автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка метода обмена управляющей информацией на мобильных сетях

На правах рукописи

Козлова Екатерина Сергеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБМЕНА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИЕЙ НА МОБИЛЬНЫХ СЕТЯХ

Специальность 05.12.13. - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре Информационные сети и системы Московского технического университета связи и информатики

Научный руководитель—доктор технических наук,

профессор Лазарев В.Г. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Докучаев В А, кандидат технических наук Гармаш В.А

Ведущая организация - Институт Проблем Управления

Российской Академии Наук

Защита диссертации состоится 2004 года

в /У' часов на заседании диссертационного совета

К 219.001.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, Авиамоторная ул., д. 8-а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан

» -У_2004 года

Ученый секретарь диссертационного совета /у" /7

кандидат технических наук, профессор ^лЯТПопова

2004-4

23916

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В сфере телекоммуникаций мобильная телефонная связь играет все возрастающую роль, так как в обществе возрастает потребность в передаче большого объема различных видов информации и в предоставлении большого количества услуг. Мобильные сети связи (сети сотовой подвижной связи - СПС), в которых интенсивность обмена управляющей информацией значительно выше, чем в традиционных сетях, развиваются особенно активно. По данным статистических исследований, в следующем десятилетии в мире ожидается колоссальный прирост численности абонентов сетей мобильной связи. Азия станет наиболее важным регионом мобильного сообщества. На нее придется крупнейшая доля рынка подвижной связи. По расчетам UMTS Form, только стандартом GSM к 2005 году будут пользоваться более 900 миллионов абонентов. При столь стремительном росте числа абонентов, стремительно увеличивается общая нагрузка на сеть связи и особенно нагрузка на сеть сигнализации. В подобных условиях существенно возрастают требования к повышению надежности и эффективности использования ресурсов сети, которая в свою очередь зависит от наличия системы управления сетью, ее способности адаптироваться к различным условиям, складывающимся на сети связи, например к перегрузкам на отдельных участках сети.

В данной работе рассматривается разработка нового метода передачи управляющей информации на сотовых мобильных сетях. Одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности сетей связи является разработка метода динамического управления потоками информации. При установлении связи (регистрации и поиске мобильного абонента) между мобильными абонентами осуществляется передача большого объема управляющей информации по системе сигнализации. В связи с этим возникает задача анализа влияния управляющей информации на качество обслуживания пользователей, в том числе на время установления соединения и параметр задержки при установлении соединения.

При существующих методах управления сигнальной информацией (централизованных), стремительное увеличение числа пользователей и количества предоставляемых услуг ведет к резкому увеличению передаваемой сигнальной информации и возникновению перегрузки на сети сигнализации, что приводит к увеличению времени установления соединения.

Одной из важнейших проблем является большая вероятность перегрузок и сбоев в работе сети, которые в свою очередь могут привести к большим финансовым потерям. В целях решения этих проблем в данной работе предложена архитектура сети с распределенной базой данных и исследована ее эффективность с точки зрения параметра задержки и времени установления соединения.

Учитывая все вышеизложенное можно утверждать, что тема исследований, связанная с разработкой метода обмена управляющей информацией в условиях стремительного роста числа абонентов, а так же сложности и объемов информации, актуальна.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование метода обмена управляющей информацией на мобильных сетях.

Для реализации основной цели исследований в работе поставлены следующие задачи:

1. анализ различных по структуре сетей сотовой мобильной связи;

2. анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях с различными видами архитектуры;

3. исследование влияния задержки при передаче управляющей информации на потери;

4. разработка метода передачи управляющей информации с целью уменьшения времени установления соединения на сети мобильной связи.

Методы исследования.

Для проведения исследований использовались методы теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории автоматической • коммутации, теории сетей электросвязи, математической статистики, а также методы имитационного моделирования.

Для расчета оценочных характеристик использовались информационные технологии и специализированные прикладные программные продукты.

Источником исходной статистической информации являлись данные, публикуемые Государственным комитетом по статистике РФ, Министерством РФ по связи и информатизации, а также материалы периодической печати и источники Internet.

Научная новизна.

1. Проведен аналитический анализ различных по структуре сетей сотовой мобильной связи;

2. Проведен анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях с различными видами архитектуры, который показал, что использование централизованной базы данных может привести к перегрузкам на сети сигнализации в зоне HLR (Home Location Register - регистр положения «домашний»);

3. Проанализировано влияние задержки при передаче управляющей информации на потери вызовов в сети связи;

4. Разработана схема построения сети сотовой мобильной связи с распределенным принципом построения баз данных;

5. Разработан метод обмена управляющей информацией на сети мобильной связи с распределенной базой данных при регистрации и поиске мобильного абонента;

6. Разработан метод динамического управления потоками сигнальной информации на сетях СПС с распределенной схемой построения БД (баз данных).

