автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы оценки структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения в сетях подвижной связи 3G

На правах рукописи

ВИТЧЕНКО Алексей Александрович

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ ВИРТУАЛЬНОГО ДОМАШНЕГО ОКРУЖЕНИЯ В СЕТЯХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ ЗС

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Данилов Виталий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Яновский Геннадий Григорьевич; кандидат технических наук, с.н.с. Юркин Юрий Викторович

Ведущая организация: НТЦ «ПРОТЕЙ»

Защита состоится « / Оу> УШХМ^ 'Д/ 2003 г. в ^^часов на заседании диссертационного совета К 219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « 2003 г.

Ученый секретарь диссертационно совета к.т.н., доцент &СХ. Харитонов

'¿e>o g-ft

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы и состояние вопроса. Настоящий этап развития телекоммуникаций характеризуется интенсивной разработкой и внедрением в эксплуатацию систем подвижной связи третьего поколения (3G), которые смогут обеспечить своих пользователей более широким спектром дополнительных услуг по сравнению с сетями предыдущих поколений. Начало разработки спецификаций на системы подвижной связи 3G было лоложено еще в 80-х гг., когда в рамках Международного союза электросвязи (ITU) был сформулирован проект «Перспективной сухопутной мобильной телекоммуникационной системы общего пользования» (FPLMTS). Спустя десять лет в, результате сотрудничества ITU с ведущими мировыми институтами по стандартизации были одобрены технические спецификации для систем подвижной связи 3G как IMT-2000. Принятые ITU решения определили ряд фундаментальных подходов к реализации проекта IMT-2000. Первая в мире сеть подвижной связи 3G, соответствующая спецификациям IMT-2000, была запущена в коммерческую эксплуатацию в Южной Корее в октябре 2000 г. Дальнейшее развертывание сетей подвижной связи третьего поколения продолжилось в США, Японии и других странах мира. На начало марта 2003 г. во всем мире в коммерческой эксплуатации находилось уже более 40 сетей подвижной связи 3G, число абонентов которых превысило 45 млн.

В соответствии с рекомендациями сектора стандартизации в области телекоммуникаций Международного • союза электросвязи (ITU-T), Европейского института телекоммуникационных ' стандартов (ETS1), партнерского объединения 3GPP в сетях подвижной связи 3G для обеспечения возможности своим абонентам пользоваться услугами «домашней» сети, находясь за ее пределами — в «визитной» сети, вводится

концепция виртуального домашнего окру^0ицд©<ИВ)кЛвМйвуказанные

БИБЛИОТЕКА |

о» J

рекомендации предусматривают множество вариантов структурно-функционального построения концепции УНЕ.

Поскольку существуют различные варианты структурно-функционального построения концепции УНЕ, на этапе ее проектирования и развития возникает задача выбора того или иного варианта - сценария реализации концепции виртуального домашнего окружения. Для решения поставленной задачи необходимо обладать инструментом, позволяющим оценивать варианты структурно-функционального построения концепции УНЕ. О важности этой задачи говорит и внимание, уделяемое ей разработчиками оборудования, проектировщиками и операторами подвижной связи, на страницах как отечественных, так и зарубежных печатных и электронных изданий. Но в большинстве публикаций, посвященных данной тематике, чаще приводятся только сами сценарии реализации концепции виртуального домашнего окружения и не делается их анализ. В некоторых работах варианты структурно-функционального построения концепции УНЕ оцениваются по объему передаваемой сигнальной информации. При этом не уделяется внимание оценке влияния выбора того или иного сценария на качество реализации услуг, а значит, и на степень удовлетворения этими услугами конечным пользователем.

