя при этом оптимальную загрузку информационной сети.

Разработанная на основании приближенной модели программа для ЭВМ позволяет производить расчет характеристик звена сети практически любой пропускной способности в режиме реального времени. Это позволяет использовать ее для динамического управления доступом к ресурсам сети в соответствии со складывающейся на текущий момент ситуацией с поступающей и обслуживаемой нагрузкой.

Выбор порога, оптимизирующего экономический функционал или же обеспечивающего заданные параметры качества обслуживания требований приоритетных потоков, при возрастании нагрузки низкоприоритетных потоков позволяет оператору постепенно изменять тарифную политику: можно наращивать пропускную способность и изменять приоритетность потоков или повышать тарифы. Это позволит оператору постепенно наращивать абонентскую базу и проводить более точное прогнозирование развития сети.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Межрегиональный Транзит Телеком» и департаменте «Телекоммуникации» ООО Сименс, что подтверждается актами о внедрении. Кроме того, результаты, полученные в работе, применяются в учебном процессе базовой кафедры «Информационные сети и системы» МТУ СИ при ИППИ РАН.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 59 и 60 научных сессиях научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова (Москва, 2004 - 2005гг.), на IY Международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» (Москва, 2003 г.), на международной конференции «Информационные сети, системы и технологии» (Москва, 2005 г.), на международных форумах информатизации (МФИ), проводимых на базе МТУСИ (Москва, 2004 г.), на научных конференциях профессорско -преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 2002 - 2005гг.), на 7-й международной НТК студентов и аспирантов МЭИ (Москва 2001 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах [20-23, 67-74].

Основные положения, выносимые на защиту:

• Исследовано влияние различных категорий абонентов и предоставляемых им дополнительных услуг на загрузку информационной и сигнальной сетей.

• Построена общая многопотоковая математическая модель функционирования звена сети с учетом приоритетов обслуживания и наличием дополнительных услуг.

• Построена приближенная математическая модель для расчета порогов обслуживания абонентов на звене сети большой емкости, точность которой составляет ~2%.

• Проведено исследование точности приближенной модели с помощью имитационного моделирования, которое показало, что модель обеспечивает достаточную точность характеристик в практически значимой области изменения параметров сети.

• По результатам исследования выработана методика использования предложенного метода динамического управления обслуживанием абонентов в реальном масштабе времени.

• Проведен анализ функционирования сети и выработыны рекоммендации по использованию предложенного метода при выработке тарифной политики оператора и прогнозировании развития сети.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 178 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Чернушевич, Ян Викторович

4.4. Выводы

1. Проведенные вычисления показывают, что отсутствие приоритетов в обслуживании, т.е. выбор порога £ = v, не обеспечивает не только удовлетворительное качество обслуживания требований первого потока, но и не позволяет повысить сколько-нибудь значимо эффективность использования дополнительного ресурса за счет обслуживания требований второго потока. Более того, при учете расходов, связанных с установлением соединения, т.е. использованием сети сигнализации, это может приводить к прямым убыткам.

2.Выбор порога к, оптимизирующий экономический функционал, позволяет получать устойчивый дополнительный доход при небольших перегрузках, однако при возникновении больших нагрузок низкоприоритетных требований качество обслуживания требований приоритетного потока требований может стать неудовлетворительным с их точки зрения, а доход сети может падать.

3.Выбор порога к, обеспечивающего заданные параметры качества обслуживания требований первого потока, обеспечивает устойчивую работу звена сети при практически любых нагрузках, создаваемых низкоприоритетным потоком требований. Показатели экономической эффективности при этом не намного ухудшаются, что делает такое правило выбора порога более предпочтительным.

4. При возрастании нагрузки второго потока требований оператор может постепенно изменять политику, связанную с их обслуживанием исходя из своих интересов: можно наращивать пропускную способность и рассматривать такие требования не как дополнительную нагрузку, а как основную с соответствующим выбором приоритета в обслуживании и выборе соответствующей тарифной политики или повышать тарифы для того, чтобы, такой поток не был слишком большим. Первый вариант позволяет оператору постепенно наращивать абонентскую базу и проводить более точное прогнозирование развития сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернушевич, Ян Викторович, 2005 год

1. Bogomolova N.E., Lazarev V.G. Information flows management in the З'^ ^ generation of mobile communication network. Pr. Conf New Information Technologies, Мы.: БГЭУ, 2000 с 221-224

2. ETSI Technical Report (ETR-3 51, November 1996) Digital cellular telecommunications system; Technical performance objectives (GSM 03.05 version 5.0.0)