7. Разработан алгоритм применения игрового метода управления маршрутами при передаче сигнальной информации;

8. Проведено оценочное сравнение характеристик сетей с централизованной и распределенной базами данных;

9. Проведен анализ эффективности учёта времени установления соединения в сети сотовой мобильной связи;

10. Проведена сравнительная оценка верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети с централизованной системой.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научном семинаре «Информационные сети и системы» в Российском научно-техническом обществе радиотехники, электроники и связи им.А.С.Попова (Москва) в 1999 г., на Ш Международной конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Минск) в 1998 г., на Международной конференции посвященной новейшим компьютерным системам (Szczecin, Польша) в 1998 г., на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического соста-ва(МТУСИ, Москва) в 1999 г., на VI-й Международной конференции «Информационные сети и системы» (Санкт-Петербург) в 2000 г., на IV-м международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» (МАИ, Москва) в 2003 г.

Публикации.

Полученные в диссертационном исследовании результаты представлены в 9 научных публикациях, из них 4 написаны автором без соавторов. В совместных публикациях автору принадлежит разработка метода передачи сигнальной информации на сетях мобильной связи с распределенной базой данных.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационного исследования были внедрены в ЗАО «ЛАНИТ» (Лаборатория Новых Информационных Технологий), ЦНИЭС (Центре Научных Исследований и Экспертизы в области связи) и научно-исследовательских работах НИЧ МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами.

Практическая ценность.

Предложенные рекомендации и результаты исследований могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях при разработке новых и развитии существующих сетей СПС общего и специального назначения, а также в учебном процессе МТУСИ по курсу «Цифровые сети интегрального обслуживания».

Результаты диссертационной работы использованы в ИППИ РАН при проведении госбюджетных и хоздоговорных работ.

Личный вклад соискателя.

Теоретические и практические исследования и расчеты, а также полученные из них выводы и рекомендации получены автором лично.

Автором выполнены все основные положения работы по постановке задачи исследования, анализу различных по структуре сетей сотовой мобильной связи и используемых методах передачи сигнальной информации, по разработке схемы построения сети сотовой мобильной связи с распределенной иерархией баз данных, по разработке принципа оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети, по разработке метода динамического управления потоками сигнальной информации на сетях СПС с распределенной схемой построения БД и разработке алгоритма применения игрового метода управления маршрутами при передаче сигнальной информации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Анализ различных по структуре сетей сотовой связи и анализ методов передачи сигнальной информации;

2. Архитектура сети сотовой мобильной связи с распределенным принципом построения баз данных;

3. Метод передачи управляющей информации на сети мобильной связи с распределенной иерархией баз данных при регистрации и поиске МА (мобильного абонента);

4. Сравнительный анализ влияния задержки при передаче управляющей информации на потери вызовов в сети сотовой подвижной связи с централизованной и распределенной системами баз данных;

5. Метод динамического управления потоками сигнальной информации на сетях СПС с распределенной БД;

6. Оценочное сравнение времени установления соединения и параметра задержки на сетях с централизованной и распределенной БД;

7. Алгоритм применения игрового метода управления маршрутами при передаче сигнальной информации;

8. Принцип оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 160 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении кратко излагаются состояние проблемы, нерешенные задачи, характеристика предметной области и место настоящей работы. Определяются актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, объект, предмет и методы исследования, оцениваются научная новизна, научная и практическая значимость полученных результатов, формулируются основные положения работы, выносимые на защиту, указывается степень апробации работы.

Глава 1.

В первой главе приводится анализ предметной области и тенденций развития современных сетей сотовой мобильной связи.

Мобильная связь развивается в мире стремительными темпами, непрерывно расширяя объем и качество предоставляемых услуг, делая их массовыми, общедоступными и приспособленными к индивидуальным потребностям пользователей. Реализация новых возможностей обеспечивается как за счет совершенствования существующих сетей, так и реализации новых технических решений, связанных с созданием глобальной сетевой инфраструктуры.

Прогнозы показывают, что определяющей тенденцией будущего явится слияние мобильной связи с другими технологиями. Начавшийся процесс конвергенции услуг фиксированной и мобильной связи продолжится, охватывая все новые области, включая определение местоположения. Из 200 млн. европейских абонентов услугами систем 3-го поколения (3G) в 2005 г. воспользуются 16%, т.е. 32 млн., а объем мультимедийного трафика превысит 60%. Данные выводы справедливы при условии, что увеличение тарифов будет происходить существенно медленнее, чем рост трафика.

Рассматривая перспективу, следует отметить разрабатываемые в рамках ITU и ETSI системы универсальной подвижной связи 3-го поколения (FPLMS(IMT - 2000)/UMTS), внедрение которых ожидается в начале следующего тысячелетия. Объединяя возможности доступа к любым сетям и системам радиосвязи (в том числе сотовой подвижной, бесшнуровой телефонной, спутниковой персональной), они обеспечивают пользователям так называемый глобальный роуминг. Услуги переноса информации, предоставляемые пользователям перспективными сетями подвижной связи 3-го поколения, ограничены пропускной способностью первичного цифрового потока 2 Мбит/с, что уже вполне достаточно для предоставления высококачественных услуг мультимедиа. Кроме того, система IMT-2000 будет способна поддерживать сложные конфигурации многокомпонентных соединений, при которых, например, пользователь, подключив портативный компьютер к терминалу (подвижной станции), сможет участвовать в сеансе видеоконференции с несколькими абонентами и одновременно работать в Internet.

