технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (англ. High Speed Packet
Access) для сетей сотовой связи стандарта UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System). Максимально поддерживаемая скорость составляет 14,4
Мбит/сек. Метод для увеличения скорости передачи данных был позаимствован из из стандарта GSM. Технология EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) в
свое время позволила увеличить скорость передачи данных в сетях поколения 2G
более чем в 2 раза, по сравнению с технологией GPRS (англ. General Packet Radio Service), за счет нового способа модуляции. В технологии HSDPA применяется новый метод модуляции на радиоинтерфейсе (между NodeB и UE) – 16-QAM (Quadrature amplitude modulation). В одной посылке сигнала может передаваться в 3 раза больше информации.
Архитектура внедрения технологии HSDPA в сетm UMTS представлена на рисунке 1.4.
Интерконнект с Сети передачи другими операторами
данных
MSC-S
GGSN
MGW
SGSN
RNC
Контроллер управления радиосетью
HSDPA
ARQ QAM-16
БС
Node B
|
Мобильная |
HARQ |
Станция UE |
Рисунок 1.4 – Архитектура технологии HSDPA в сети UMTS
22
По сравнению с UMTS, в сети HSDPA можно передавать в три раза больше данных и поддерживать вдвое больше пользователей на одну соту.
В ее основе лежит принцип, заключающийся в том, что при сопоставимых размерах сот применение многопозиционной модуляции позволяет достигать пиковых скоростей порядка 10 Мбит/с.
Технология HSDPA значительно улучшает качество предоставляемых абоненту мультимедийных услуг. Эта технология предоставляет новые возможности для поддержки приложений, включая загрузку сетевого контента.
Наряду с новым методом модуляции сигнала HSDPA предусматривает также использование скоростной системы автоматических перезапросов HARQ (Hybrid automatic repeat request). Этот механизм отвечает за автоматический перезапрос потерянных или испорченных ошибкам пакетов. Наибольшим мешающим воздействиям (помехам, искажениям) информационный сигнал подвержен на интерфейсе между UE и NodeB, а далее до RNC сигнал передается в системах связи по радиорелейным или волоконно-оптическим линиям связи, которые меньше подвержены внешним воздействиям и имеют собственные механизмы защиты от помех. Тогда оказалось целесообразно перезапрашивать искаженные пакеты в NodeB,
что значительно сокращает ожидание повторной передачи. Сами пакеты уменьшены в размерах в 10 раз, что способствует сокращению времени ожидания. Кроме того, на радиоинтерфейсе были введены специальные каналы, которые обладают специфическими особенностями, способствующими увеличению скорости передачи данных.
Все нововведению в купе позволили увеличить скорость передачи данных в направлении downlink более чем в 7 раз. На практике скорости передачи данных могут легко достигать значений до 2 Мбит/сек, что вполне достаточно для загрузки файлов больших объемов и просмотра потокового видео высокой четкости (HDTV).
23
2 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ АНАЛИЗА МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ
2.1Понятие модели мультисервисной сети
Для моделей мультисервисных систем связи схема занятия канального ресурса зависит от типа поступившей заявки. Выделение групп однородных событий,
описывающих последовательность моментов поступления заявок, не приводит их к одному потоку, как это происходит в классических моделях теории телетрафика.
Процесс обслуживания каждой группы заявок (заявки с различными критериями трафика) необходимо рассматривать отдельно. Таким образом, возникает класс многопотоковых моделей. Привязка модели к реальным условиям обслуживания поступающих заявок происходит на этапе формализации, когда технические характеристики систем связи (скорость линий, доступность и прочие)
интерпретируются в терминах понятий, используемых при описании соответствующих моделей теории телетрафика.
Основной областью использования модели мультисервисной широкополосной сети мобильной связи является определение необходимого объёма канального ресурса для передачи трафика сервисов реального времени.
Достаточность ресурса оценивается долей потерянных заявок. В рамках предположений для вычисления этого показателя достаточно знать долю времени пребывания мультисервисной линии в состоянии с известным числом заявок каждого вида, находящихся на обслуживании.
2.2Принципы обеспечения качества обслуживания в сетях UMTS
Существует несколько основных подходов к осуществлению политик предоставления необходимого качества услуг (QoS) для конечного пользователя:
24
IntServ - интегрированное обслуживание. Модель интегрированного обслуживания, обеспечивает требуемое качество обслуживания с гарантированной пропускной способностью.
DiffServ - дифференцированное обслуживание. Модель дифференцированного обслуживания, обеспечивает управление классификацией пакетов трафика и управление транспортировкой трафика.