3. ITU-T Recommendation Q. 1208. General Aspects of the Intellegent Network Application Protocol, Helsinki, 1993

4. ITU-T Recommendation Q. 1711 Network functional model for IMT-2000

5. ITU-T Recommendation Q.764 МСЭ-Т

6. ITU-T Recommendation Q.767 МСЭ-Т

7. ITU-T, Recommendation E. 713 (10/92). Control Plane Traffic Modeling.

8. ITU-T, Recommendation M.3010 Principles for Telecommunications Menagement Network, 1992.

9. Recommendation ETSI 3G TS 29.002 version 3.3.0

10. Автоматическая коммутация: Учебник для вузов. Под ред. О.Н. Ивановой, - М.: Радио и связь, 1988. - 624 с.

11. Башарин Е.П., Самуилов К.Е. Современный этап в развитии теории телеитрафика. В сб. Информационная математика, т.1, 2001, с.153-166.

12. Безир X., Хойер П., Кеттлер Г. «Цифровые АТС». Перевод с немецкого под ред. В.В. Штрагера. М.: Радио и связь, 1984

13. Блэк. Ю. Сети ЭВМ: протоколы стандарты, интерфейсы. М.: Мир, 1990-506 с.

14. Богомолова Н.Е. Влияние дополнительных услуг на пропускную способность о к е №7 в мобильных сетях «Мобильные системы», №3,2003, с. 14-17

15. Богомолова Н.Е. Анализ пропускной способности сигнального пути в ЦСИО «Электросвязь», №3,2003, с. 41- 43.

16. Богомолова Н.Е. Исследование информационной и сигнальной нагрузок в мобильной сети. Материалы IY Международный семинара «Информационные сети, системы и технологии» Материалы семинара. - М., 2003, с. 78-80

17. Богомолова Н.Е. Оценка производительности сигнализации в мобильных сетях стандарта GSM. «Наукоемкие технологии» № 3, 2003, с. 80-85

18. Богомолова Н.Е., Чернушевич Я.В. Анализ временных характеристик системы сигнализации № 7 в широкополосных сетях. Тезисы доклада на седьмой Международной научно- технической конференции студентов и аспирантов . М.: изд. МЭИ, 2001. Т.1 с. 135 - 136.

19. Богомолова Н.Е., Чернушевич Я.В. Динамическое управление приоритетами при дифференцированном обслуживании абонентов в фиксированной инфраструктуре подвижной сети. Электронный журнал «Информационные процессы» ИППИ РАН, Том 5-3, 2005, с. 194-200.

20. Боккер П. ISDN - цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. - М.: Радио и связь, 1991 - ??? с,

21. Бутрименко А.В., Лазарев В.Г. Система поиска оптимальных путей передачи сообщений. - «Проблемы передачи информации», т.1, 1965, с 8-26.

22. В.Г. Лазарев Основы построения цифровой сети интегрального обслуживания. Узкополосные ЦСИО. Учебное пособие для студентов и аспирантов по специальности 23.05. МИС. - М., 1990, 89 с.

23. Васильченко А.И., Денисьева О.М., Жарков М.А. Система телефонной сигнализации по общему каналу (система ОКС). Под ред. М.Н. Стоянова. М - Связь, 1980, 268 с.

24. Вентцель Е.С. Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Высшая школа, 2000. 480 с

25. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999 г. 576 с Вишневский В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера, 2003, 512 с.

26. Гольдштейн Б. С, Ехриель И. М., Рерле Р. Д. Стек протоколов 0КС7: Подсистема ISUP. Справочник. Из-во «БХВ - Санкт-Петербург», 2003, 479 с.

27. Гольдштейн Б.С. Конвергенция мобильных и интеллектуальных сетей // Вестник связи, 2000, №4, с. 15-24

28. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. - М.: Радио и связь, 1997.-423 с.

29. Гольдштейн Б.С, Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети. М., Радио и связь, 2000 - 500 с.

30. Громаков Ю.А. Концептуальные аспекты развития сотовой связи. Электросвязь, 2003, № 11, с. 65 - 70.

31. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. М.: Эко-Тренз, 1998.-240С.

32. Дымарский Я.С, Крутякова Н.П., Яновский Г.Г, Управление сетями связи: принципы, протоколы, прикладные задачи. М.: ИТЦ «Мобильные коммуникации" 33. Евланов Л.Г. Теория и практика принятия решений. М.: Экономика, 1984.176 с.