Таким образом, уже в недалеком будущем стремление абонентов к глобальной подвижности (терминальное оборудование) и "мультимедийное™" подвижной связи будет реализовано в полной мере.

Исследование особенностей построения современных сотовых сетей подвижной связи основанных на разных принципах построения баз данных применяемых стандартов показало, что увеличение абонентской базы и усовершенствование предоставляемых услуг неизбежно ведет к увеличению передаваемой сигнальной информации, а соответственно, к возникновению перегрузок на сети управления.

В результате проведенного анализа сформулированы задачи исследования по разработке методики построения системы управления передачей сигнальной информации при поиске и регистрации мобильного абонента.

Глава 2.

Во второй главе проведен анализ методов адаптивной маршрутизации в сетях сотовой связи, который показал, что по сравнению со статическим распределением возможен выбор путей с большим числом транзитных участков. При этом для одного соединения занимается большее число ресурсов, чем при статическом распределении, а следовательно, общая пропускная способность сети снижается.

В результате проведенного анализа указано на высокую эффективность статистических методов, однако отмечено, что детерминированные методы маршрутизации по критерию наименьшей загрузки обеспечивает лучшие показатели. Вместе с тем для всех рассмотренных выше подходов к распределению потоков вызовов характерно отсутствие способов учёта состояния сети ОКС-7, хотя эффективность многих методов маршрутизации непосредственно зависит от производительности последней. Отмечено, что разработанные к настоящему времени методы маршрутизации, в процессе принятия решения по выбору исходящего направления связи учитывают только ситуацию пользовательской сети.

Проведен анализ различных по структуре сетей сотовой мобильной связи, основанных на централизованной базе данных. В зависимости от расстояния между текущим и начальным местоположением МТ, сигнальная информация, прежде чем достичь адресата, может пройти через несколько промежуточных УК системы сигнализации. Следовательно, регистрация местоположения может значительно увеличить нагрузку на сеть сигнализации СС№7.

В связи с увеличением числа пользователей СПС и увеличением интенсивности обмена сигнальной информацией может, не только, увеличиться задержка при выполнении регистрации, но и возникнуть перегрузка на сети.

С целью решить перечисленные проблемы был разработан распределенный принцип построения БД, позволяющий существенно уменьшить загрузку управляющей сети при регистрации и поиске мобильного абонента, при котором HLR распределяется на отдельные блоки территориально совмещенные с VLR (Visitor Location Register - регистр перемещения «визитный».

8

Эти базы данных местоположения организованы как дерево с основанием в верхней части и ветвями в нижней части. Мобильные терминалы ассоциируются с ветвями (самый низкий уровень) баз данных местоположения, и каждая база данных содержит информацию о местоположении МТ, находящегося в ее поддереве.

Процесс заполнения секторов HLR при первичной регистрации и поиске МТ показан на рисунках 1 и 2.

Таким образом, состояние сети управления непосредственно влияет на качество обслуживания вызовов в информационной сети, как показано в работе. С ростом среднего времени передачи управляющей информации увеличивается нагрузка на ИС, что приводит к увеличению потерь и росту среднего времени установления соединения в сети. При этом выбор маршрутов с меньшим временем установления соединения позволяет повысить эффективность использования ресурсов сети связи и качество обслуживания абонентов.

При перегрузках в УС улучшение качества обслуживания может быть достигнуто перераспределением потоков вызовов в ИС с учётом времени передачи управляющей информации.

Выполненные исследования по анализу методов передачи информации показали, что при централизованной системе баз данных возникают локальные перегрузки в системе сигнализации. В связи с этим разработана система распределенных баз данных.

Глава 3.

С точки зрения динамической маршрутизации между ИС и УС существует взаимное влияние. Суть его в следующем: маршрут передачи управляющей информации в УС зависит от выбранного пути передачи пользовательского трафика в ИС, при этом качество обслуживания вызовов по маршруту в ИС зависит от времени установления соединения по доступным маршрутам в УС. Следовательно, распределение информационных потоков в ИС методами динамической маршрутизации не может считаться оптимальным, если не учитывается влияние УС на ИС.

Проведенный анализ эффективности учёта времени установления соединения в сети показал, что маршрутизация вызовов с учётом времени установления соединения позволяет сократить время непроизводительного занятия ресурсов сети и повысить качество обслуживания вызовов.

Также в данной главе проведено оценочное сравнение среднего времени пребывания заявки в системе обслуживания (Г) централизованного и распределенного принципов построения баз данных сети СПС. Для моделирования сетевых элементов используются различные системы массового обслуживания (СМО). Этот вопрос требует отдельных более глубоких дополнительных исследований. В данной работе использована простейшая модель, позволяющая сделать основные оценочные выводы, которые в общем случае являются справедливыми для моделей любого уровня сложности.

Целью данного расчета является сравнение Т при централизованном принципе регистрации мобильных абонентов и Г при распределенном принципе регистрации.

На рис. 3. представлена зависимость Тот п, из которой видно, что при использовании предлагаемого распределенного принципа время пребывания заявки в системе обслуживания существенно меньше, чем при централизованном способе регистрации.