Большое число возможных сценариев реализации концепции УНЕ, их сложность и сложность их аналитического описания, а также необходимость формализации вычислительных процедур требуют разработки методов оценки вариантов структурно-функционального построения концепции УНЕ.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка методов оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения в подвижных сетях связи третьего поколения, которые позволяют определить рациональный вариант структурного и функционального построения концепции УНЕ по критерию качества реализации услуг и заданных йбходйвйс данных. Основными задачами при этом являются:

разработка модели структурно-функционального построения концепции УНЕ; разработка методов оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения; расчет параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции УНЕ.

Научная новизна работы заключается в постановке задачи и новизне предмета исследования. При этом новыми результатами являются:

модель структурно-функционального построения концепции УНЕ, отражающая взаимосвязь компонент подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации этой концепции, и различные варианты распределения функций процесса реализации услуг;

критерий оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения;

метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции УНЕ, который позволяет определить интенсивность потока заявок на каждую компоненту; математическая модель реализации услуг в рамках концепции УНЕ; метод оценки времени, затрачиваемого на передачу заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, которые участвуют в реализации концепции УНЕ;

метод оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения подвижных сетей связи третьего поколения.

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, теории телетрафика, теории графов, а также работы В.И. Данилова, Н.С. Чагаева и некоторых других авторов, посвященные исследованию вопросов оценки качества обслуживания вызовов в стационарной телефонной сети. Экспериментальные исследования производились на основе метода имитационного моделирования на ЭВМ. Практическая ценность работы заключается в следующем:

разработанные аналитические методы оценки сценариев реализации концепции УНЕ доведены до форм, пригодных для практического использования;

полученные вероятностно-временные характеристики сценариев реализации концепции УНЕ могут быть использованы при реальном проектировании сетей подвижной связи Зв;

разработанные имитационные модели дают возможность, наряду с аналитическими методами, производить оценку сценариев реализации концепции УНЕ.

Вклад автора в решение проблемы. Основные научные положения, теоретические и практические исследования, выводы и рекомендации получены автором самостоятельно. К ним относятся: метод оценки сценариев реализации концепции УНЕ; модель структурного и функционального построения концепции УНЕ; критерий оценки функционирования сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения; метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции УНЕ; математическая модель реализации услуг в рамках концепции УНЕ; метод оценки времени, затрачиваемого на передачу заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции УНЕ; имитационные модели исследования вариантов структурного и функционального построения концепции УНЕ в сетях подвижной связи Зв.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (2002, 2003 гг.), международных телекоммуникационных симпозиумах «Белые ночи в Санкт-Петербурге» (2002,2003 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в материалах научно-технических конференций, международных симпозиумов, форумов и журналов - всего 12 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и одного приложения. Работа содержит 164 страницы текста, включая 37 рисунков, 10 таблиц и библиографический список из 92 наименований.

К защите представлены следующие тезисы:

задержка времени реализации услуги зависит от выбранного варианта структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения;

при оценке качества реализации услуг необходимо учитывать структуру сетей, участвующих в реализации концепции УНЕ, распределение функций процесса реализации услуг между компонентами этих сетей, интенсивность потока заявок на каждую услугу, интенсивность потока заявок на каждую компоненту, дисциплину обслуживания заявок;

реализация разработанных методов, для которых получены аналитические выражения и составлены имитационные модели, позволяет выбирать сценарий реализации концепции УНЕ по заданному критерию;

при оценке конкретного варианта структурно-функционального построения концепции УНЕ возможно использование аналитических методов, метода имитационного моделирования, а также их сочетания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, перечислены основные научные результаты диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту,

пояснены структура и объем диссертации, определены практическая ценность и сведения об апробации работы и кратко изложено ее содержание.

В первом разделе выполнен анализ принципов построения и основных этапов развития систем подвижной связи. Рассмотрены основные подходы, разработанные в международных органах по стандартизации в области телекоммуникаций к построению систем подвижной связи третьего поколения. Тенденции развития систем подвижной связи свидетельствует о дальнейшей разработке и внедрении в эксплуатацию таких систем. Рассмотрены услуги, предоставляемые в сетях подвижной связи третьего поколения.