В МСС, используемых для транспортировки пакетного голосового и видео трафика, пакеты необходимо маркировать кодовыми точками DSCP. Точки DSCP для пакетов разного трафика имеют маркировку поля ТоS в IP-заголовке, согласно стандартам, приведенным в документе IETF.
Качество обслуживания (QoS) и качество восприятия (QoE) были определены как критические требования IPTV услуг для потребителей.
QoE описывает совокупное качество предоставляемых услуг и контента по мнению пользователя с учетом технических характеристик качества обслуживания
QoS согласно рисунка 2.1.
Рисунок 2.1 - Взаимосвязь параметров QoE и QoS
Научно-исследовательские группы международного союза электросвязи ITU-T
определяют качество восприятия QoE основным фактором, определяющим выбор абонента. Данный фактор определяется не только параметрами сети или качеством предоставляемого контента, но и удобством использования системы. Качество восприятия мультимедийного контента часто проверяется путем тщательного
25
выполнения субъективных тестов. Рекомендация ITU-T определяет основные значения параметров QoE и показывает значения технических сетевых параметров:
пропускная способность, скорость передачи и вероятность потерь пакетов. За формирование QoE в мультисервисных инфокоммуникационных сетях IPTV
отвечают следующие компоненты:
суммарное число потерянных пакетов;
типы аудиокодеков и видеокодеков;
тип синхронизации аудиопотоков и видеопотоков;
достаточная полоса пропускания для мультимедийного трафика.
Требуемое качество обработки пакетов видеотрафика формируется, по
принципу недопустимости появления более одного артефакта в час.
2.3Математическая модель обслуживания мультисервисного трафика
Обслуживание в пакетных сетях трафика сервисов реального времени имеет прямую аналогию с передачей речевой информации в сети с коммутацией каналов.
Переход на пакетные технологии не меняет восприятия абонентом качества получаемого сервиса. Передача информации пользователя в мобильных сетях UMTS
должна идти без задержки. Если доля потерянных пакетов фиксирована и не превышает заданной нормированной величины, то качество обслуживания абонента определяется доступностью канального ресурса, то есть измеряется долей потерянных заявок, выраженная вероятностью блокировки.
Канальный ресурс - это одно из важнейших понятий теории телетрафика,
необходимое для описания процесса обслуживания заявок пользователей. Объём ресурса выражается числом каналов, обладающих фиксированной скоростью передачи.
Для моделей мультисервисных мобильных систем связи схема занятия канального ресурса зависит от типа поступившей заявки, поэтому процесс обслуживания каждой группы заявок необходимо рассматривать отдельно. Таким образом возникает класс многопотоковых моделей.
26
В работе рассмотрена базовая математическая модель оценки канального ресурса для обслуживания трафика сервисов реального времени, при построении которой предполагается, что объем выделяемого ресурса не меняется за время соединения и средняя длительность обслуживания заявки фиксирована для каждого потока (статическое распределение ресурсов).
2.4Описание базовой математической модели
Основной областью использования исследуемой модели является определение необходимого объёма канального ресурса для передачи трафика сервисов реального времени. Достаточность ресурса будет оцениваться долей потерянных заявок. Для вычисления этого показателя достаточно знать долю времени пребывания мультисервисной линии в состоянии с известным числом заявок каждого вида,
находящихся на обслуживании. Выбор показателей обслуживания заявок задаёт вид пространства состояний исследуемой модели и структуру случайного процесса,
описывающего динамику их изменения.
В модели имеется n потоков заявок на выделение канального ресурса,
необходимого для обслуживания трафика сервисов реального времени (речевые сообщения, видеосвязь и т.д.). Поступление заявок k-го потока подчиняется закону Пуассона с интенсивностью λk, где k = 1, 2, ..., n.
Пусть ν – скорость передачи информации мультисервисной линии, выраженная в единицах канального ресурса, требуемого для обслуживания поступающих заявок, bk – число единиц ресурса линии, необходимого для обслуживания одной заявки k-
го потока, а 1 – среднее время занятия канального ресурса на её обслуживание, k =
1, 2, …, n.
Можно считать значения bk, k = 1, 2, …, n и ν целыми положительными числами. Если это не оговаривается особо, будем предполагать, что длительности времени занятия канального ресурса на обслуживание заявок имеют экспоненциальное распределение и не зависят друг от друга и от входных потоков.
Следует сразу отметить, что ряд полученных утверждений справедлив и при
27
произвольном распределении длительности обслуживания заявок. Схема функционирования модели мультисервнсной линии показаны на рисунке 3.1.
Поступающие заявки обслуживаются на основе модели с явными потерями, т.е.