При этом видна зависимость эффекта (от применения распределенного метода) от числа мобильных абонентов. При 25 000 мобильных абонентов эффект от использования распределенного принципа составил - 5,3%, при 50 000 - 10,8%, при 100 000-34%.

В современных сетях СПС развивается тенденция к увеличению доли относительно коротких соединений при общем увеличении объема потока вызовов, что позволяет сделать вывод о возрастающей значимости учета времени установления соединения, в условиях применения в сети методов динамической маршрутизации. Встает задача выбора оптимального маршрута с точки зрения минимизации времени установления соединения.

Глава 4.

Анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях мобильной связи с различными видами архитектуры приводит к сравнению показателей надежности связи и к разработке метода передачи управляющей информации с целью уменьшения вероятности сбоя в работе сети связи. Одним из таких методов является метод основанный на использовании распределенного принципа построения баз данных.

Вычисление различных показателей связности, на практике сталкивается со значительными вычислительными трудностями, поскольку решение сводится фактически к прямому перебору. В то же время, используя пути и разрезы графа, удается получать достаточно простые граничные - верхнюю и нижнюю - оценки требуемого показателя.

Для определения надежности функций регистрации и поиска мобильного абонента требуется сделать большее количество пересылок управляющей информации по системе сигнализации, чем в стационарной сети.

Введем коэффициент (к) учитывающий число пересылок сигнальной информации при регистрации и поиске мобильного абонента.

Нижняя граница:

Сравнение значений верхней и нижней оценок надежности на сети подвижной связи с централизованным принципом построения баз данных и с распределенным принципом позволяет сделать вывод, что распределенный принцип обеспечивает более высокую надежность, чем централизованный, так как при распределенном число пересылок сигнальной информации гораздо меньше, чем при централизованном принципе построения баз данных.

Для разработки алгоритма применения игрового метода управления маршрутами при передаче сигнальной информации рассмотрим метод адаптивного управления потоками сигнальной информации на основе игрового метода. Метод является статистическим, таким образом, выбор маршрута в ИС при установлении соединения осуществляется на основе результатов обслуживания вызовов в предыдущие моменты времени, что исключает необходимость обмена дополнительной служебной информацией между узлами коммутации. По способу управления метод является распределённым.

Верхняя граница:

Коррекция плана распределения потоков может выполняться как на разовой, так и на групповой основе для группы вызовов - число вызовов в группе ьго направления).

Предложена двухуровневая система управления потоками сигнальной информации. На первом уровне осуществляется управление по критерию вероятности отказа в установлении соединения. На втором уровне — по критерию вероятности превышения заданного значения задержки в установлении соединения Критерием оценки качества обслуживания абонентов является вероятность попадания значения задержки в интервал

В качестве стохастического автомата с переменной структурой принят автомат Пу=( РЦ,г), где Ру,г - вероятность появления состояния выхода Уг, Ру.г ¿0 и ЦРЦ.г =1. Входная переменная X автомата Пу в момент (1+1) зависит от действия Уг, производимого им в момент /.

Пусть система содержит N узлов (Э/, 02, ... От узла 01 к другим узлам соединения могут устанавливаться по к (по числу соседних О) направлениям: <рц2,... <рч,ь

Здесь у-я строка матрицы представляет автомат Пу и сопоставляется с вызываемым узлом

г-я компонента этой строки сопоставляется с исходящим направлением

- вероятность того, что задержка не превысила значения является комплексным критерием, при совместном наступлении двух событий:

соединение установлено, т. е. в данном направлении выбраны каналы, и параметр задержки не превысил

значение задержки составило менее Изменение значений автоматов происходит в два этапа: регистрируется факт установления (отказа) соединения оценивается временной интервал, в который попадает значение задержки при установлении соединения.

Входная переменная X принимает следующие значения: X1 - штраф на величину а за отказ в установлении соединения в следствие отсутствия свободных ресурсов или превышения Тд,

Х2 - поощрение на величину ц за установление соединения; X) - дополнительный штраф на величину ...,уу за превышение Тз

на интервале

Х4 - дополнительное поощрение на величину О), етЛ ...,аг за попадание в интервалы.*!//, At¡, ..., át¡ при установлении соединения.

Критерием качества обслуживания является вероятность попадания значения задержки в определенный интервал.

В зависимости от значения входной переменной X и совершенного действия Ys (при выборе направления (pij.s) в момент времени (t+1) изменение значений элементов P,JS (t+l) и P,jr (t+1) (ser), (ге{1, 2, ... к}), в соответствующей строке происходит в соответствии с выражениями, приведёнными ниже.

Этап1.

Отказ в установлении соединения (отсутствуют свободные каналы или значение задержки превысило

aPl. (í) . Р1. (О

Р{ (, + i) =-bL--, Р. (г +1) =-JJL--.

J's l + (a-\)Pl (t) J'r l + («-l)P' (í)

Соединение установлено при Х~Х2, s ег:

fiP)^

пло

pi (г + 1) = —_—hi-, Р\ (/+1> =-——Г

j's \ + („-1)Р\ <0 J'r i+(//-i)P' (О

Этап 2.