Одним из главных преимуществ, предлагаемых сетями подвижной связи, является возможность свободного перемещения абонента из своей зоны в ту или иную из зон, обслуживаемых сетями подвижной связи других операторов. При этом абонент хотел бы сохранить свой персональный набор услуг и в других сетях. В соответствии с нормативами международных органов по стандартизации в области телекоммуникаций в сетях подвижной связи Зй для обеспечения возможности своим абонентам пользоваться услугами «домашней» («поддерживающей») сети, находясь за ее пределами -в «визитной» сети, вводится концепция УНЕ.

Реализация услуги в сетях подвижной связи Зв происходит посредством выполнения определенной последовательности функций. Под функцией понимается совокупность действий компоненты подвижной сети связи в процессе реализации услуги при однократном обращении к ней. Эти функции могут быть расположены в различных компонентах как «домашней» («поддерживающей»), так и «визитной» сети. При этом в процессе реализации услуги каждая компонента может выполнять одну или более функций. Таким образом, возникает множество вариантов организации структурно-функционального построения концепции УНЕ.

Так как существуют различные варианты структурно-функционального построения концепции УНЕ, на этапе ее проектирования и развития возникает задача выбора того или иного варианта. Учитывая вышесказанное, необходимо разработать методы оценки вариантов структурно-функционального построения концепции УНЕ.

Предложенный подход проведения системного анализа вариантов структурно-функционального построения концепции УНЕ позволяет выбрать рациональный вариант по заданному критерию.

Во втором разделе осуществлена разработка модели структурного и функционального построения концепции УНЕ, которая позволяет исследовать сценарии реализации концепции УНЕ с учетом подчиненности и взаимосвязи подсистем и компонент подвижных сетей 30, участвующих в ее реализации.

Так как в реализации концепции УНЕ могут участвовать три сети: «домашняя», «поддерживающая» и «визитная», наиболее удобным представляется эти сети считать равноправными с точки зрения реализации данной концепции. В зависимости от степени участия каждой из компонент в УНЕ в каждой из этих сетей можно выделить несколько уровней иерархии. В работе структурно-функциональное построение концепции УНЕ

представлено в виде графа СгД^ = (5, Е). Множество вершин графа соответствуют компонентам вышеуказанных сетей, а его дуги отражают логические связи между ними. Множество вершин ^ состоит из подмножеств

ак

Б , причем

Бк с 5; []Бк = 5; = ф : 3 е Зк}, к = 1,2,3,.....

*

где - множество компонент сетей, участвующих в реализации концепции УНЕ на уровне к; к - номер уровня; ./* - конечное множество значений

индексов на уровне к. Множество дуг Е состоит из подмножеств, соединяющих вершины как различных, так и одноименных уровней, причем

(Екк иЕкм иЕк+1м и Еы*+2 и...о £*+4*+5 иЕШк+$)с: Е,

е% ....................Е^ =(я<+5,Я;+5).

Реализация вариантов распределения функций по реализации услуг в

Кх

, где К - общее число

Лх/

рамках концепции УНЕ задается матрицей

компонент, участвующих в реализации структурно-функционального построения концепции УНЕ; I - общее число услуг, реализуемых посредством концепции УНЕ; X - множество возможных вариантов распределения функций для конкретного варианта структуры концепции УНЕ.

Предложенная модель структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения в виде древовидного графа задает ^множество различных вариантов структурного построения концепции УНЕ, каждый из которых имеет различные варианты распределения функций по реализации услуг межу компонентами и определяет подход к исследованию характеристик различных сценариев реализации концепции УНЕ.

Основной задачей подвижных сетей связи третьего поколения, как и любых других телекоммуникационных сетей, является обслуживание абонентов с заданными критериями качества. При этом качество реализации услуг в «визитной» сети, также как и в «домашней», должно удовлетворять заданным нормам. В соответствии с этим, в качестве критерия оценки любого сценария реализации концепции УНЕ предлагается использовать степень его удовлетворения показателям качества реализации услуг.