34. Евланов Л.Г. Теория и практика принятия решений. М.: Экономика, 1984,176 с.

35. Емельянов с.В., Борисов В.И., Малевич А.А., Черкашин A.M. Модели и методы векторной оптимизации. Итоги науки и техники. Техническая кибернетика. Мю: ВИНИТИ АН СССР, 1973. Т.5. с. 386-488

36. Емельянов СВ., Озерной В.М. Проблемы и методы принятия решений в задачах с векторным критерием. Материалы YI всесоюзного совещания по проблемам управления. М.: Наука, 1974. 4.2. 25-29.

37. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М,: Мир, 1979 - 600 с.

38. Клейнрок Л. Коммуникационные сети: Стохастические потоки и задержки сообщений. Пер. с англ. под редакцией А.А. Первозванского. - М. Наука, 1970, 225 с.

39. Концепция развития в России до 2010 года сухопутной подвижной связи общего пользования». Вестник связи, 1994, № 4, с. 17.

40. Кох Р., Яновский Г.Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. -М.: Радио и связь, 2001

41. Крупнов А.Е. Сети сотовой связи 3G: услуги нового поколения. Электросвязь, 2003 № 11, с. 62-65.

42. Крутякова Н.П. Управление сетями электросвязи. Учебное пособие. ГУТ им. Проф. М.А. Бонч-Бруевича, Спб, 1995.

43. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети. Москва: Финансы и статистика, 1996 - 224 с.

44. Лазарев В.Г., Лазарев Ю.В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи. М.: Радио и связь, 1983 - 235 с.

45. Лазарев В.Г., Саввин Г.Г. Сети связи, управление и коммутация. М.: «Связь», 1973, 264 с.

46. Ли У.К. Техника подвижных систем связи. М.: Радио и связь, 1985

47. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. - М.: Связь, 1979. - 224 с.

48. Мизин И.А., Кулешов В.Ф., Богатырев В.Ф. Сети коммутации пакетов. - М.: Радио и связь, 1986 - 365 с.

49. Миркин Б. Г. Проблема группового выбора. М.: Наука, 1974, 256 с.

50. Мобильный Интернет. Серия изданий «Связь и бизнес», М. МЦНТИ,2000-48с.

51. Невдяев Д.М. Мобильная связь третьего поколения. Серия изданий «Связь и бизнес». М., МЦНТИ, ООО «Мобильные коммуникации», 2000-208 с.

52. Поспелов Д.А. Введение в теорию вычислительных систем. М.: Советское Радио, 1972,280 с.

53. Прангишвили И.В., Виленкин Я., Медведев И.Л. Параллельные вычислительные системы с общим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1983, 312 с.

54. Протоколы и методы управления в сетях передачи данных. Под ред Ф. Куо. - М.: Радио и связь, 1985.

55. Ратынский М.В. Основы сотовой связи/ Под ред. Д.Б. Зимина. - 2-е изд. - М.: Радио и связь, 2000. - 248 с.

56. Рогинский В.Н. Теория сетей связи. М. Радио и связь, 1977.

57. Росляков А.В. Общеканальная система сигнализации №7.-Москва: Эко-Трэндз, 1999-176C.

58. Степанов СИ. Численные методы анализа систем с повторными вызовами. М.: наука, 1983.

59. X-2. М.: Инсвязьиздат. 2005. 298-300.

60. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1. М.: Мир, 1984-528 с.

61. Форд л., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. Пер. с англ. М.: Мир, 1966 - 276 с.

62. Чернушевич Я. В. Приоритетное управление сигнальной нагрузкой в мобильных сетях. IV Международный научный семинар «Информационные сети, системы и технологии». Материалы семинара. М.,2003, с. 97 - 98.

63. Чернушевич Я.В. Исследование эффективности метода дифференцированного обслуживания пользователей мобильной сети на звене большой емкости. Материалы международной конференции «Информационные сети, системы и технологии».

64. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х частях. Пер. с англ. М.: Наука, 1992 - 278 и 272 с

65. Шварц М. Сети ЭВМ: Анализ и проектирование. Пер. с англ. под ред В.А. Жожикашвили. М.: Радио и связь, 1981 - 336 с.

66. Шеррер Р. Системы связи с перестроением и переформированием пакетов вызовов. «Электросвязь», №2, 2003 с, 35-37, №6,2003 с.32-34

67. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, 1980-279 с.

68. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книга. М.: Финансы и статистика, 1996 - 336 с. Якубайтис Э.А. Открытые информационные сети. М.: Радио и связь, 1991