Соединение установлено, однако имеется превышение T¡ на интервале Ai',, Ai'......Al'v приX=X¡, ser.

цуРК.ц) Р'и)

pi. (, + 1)= v J's.-, р\ (Í + I) =-hL-.

J's \ + <луг-\)Р) At) J'r 1+<лК-1)Р1 (О

J>л J>S

Соединение установлено за время менее Тз на интервале (Ai¡, At2,...,AíJ приX=X¡, ser.

M<r,P¡is(0 n. P)r(0

p\ (í + l) =--, P'. (í + l)= --------h^

J'S \ + {цаг-\)Р1. (t) }'r l+0«7f-l)P¡ (t)

J>л ./>•>

Выбор значений параметров системы управления определяется следующими условиями:

0<а<1, /*>/. а<у1, у2.....р></, 1<о1. а2.....ог,<(1

После каждого действия вся строка нормируется (для обеспечения условия ЦРу.г (1+1)=1).

Система штрафов и поощрений за отклонение от заданного значения задержки формируется на основе выбора соответствующих временных интервалов Промежутки разбиваются на временные интервалы в соответствии с требуемой точностью настройки системы управления и статистическими свойствами в сети.

Рис. 4 поясняет принцип формирования многопороговой системы управления, где:

Т3 — заданное значение задержки в сети (выбирается на основе оценки среднего времени задержки при установлении соединения);

Тд - допустимое значение задержки при установлении соединения в сети (определяется администрацией связи для различных услуг);

С, - текущее значение задержки.

Рис. 4. Принцип формирования многопороговой системы управления.

Каждому временному интервалу присваивается определённое значение штрафа (поощрения). Точность системы управления будет повышаться с увеличением числа контролируемых временных интервалов, т. е. с увеличением степени градации системы штрафов (поощрений). Таким образом данная методика позволяет оценить качество обслуживания абонентов.

Для анализа эффективности учёта времени установления соединения' при адаптивном распределении потоков сигнальной информации были рассмотрены сети построенные на двух принципах построения баз данных: распределенном и централизованном. Проведён сравнительный анализ между имитационной моделью сети СПС с распределенной системой баз данных и сети СПС с централизованной системой баз данных. Для анализа использовался игровой методом адаптивной маршрутизации с учётом времени установления соединения и статистический метод распределения потоков сигнальной информации.

Анализ полученных результатов показал, что адаптивное распределение потоков вызовов с учетом времени установления соединения на сети с распре-

деленной системой баз данных позволяет обеспечить лучшее качество обслуживания по сравнению с централизованной системой. Уменьшается величина потерь и сокращается среднее время установления соединения.

Наибольший эффект (до 20%) достигается при «перекосах» в величине среднего времени передачи управляющей информации для отдельных направлений на фоне общей стабильной ситуации в сети. Однако и при одинаковом состоянии на всех направлениях связи удается обеспечить меньшее значение потерь и времени установления соединения на 7%-12% и 8%-20%, соответственно.

Заключение и общие выводы.

В данной диссертационной работе проведена разработка и исследование принципа построения сети СПС, при этом проведен анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях с различными видами архитектуры, который показал, что использование централизованной базы данных может привести к перегрузкам на сети сигнализации в зоне HLR.

Разработана схема построения сети сотовой мобильной связи с распределенной иерархией баз данных и метод передачи управляющей информации на сети мобильной связи с распределенной базой данных при регистрации и поиске мобильного абонента.

Исследовано влияние сети управления на основе системы сигнализации ОКС-7 на эффективность обслуживания вызовов в сотовых сетях подвижной связи. Показано, что задержки в передаче управляющей информации по сети управления приводят к ухудшению качества обслуживания вызовов, а именно росту потерь и увеличению среднего времени установления соединения в сети.

Проведен анализ эффективности учёта времени установления соединения в сети сотовой мобильной связи.

Разработан метод оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети.

Разработана и исследована модель влияния задержек в установлении соединения на качество обслуживания. При исследовании был применен игровой метод адаптивного управления потоками нагрузки, учитывающий изменения ситуации в сети ОКС-7. Применение данного метода позволяет совместно оценивать загрузку информационных каналов и каналов сети ОКС-7. Метод основан на теории игр автоматов и в отличие от известных методов управления не требует передачи служебной информации по сети, в том числе и по сети ОКС-7.

Проведенный сравнительный анализ эффективности метода адаптивной маршрутизации на сети с распределенной и централизованной системами баз данных показал, что метод учета времени установления соединения в сетях СПС с распределенной системой баз данных позволяет повысить эффективность использования ресурсов сети и улучшить качество обслуживания вызовов в условиях изменяющейся ситуации на сети управления.

По сравнению с централизованным принципом построения сети СПС величина потерь при передаче управляющей информации снижается на 7-12%. При этом среднее время установления соединения в сети сокращается на 825%.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Е. Kozlova, V. Lazarev, S. Reznicov «Distributed Allocation Mobile Subscribers in a Cellular Network» The Third International Conference on New Information Technologies in Education. State Economic University. Minsk, Belarus, 1998.