При реализации услуг в подвижных сетях 3G, согласно рекомендациям ITU-T, может быть использована концепция IN. Нормативные показатели качества реализации услуг для набора IN CS-1 представлены в рекомендациях ITU-T в виде допустимого времени выполнения функций, необходимых для

продолжения обслуживания вызова после его приостановки в триггерной « _*

точке (7, ) при заданном значении ограничения условной вероятности {г ) и

его среднего значения t. : Р(у > t.)< Р ; tt < tt . При этом под триггерной точкой понимается такая точка в базовом процессе обслуживания вызова, в которой могут быть обнаружены события, представляющие интерес для логики услуг IN.

В связи с тем, что нагрузка, создаваемая пользователями подвижных сетей 3G, находящихся в «визитной» сети, однозначно не определяет нагрузку на компоненты сетей, которые принимают участие в реализации концепции виртуального домашнего окружения, необходимо разработать методы расчета параметров этой нагрузки.

Интенсивность потока заявок, поступающих в ЧНН на Г -го {г — \,R ) компоненту, при реализации услуг в рамках исследуемого варианта структурно-функционального построения концепции VHE может быть выражена функционалом вида

Af = F({X],Gvc^n,\K\Rxl), где G™- граф структурно* функционального построения концепции VHE; матрица распределения числа обращений (kn) к каждой компоненте в процессе

реализации /-й услуги; R- общее число компонент, участвующих в реализации исследуемого варианта структурно-функционального построения концепции VHE; I - общее число услуг, реализуемых посредством исследуемого варианта структурно-функционального построения концепции

УНЕ; Я - интенсивность потока заявок, поступающих в ЧНН на 1-ю услугу

(/ = 1,/), реализуемую посредством исследуемого варианта структурно-функционального построения концепции УНЕ.

Параметр А(. находится как произведение математического ожидания числа абонентов находящихся в «роуминге» и подписавшихся на услугу виртуального домашнего окружения Nvhl., на среднее число запросов на ню

услугу от одного абонента в ЧНН - С(.: А( = Л^ С(.

Величина кг1 зависит от распределения функций между компонентами как «визитной», так и «домашней» («поддерживающей») сети, т.е. от сценария реализации концепции виртуального домашнего окружения.

Параметр ЛУ*е определяет только часть нагрузки, поступающей на каждую компоненту, для оценки функционирования компоненты в целом необходимо учесть уже существующую нагрузку на эту компоненту - Аг. При этом суммарная интенсивность потока заявок, поступающих на Г-ю компоненту в ЧНН, - Аг может быть выражена как Л,. = + Лг.

Предложенный подход позволяет определить нагрузки на компоненты подвижных сетей связи Зв, которые являются исходными данными для нахождения ВВХ исследуемого сценария реализации концепции УНЕ.

В третьем разделе разработана математическая модель реализации услуг, позволяющая получить вероятностно-временные характеристики сценариев реализации концепции УНЕ. Процесс реализации /-й услуги инициируется поступлением заявки на эту услугу и заключается в выполнении цепочки из 3 функций (фаз), необходимых для ее реализации. При этом каждая компонента исследуемого сценария УНЕ может участвовать в реализации 1-й услуги, выполняя определенное число фаз. Таким образом, процесс

реализации i-й услуги можно представить многофазной СМО. При'этом каждая компонента представляется в виде однолинейного обслуживающего прибора (ОП) с определенной организацией дисциплины обслуживания. Полученная СМО является J -фазной системой, состоящей из R независимых ОП, функционирование каждого из которых, описывается записью M/D/1.