они получают отказ и не возобновляются ни в каком виде, если для их допуска в сеть не хватает необходимого объёма канального ресурса.
Формально процедуру приёма заявки можно записать:
ik – число заявок k-го потока, находящихся на обслуживании;
i - общее число единиц ресурса мультисервнсной линии, занятых обслуживанием заявок всех потоков.
Значение i определяется из выражения:
|
i = ∑k=1n |
bkik |
(2.1) |
Тогда заявка k-го потока принимается к обслуживанию, если выполняется |
|||
неравенство + |
≤ . Соответственно, если |
+ |
> , то поступившая заявка |
|
|
|
|
теряется без возобновления.
28
Рисунок 2.2 - Структура модели мультисервисной линии, используемой при анализе занятия канального ресурса на уровне соединений
Пусть ik(t) – число заявок k-го потока, находящихся в момент времени t на обслуживании. Динамика изменения общего числа обслуживаемых заявок описывается многомерным случайным процессом:
r(t) = (i1(t), i2(t), … , in(t)). |
(2.2) |
Определённым на конечном пространстве состояний S. Оно состоит из векторов
(i1, i2,…, in), удовлетворяющих неравенству:
29
∑k=1n ikbk ≤ v. |
(2.3) |
Использованная схема построения модели и введённые ограничения на изменения входных параметров, как показано на рисунке 2.2 позволяют утверждать,
что процесс r(t) – Марковский.
Обозначив |
через p(i1, i2,…, in) стационарную вероятность состояния |
(i1, i2,…, in), где |
ik – число заявок k-го потока, находящихся на обслуживании в |
стационарном режиме, k = 1, 2, …, n. В дальнейшем р(.) будет использоваться для обозначения нормированных значений вероятностей стационарных состояний модели, а прописная буква Р(.) – для обозначения ненормированных значений этих вероятностей.
Значения стационарных (предельных) вероятностей Марковского процесса p(i1, i2,…, in) имеют интерпретацию доли времени пребывания линии в состоянии
(i1, i2,…, in). Используя данную интерпретацию, дадим определение основным показателям QoS, необходимым для оценки достаточности канального ресурса
линии.
Качество обслуживания заявок k-го потока определяется долей πk потерянных
заявок. Дадим им формальные определения с использованием вероятностей
p(i1, i2,…, in). Доля потерянных заявок k-го потока находится как доля времени пребывания процесса r(t) в состояниях, когда приём поступившей заявки невозможен из-за нехватки свободного канального ресурса. Справедливость данного утверждения вытекает из свойств пуассоновского потока, которому подчиняются моменты поступления заявок k-го потока.
Обозначим через Uk множество соответствующих состояний. Оно включает в
себя состояния (i1, i2,…, in) S, удовлетворяющие условию: |
|
i1b1 + i2b2+. . . +inbn > v − bk. |
(2.4) |
Значения введенного показателя качества обслуживания заявок k-го потока определяются из равенства:
30
πk = ∑(i ,i ,…,i ) U |
k |
p (i1, i2, … , in). |
(2.5) |
1 2 n |
|
|
На основании приведенной методике расчета произведен анализ качества обслуживания вызовов и передачи трафика в мобильных сетях 3G поколения.
2.5Рекурсивный алгоритм
Эффективный алгоритм оценки πk, k = 1, 2, . .., n основан на использовании значений вероятностей пребывания r(t) во множестве состояний Si множества S, куда входят состояния (i1, i2,…, in) S, удовлетворяющие условию:
i1b1 + i2b2+. . . +inbn = i. |
(2.6) |
Значение i меняется oт 0 до v и показывает, сколько единиц ресурса
мультисервисной линии используется всеми поступающими потоками заявок.
Положив значение P(0) = 1.
Выразив значения вероятностей P(i), i = 1, 2, …, v через P(0), используя
соотношение:
|
1 |
n |
|
||
P(i) = |
|
|
∑k=1 ak bkP(i − bk)I(i − bk ≥ 0) |
(2.7) |
|
i |
|||||
|
|
|
|||
Далее последовательно увеличивая величину i от 1 до v. Нетрудно проверить,
что при каждом фиксированном i значения выражений P(i − bk)I(i − bk ≥ 0), k = 1, 2, …, n, участвующих в записи правой части суммы, либо уже представлены через P(0) (для i − bk ≥ 0), либо равны 0 (для i − bk < 0).
Нахождение величины нормировочной константы:
N = ∑v |
P(i). |
(2.8) |
i=0 |
|
|
Определение нормированного значения вероятностей p(i):
31