2. E. Kozlova, O. Faleeva, V. Lazarev, S. Reznicov «The allocated control system of registration of the mobile subscribers in a mobile network.» Tifth International Conference on Advanced Computer Systems, Institute of Computer Science and Information Systems, Tecnical University of Szczecin, Szczecin - Poland, 1998.

3. Козлова Е.С., Лазарев В.Г. «Анализ принципов регистрации мобильного абонента сотовой сети» Научный семинар «Информационные сети и системы». Тезисы докладов. Международная Академия Ифор-матизации, Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи имАС.Попова. Москва, 1999 г.

4. Козлова Е.С., Лазарев В.Г. «Системы управления сигнальной информацией в мобильных телекоммуникационных системах» НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Тезисы докладов. МТУ СИ. Москва, 1999 г.

5. Козлова Е.С., Лазарев В.Г. «Оценка надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети» НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Тезисы докладов. МТУ СИ. Москва, 2000г.

6. Козлова Е.С. «Оценки надежности и среднего времени пребывания заявки в системе обслуживания распределенной системы» Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» №2164 -св.2000, с.21 -27, Москва.

7. Козлова Е.С. «Распределенная система управления регистрацией мобильных абонентов» Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» №2164 -св.2000, с.8-20, Москва.

8. Козлова Е.С. «Анализ эффективности распределенной системы сотовой подвижной связи» International Informatization Forum VI International Conference on Informational Networks and Systems ICINAS-2000. Тезисы докладов. ЛОНИИС, ГУТ им.Бонч-Бруевича, Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им.А.С.Попова. Санкт-Петербург, октябрь 2000.

9. Козлова Е.С. «Анализ надежности связи мобильной сети с распределенной базой данных» IV Международный научный семинар «Информационные сети, системы и технологии». Материалы семинара. Отделение «ИСиС» МАИ. Москва, сентябрь 2003

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 14.01.2004 Тираж 100 экз. Усл.п.л. 1,6 Печать авторефератов: (095) 730-47-74

Р- 22° ■■

РНБ Русский фонд

2004-4 23916

Введение.

Глава 1. Анализ особенностей построения современных сетей сотовой подвижной связи (мобильных сетей).

1.1 Анализ развития сотовой связи.

1.2 Характеристики развития систем сотовой подвижной связи в России.

1.3 Исследование перспектив развития СПС.

1.3.1. СПС третьего поколения.

1.4 Особенности российского рынка СПС.

1.5. Исследование принципов построение и функционирования сотовых СПС.

1.5.1. Характеристики цифровых сотовых сетей подвижной связи.

1.5.2. Особенности построения цифровых СПС с макросотовой структурой.

1.5.3. Общая архитектура и алгоритмы функционирования систем сотовой связи.

1.5.4. Процедура установления и разъединения базового соединения в СПС при взаимодействии по сети ОКС-7.

1.6. Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка архитектуры сети СПС с распределенной системой баз данных.

2.1. Анализ методов адаптивной маршрутизации в сетях сотовой связи.

2.1.1. Анализ принципов динамического управления потоками информации.

2.1.2. Классификация методов маршрутизации в информационных сетях.

2.1.3. Особенности детерминированных методов адаптивной маршрутизации.

2.1.4. Особенности статистических методов адаптивной маршрутизации.

2.1.5. Комбинированные методы адаптивной маршрутизации.

2.2. Централизованные системы сотовой подвижной связи.

• 2.2.1. Обобщенный процесс регистрации и поиска абонента в сети СПС с централизованной системой баз данных.

2.2.1.1. Первичная регистрация.

2.2.1.2. Регистрация пользователя при перемещении посети.

2.2.1.3. Установление связи.

2.2.2. Исследование методов регистрации МТ на сети с централизованной иерархией баз данных.

2.2.2.1. Кэширование местоположения абонента.

2.2.2.2. Репродукция параметров пользователя.

2.2.2.3. Пересылка указателя.

2.2.2.4. Локальное закрепление.

2.3. Распределенные системы СПС.

2.3.1. СПС основанная на стандартной схеме.

2.3.2. Схема разбиения.

2.3.3. Игровой метод поиска МТ.

2.3.4. Распределенный метод регистрации. iф 2.3.4.1. Закрепление идентификационного номера за абонентом

Первичная регистрация).

2.3.4.2. Регистрация пользователя при его перемещении по сети.

2.3.4.3. Установление связи.

2.4. Принципы построения и функционирования сети сигнализации

ОКС-7.

2.5. Выводы по главе 2.

3. Анализ среднего времени пребывания заявки в системе обслуживания

• 3.1. Анализ влияния задержек передачи управляющей информации по сети управления на потери в информационной сети.

3.2. Анализ эффективности учёта времени установления соединения в сети.

3.3. Оценочное сравнение среднего времени пребывания заявки в системе обслуживания централизованного и распределенного принципов построения баз данных сети СПС.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Исследование эффективности метода адаптивного управления распределением потоков управляющей информации на сети с распределенной иерархией баз данных.

4.1. Разработка метода оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети.

4.2. Разработка обобщенного параметра надежности и принципа выбора маршрута.

4.3. Разработка методики динамического управления потоками сигнальной информации на сетях СПС с распределенной схемой построения БД.