Задачу оценки ВВХ любого сценария реализации концепции VHE необходимо свести к определению функции распределения времени реализации /-Й услуги H{t^) — \ — P(j > t,) и среднего значения этого

времени ti. Численные значения следует сравнить с принятыми нормами или с нормами ITU-T и определить степень удовлетворения каждого из исследуемых сценариев реализации концепции VHE заданному качеству реализации услуг. На основании полученных результатов может быть сделан выбор в пользу того сценария реализации концепции VHE, который бы при прочих равных условиях удовлетворял представленным ранее нормам и обеспечивал наименьшую задержку времени реализации услуг. В случае, если необходимо привести какой-либо из исследуемых сценариев реализации концепции VHE в соответствие с этими нормами, полученные результаты также позволят выработать рекомендации по изменению соответствующих характеристик компонент таким образом, чтобы заданное качество реализации услуг было достигнуто. Функцию распределения времени реализации /-й услуги для исследуемого сценария реализации концепции VHE можно представить в виде свертки:

н(о = ну (о »... » H?»\tt) ®... ® (о

где kri- означает, что свертка Y -й функции для 1-й услуги берется кп раз.

Для каждого ОП известна функция Hr (t):

[О, г<гг;т, >0,

где Тг - взвешенное время обслуживания заявки г-й компонентой;

1 з ,

1Л2Х-. +

Тг = ——--; I - общее число услуг реализуемых Г -м

Л,

обслуживающим прибором; 3 - общее число фаз 1-й услуги реализуемое на Г -м ОП; Аг - интенсивность потока заявок, поступающих на Г -ю

II „

компоненту; рг — £ Л X ^„ + р\ - загрузка Г -й компоненты; рг - уже

существующая загрузка Г -й компоненты; Я,- - интенсивность потока заявок поступающих на /-ю услугу; Хп] - суммарное время занятия г-го обслуживающего прибора при реализации ^'-й фазы 1-й услуги. Величина

Т^. складывается из задержек на обработку заявки в компоненте и

пс

времени доставки заявки между ОП Т„у . Величина ^определяется

' Р

следующим образом аг! — ——, где 1¥п - среднее время ожидания заявки в

РГ.

п

очереди к Г -й компоненте при реализации ей 1-й услуги. Для (2) получено преобразование Лапласа-Стильтьеса в виде

<рг(5) = )е«Шг(Г) = = е-"' + ^

о 5 + аГ1

Используя свойство свертки функций (преобразование свертки функций равно произведению преобразований этих функций) и преобразование Лапласа-Стильтьеса, (1) представим в следующем виде:

И^П^'М^-"^1'^*")'".

г=1 /•=1 5 + аг/

Дальнейшие преобразования приводят (1) к виду О ,СХ,

ЩО =

п , , чКА-1 / Л (¡-сУ

а=1 /=о 9=оо 4 ¿7!

Среднее время реализации услуги определяется как

я к и к

г-1 а„.

В четвертом разделе проводятся экспериментальные исследования вариантов структурного и функционального построения концепции УНЕ на ЭВМ. Задачу имитационного моделирования реализации услуг в рамках концепции виртуального домашнего окружения можно свести к постановке экперимента на ЭВМ, который позволит при заданных условиях определить

функциональные зависимости: Р(у > = и t = /(р), условной

вероятности времени выполнения функций, необходимых для продолжения обслуживания вызова после его приостановки в триггерной точке и его среднего значения соответственно. Моделировался процесс реализации услуг при числе фаз от 3 до 13. Текст программы имитационной модели написан на языке ОР88. Созданная имитационная модель позволяет наряду с аналитическими методами оценивать сценарии реализации концепции виртуального домашнего окружения по критерию качества реализации услуг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в работе:

1. Произведен анализ структурно-функционального построения сетей подвижной связи 3G.

2. Разработана модель структурно-функционального построения концепции VHE в виде древовидного графа, которая позволяет исследовать концепцию VHE с учетом подчиненности и взаимосвязи подсистем и компонент подвижных сетей 3G, участвующих в ее реализации.

3. Определен критерий оценки вариантов структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения - качество реализациям услуг.

4. Разработан метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE, позволяющий определить интенсивность потока заявок на каждую компоненту.

5. Разработана математическая модель реализации услуг в рамках концепции VHE.

6. Получены выражения для функции распределения времени реализации услуги и его среднего значения, что позволяет производить выбор варианта структурно-функционального построения концепции VHE, обеспечивающего заданное качество реализации услуг.

7. Получены выражения для оценки среднего времени, затрачиваемого на доставку заявок между компонентами подвижных сетей связи 3G, участвующих в реализации концепции VHE.

8. На основании полученных результатов может быть сделан выбор в пользу того сценария реализации концепции VHE, который бы при прочих равных условиях удовлетворял нормам ITU-T и обеспечивал наименьшую задержку времени реализации услуг. В случае, если необходимо привести какой-либо из исследуемых сценариев реализации концепции VHE в соответствие с этими нормами, полученные результаты также позволят выработать рекомендации по изменению соответствующих характеристик

компонент таким образом, чтобы заданное качество реализации услуг было достигнуто.

9. Разработаны и реализованы на ЭВМ имитационные модели реализации услуг в рамках концепции виртуального домашнего окружения, позволяющие наряду с аналитическими методами выбирать сценарий реализации концепции VHE по критерию качества реализации услуг.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 1. Витченко A.A. Формализованное описание концепции виртуального

домашнего окружения (VHE) 1МТ-2000 // 54-я НТК: Тез. докл./ СПбГУТ.-СПб, 2002. С. 13.

2. Витченко A.A. Вероятностно-временные характеристики (ВВХ) функционирования вариантов построения концепции виртуального домашнего окружения (VHE) // 55-я НТК: Тез. докл./ СПбГУТ.-СПб, 2003. С.4.

3. Витченко A.A. Сценарий реализации роуминга услуг в IMT-2000 // 3-я НТК «Техника и технология связи»: Тез. доклУ ОНАС.-Одесса, 2001.

4. Гольдштейн Б.С., Витченко A.A. Предоставление дополнительных услуг в современных и перспективных сетях мобильной связи 2,5G и 3G // 7-й бизнес форум «Мобильные системы»: Тез. докл./ М., 2002.

5. Гольдштейн Б.С., Фрейнкман В.А., Витченко A.A. Перспективные услуги сотовых сетей поколений 2,5 и 3G // Мобильные системы. 2002. N5. С.

V 8-12.

6. Витченко A.A. Услуги обмена сообщениями: на пути к мультимедийное™ и конвергенции // 3-й Международный телекоммуникационный симпозиум «Белые ночи»: Тез. докл./ СПб, 2002. С.12,13.

7. Витченко A.A., Романов A. MMS - новый шаг в услугах передачи сообщений // Mobile Communication International (RE). 2002. N4. C.22-25.

8. Витченко А .А., Романов А. SIM-меню - инструмент предоставления дополнительных услуг // Mobile Communication International (RE). 2002. N9, C.45-47.

9. Фрейнкман B.A., Овчинников A.B., Витченко А.А. Как расширить возможности SMS-центра // Мобильные системы. 2003. N4. С.64,65.

Ю.Витченко А.А. Перспективные решения в области «Messaging» и «Customer Саге» II 4-й Международный телекоммуникационный симпозиум «Белые ночи»: Тез. доклУ СПб, 2003. С.15-19.

Н.Данилов В.И., Витченко А.А. Методы оценки сценариев реализации концепции VHE в сетях подвижной связи 3 G // Электросвязь. 2003. N4. С.41-44.

12.Фрейнкман В. А., Овчинников А.В., Витченко А.А. Как расширить возможности SMS-центра? // Mobile Communications International (RE), 2003. N3. C.61-63.

Подписано к печати 24.10.2003. Объем 1' печл. Тираж 60 экз. Зак.

Тип. СПбГУТ, 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

г

s

г

»21266 2-^-А

Основные обозначения и сокращения:.