4.3.1. Построение таблиц маршрутизации при адаптированном управлении распределением потоков информации на основе игрового метода управления.

4.4. Разработка имитационной модели сети СПС с адаптивной маршрутизацией.

4.5. Анализ эффективности метода адаптивного управления распределением потоков сигнальной информации на сети сотовой подвижной связи с учётом времени установления соединения.

4.6. Выводы по главе 4.

Актуальность темы исследования. В сфере телекоммуникаций мобильная телефонная связь играет все возрастающую роль. Открываются новые коммерческие возможности, растет конкуренция. Проложить путь в это многообещающее будущее можно только за счет обеспечения плавного перехода от существующих систем к системам третьего поколения.

В следующем десятилетии в мире ожидается колоссальный прирост численности абонентов сетей мобильной связи. Азия станет наиболее важным регионом мобильного сообщества. На нее придется крупнейшая доля рынка подвижной связи.

По расчетам UMTS Form, только стандартом GSM к 2001 году пользовались более 500 миллионов абонентов [1, 2].

Абоненты мобильной связи во всем мире (Источник: UMTS Forum) Прочие страны Ш Северная Америка a ATP ■ Евросоюз

1800

1400

1000

800

400

1995

2000

2005

2010

При существующих методах управления сигнальной информацией, такое стремительное увеличение числа пользователей системой мобильной связи ведет к возникновению большого числа трудностей.

Одной из важнейших проблем является большая вероятность перегрузок и сбоев в работе сети, которые в свою очередь могут привести к большим финансовым потерям.

Учитывая все вышеизложенное можно утверждать, что тема исследований, связанная с разработкой методики обмена управляющей информацией в условиях современного роста числа абонентов, а так же сложности и объемов информации, актуальна.

Цель и задачи диссертационного исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование метода обмена управляющей информацией на мобильных сетях.

Для реализации основной цели исследований в работе поставлены следующие задачи:

- провести анализ различных по структуре сетей сотовой мобильной связи;

- провести анализ используемых методов передачи управляющей информации на сетях с различными видами архитектуры;

- проанализировать влияние задержки при передаче управляющей информации на потери;

- разработать метод передачи управляющей информации с целью уменьшения времени установления соединения на сети мобильной связи;

- оценить и проанализировать характеристики сетей с различными видами архитектуры.

Объект исследования. Объектом исследования является сеть сотовой мобильной связи с разными иерархиями баз данных: централизованной и распределенной.

Теоретическая, методологическая основа и информационная база исследования. Исследование базируется на теоретических и методологических положениях.

Для проведения исследований использовались методы теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории автоматической коммутации, теории сетей электросвязи, математической статистики, а также методы имитационного моделирования.

Для расчета оценочных характеристик использовались компьютерные программы, информационные технологии и специализированные прикладные программные продукты.

Источником исходной статистической информации являлись данные, публикуемые Государственным комитетом по статистике РФ, Министерством связи и информатизации, а также материалы периодической печати и источники Internet.

Научная новизна исследований, проведенных в диссертационной работе, состоит в следующем:

• Проведен аналитический обзор различных по структуре сетей сотовой мобильной связи;

• Проведен анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях с различными видами архитектуры, который показал, что использование централизованной базы данных может привести к перегрузкам на сети сигнализации в зоне HLR;

• Проанализировано влияние задержки при передаче управляющей информации на потери вызовов в сети связи;

• Разработана схема построения сети сотовой мобильной связи с распределенной иерархией баз данных;

• Разработан метод передачи управляющей информации на сети мобильной связи с распределенной базой данных при регистрации и поиске мобильного абонента;

• Разработан метод динамического управления потоками сигнальной информации на сетях СПС с распределенной схемой построения БД.

• Разработан алгоритм применения игрового метода управления маршрутами при передаче сигнальной информации;

• Проведено оценочное сравнение характеристик сетей с централизованной и распределенной базами данных;

• Проведен анализ эффективности учёта времени установления соединения в сети сотовой мобильной связи;

• Разработан метод оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети.

Практическая ценность работы и использование ее результатов.

Разработаны рекомендации по внедрению метода передачи управляющей информации на сети мобильной связи.

Результаты диссертационной работы использованы в ИППИ РАН при проведении госбюджетных и хоздоговорных работ, а также в учебном процессе МТУСИ. Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях при разработке новых и развитии существующих сетей СПС общего и специального назначения.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научном семинаре «Информационные сети и системы» в Российском научно-техническом обществе радиотехники, электроники и связи им.А.С.Попова (Москва), на III Международной конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Минск), на Международной конференции посвященной новейшим компьютерным системам (Szczecin, Польша), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава(МТУСИ, Москва), на VI-й Международной конференции «Информационные сети и системы» (Санкт-Петербург).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Аналитический обзор различных по структуре сетей сотовой связи и анализ методов передачи сигнальной информации;

2. Анализ влияния задержки при передаче управляющей информации на потери вызовов в сети связи;

3. Схема построения сети сотовой мобильной связи с распределенной иерархией баз данных;

4. Метод передачи управляющей информации на сети мобильной связи с распределенной иерархией баз данных при регистрации и поиске МА;

5. Метод динамического управления потоками сигнальной информации на сетях СПС с распределенной БД;

6. Оценочное сравнение времени установления соединения и параметра задержки на сетях с централизованной и распределенной БД;

7. Алгоритм применения игрового метода управления маршрутами при передаче сигнальной информации;

8. Метод оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети. Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано самостоятельно и в соавторстве 9 печатных работ. Личный вклад.