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ 1 Анализ принципов построения и функционирования сетей подвижной связи.

1.1 Этапы развития систем подвижной связи.

1.2 Услуги сетей подвижной связи. Концепция виртуального домашнего окружения. Сценарии реализации концепции VHE.

1.3 Задачи исследования и системный подход к их решению. д Выводы:.

РАЗДЕЛ 2 Разработка методов оценки вариантов структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения в сетях подвижной связи 3G.

2.1 Структурно-функциональное построение систем подвижной связи третьего поколения.

2.2 Разработка модели структурно-функционального построения концепции VHE.

2.3 Определение критерия оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения.

2.4 Разработка метода расчета параметров нагрузки компонент подвижных сетей связи 3G, участвующих в реализации концепции VHE

Выводы:.

РАЗДЕЛ 3 Разработка методов оценки вероятностно-временных характеристик вариантов структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения.

3.1 Математическая модель реализации услуги в рамках концепции виртуального домашнего окружения.

3.2 Вероятностно-временные характеристики сценариев реализации концепции VHE.

3.3 Оценка времени затрачиваемого на доставку заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE.

Выводы:.

РАЗДЕЛ 4 Имитационное моделирование реализации услуг в рамках концепции виртуального домашнего окружения.

Выводы.

Актуальность проблемы и состояние вопроса. Настоящий этап развития телекоммуникаций характеризуется интенсивной разработкой и внедрением в эксплуатацию систем подвижной связи третьего поколения (3G - Third Generation), которые смогут обеспечить своих пользователей более широким спектром дополнительных услуг по сравнению с сетями предыдущих поколений [4]. Начало разработки спецификаций на системы подвижной связи 3G было положено еще в 80-х годах, когда в рамках Международного союза электросвязи (ITU -International Telecommunication Union) был сформулирован проект "Перспективной сухопутной мобильной телекоммуникационной системы общего пользования" (FPLMTS - Future Public Land Mobile Telephone System). Спустя десять лет в результате сотрудничества ITU с ведущими мировыми институтами по стандартизации были одобрены технические спецификации для систем подвижной связи 3G как IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Принятые ITU решения определили ряд фундаментальных подходов к реализации проекта IMT-2000. Первая в мире сеть подвижной связи 3G, соответствующая спецификациям IMT-2000, была запущена в коммерческую эксплуатацию в Южной Корее в октябре 2000 года. Дальнейшее развертывание сетей подвижной связи третьего поколения продолжилось в США, Японии и других странах мира. На начало марта 2003 во всем мире в коммерческой эксплуатации находилось уже более 40 сетей подвижной связи 3G, число абонентов которых, превысило 45 миллионов [79,80,81].

Основной задачей подвижных сетей связи третьего поколения, как и любых других телекоммуникационных сетей, является обслуживание абонентов с заданными критериями качества. В соответствии с рекомендациями сектора стандартизации в области телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T - International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector), Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI -European Telecommunication Standars Institute) и партнерского объединения 3GPP (Third Generation Partnership Project) в сетях подвижной связи 3G, для обеспечения возможности своим абонентам пользоваться услугами "домашней" сети находясь за ее пределами - в "визитной" сети, вводится концепция виртуального домашнего окружения (VHE - Virtual Home Environment) [11,49]. Вышеуказанные рекомендации предусматривают множество вариантов структурно-функционального построения концепции VHE.

Поскольку существуют различные варианты структурно-функционального построения концепции VHE, то на этапе ее проектирования и развития возникает задача выбора того или иного варианта - сценария реализации концепции виртуального домашнего окружения. Для решения поставленной задачи необходимо обладать инструментом, позволяющим оценивать варианты структурно-функционального построения концепции VHE.