Все основные научные результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе, получены автором лично.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 160 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 7 таблиц. Список литературы включает 105 наименований.

4.6. Выводы по главе 4

Анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях мобильной связи с различными видами архитектуры баз данных привел к сравнению показателей надежности связи сетей построенных по разным принципам управления.

Разработанный метод оценки верхней и нижней границ надежности показал, что предлагаемый распределенный принцип обеспечивает более высокую надежность, чем централизованный.

Исследовано применение игрового метода адаптивного управления распределением потоков вызовов на сети СПС с распределенным принципом построения баз данных. Оценка состояния сети ОКС-7 выполняется на основе вероятности попадания значения задержки в определенный интервал, не превышающий заданное значение задержки.

Заключение

В данной работе проведен анализ используемых методов передачи сигнальной информации на сетях с различными видами архитектуры, который показал, что использование централизованной базы данных может привести к перегрузкам на сети сигнализации в зоне HLR.

Разработана схема построения сети сотовой мобильной связи с распределенной иерархией баз данных и метод передачи управляющей информации на сети мобильной связи с распределенной базой данных при регистрации и поиске мобильного абонента.

Исследовано влияние сети управления на основе системы сигнализации ОКС-7 на эффективность обслуживания вызовов в сотовых сетях подвижной связи. Показано, что задержки в передаче управляющей информации по сети управления приводят к ухудшению качества обслуживания вызовов, а именно росту потерь и увеличению среднего времени установления соединения в сети.

Разработана и исследована модель влияния задержек в установлении соединения на качество обслуживания.

Проведен анализ эффективности учёта времени установления соединения в сети сотовой мобильной связи.

Исследованы результаты применения метода адаптивного управления потоками нагрузки, учитывающего изменения ситуации в сети ОКС-7. Данный метод позволяет совместно оценивать загрузку информационных каналов и каналов сети ОКС-7. Метод основан на теории игр автоматов и в отличие от известных методов управления не требует передачи служебной информации по сети, в том числе и по сети ОКС-7.

Разработан метод оценки верхней и нижней границ надежности распределенной системы регистрации и поиска мобильного абонента сотовой сети.

Список основных сокращений

На русском языке.

BJIH Временный локальный номер

ЗР Зона регистрации

ИСС Интеллектуальная сеть связи

МТ Мобильный терминал

НМИ Номер мобильной идентификации

СПС Сеть подвижной связи

СС № 7 Сеть сигнализации № 7

CP Сервер расположения

ТСОП Телефонная сеть общего пользования

УК Узел коммутации

На английском языке.

AT&T American Telephone&Telegraph

BS Base station

BSC Base station controller

CAMEL Customized Applications for Mobile Enhanced Logic

DECT Digital European Cordless Telecommunication

ETSI European Telecommunications Standarts Institute

GSM Global System for Mobile Communication

HLR Home location register

MSC Mobile Switching Centre

SS 7 Signal System №7

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

VLR Visitor location register

1. UMTS Forum, 1998, report № 5.2 «TheFuture Mobile Market». UMTS Forum, report 8,1999.

2. E. Kozlova, V. Lazarev, S. Reznicov «Distributed Allocation Mobile Subscribers in a Cellular Network» The Third International Conference on New Information Technologies in Education. State Economic University. Minsk, Belarus, 1998.

3. GPRS- пакетная передача данных в сетях GSM // Электросвязь, 2000, №5.

4. GSM 04.08. Mobile radio interface layer 3 specification

5. Guidelines for Evaluation of Radio Transmission Technologies for FPLMTS, ITU TG8/1, April 1996.

6. Ian F. Akyildiz, Joseph S.M.Ho "On Location Management For Personal Communications Network", Georgia Institute of Technology IEEE Communication Magazine, 1996.

7. IMT-2000. «Report ITU-R Task Group 8/1, Jersey», 9-20 November 1998.

8. Mohr W. «Impact of the ACTS Frames Project on the International Standardization of the UMTS Radio Interface». 5-й Бизнес-Форум «Мобильные системы-2000», 20-24 марта, М., 2000, т.2.

9. Mouly М., Paulet М. The GSM Systems for Mobile Communications, 1992.

10. Peters M. at al. «The Virtual Environment (VHE) Basic Concepts and Principals». 4rd ACTS Mobile Communications Summit, Sorrento, Italy, June 10-12,1999.

11. Schwartz M. Computer Communication Network Design and Analysis. -N. Y., Prentice-Hall. Inc., 1977.

12. Shneyderman A. «IP Based Mobile Networks, Architecture and Implementation». 5-й Бизнес-Форум «Мобильные системы-2000», 20-24 марта, М., 2000, т.2.

13. Авдеева Л. В. Подвижная связь в России // Электросвязь, 1996, № 7.17