О важности этой задачи говорит и внимание, уделяемое ей разработчиками оборудования, проектировщиками и операторами подвижной связи, на страницах как отечественных, так и зарубежных печатных и электронных изданий. Но в большинстве публикаций, посвященных данной тематике, чаще приводятся только сами сценарии реализации концепции виртуального домашнего окружения и не делается их анализ [11,13,14,49,50]. В некоторых работах, варианты структурно-функционального построения концепции VHE оцениваются по объему передаваемой сигнальной информации [45]. При этом не уделяется внимание оценке влияния выбора того или иного сценария на качество реализации услуг, а значит и на степень удовлетворения этими услугами конечным пользователем.

Большое число возможных сценариев реализации концепции VHE, их сложность и сложность их аналитического описания, а также необходимость формализации вычислительных процедур требуют разработки методов оценки вариантов структурно-функционального построения концепции VHE.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка методов оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения в подвижных сетях связи третьего поколения, которые позволяют определить рациональный вариант структурного и функционального построения концепции VHE по критерию качества реализации услуг и заданных исходных данных. Основными задачами при этом являются: разработка модели структурно-функционального построения концепции VHE; разработка методов оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения; расчет параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE.

Научная новизна работы заключается в постановке задачи и новизне предмета исследования. При этом новыми результатами являются: модель структурно-функционального построения концепции VHE, отражающая взаимосвязь компонент подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации этой концепции, и различные варианты распределения функций процесса реализации услуг; критерий оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения; метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE, который позволяет определить интенсивность потока заявок на каждую компоненту; математическая модель реализации услуг в рамках концепции VHE; метод оценки времени, затрачиваемого на передачу заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, которые участвуют в реализации концепции VHE; метод оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения подвижных сетей связи третьего поколения.

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, теории телетрафика, теории графов, а также работы В.И. Данилова, Н.С. Чагаева и некоторых других авторов, посвященные исследованию вопросов оценки качества обслуживания вызовов в стационарной телефонной сети. Экспериментальные исследования производились на основе метода имитационного моделирования на ЭВМ. Практическая ценность работы заключается в следующем: разработанные аналитические методы оценки сценариев реализации концепции VHE доведены до форм, пригодных для практического использования; полученные вероятностно-временные характеристики сценариев реализации концепции VHE могут быть использованы при реальном проектировании сетей подвижной связи 3G; разработанные имитационные модели дают возможность, наряду с аналитическими методами, производить оценку сценариев реализации концепции VHE.

Вклад автора в решение проблемы. Основные научные положения, теоретические и практические исследования, выводы и рекомендации получены автором самостоятельно. К ним относятся: метод оценки сценариев реализации концепции VHE; модель структурного и функционального построения концепции VHE; критерий оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения; метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE; математическая модель реализации услуг в рамках концепции VHE; метод оценки времени, затрачиваемого на передачу заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE; имитационные модели исследования вариантов структурного и функционального построения концепции VHE в сетях подвижной связи 3G.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (2002, 2003 гг.), международных телекоммуникационных симпозиумах "Белые ночи в Санкт-Петербурге" (2002, 2003 гг.). Имеются акты использования результатов диссертационной работы.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в материалах научно-технических конференций, международных симпозиумов, форумов и журналов - всего 12 работ.

К защите представлены следующие тезисы: задержка времени реализации услуги зависит от выбранного варианта структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения; при оценке качества реализации услуг необходимо учитывать структуру сетей, участвующих в реализации концепции VHE, распределение функций процесса реализации услуг между компонентами этих сетей, интенсивность потока заявок на каждую услугу, интенсивность потока заявок на каждую компоненту, дисциплину обслуживания заявок; реализация разработанных методов, для которых получены аналитические выражения и составлены имитационные модели, позволяет выбирать сценарий реализации концепции VHE по заданному критерию; при оценке конкретного варианта структурно-функционального построения концепции VHE возможно использование аналитических методов, метода имитационного моделирования, а также их сочетания.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и одного приложения. Работа содержит 164 страницы текста, включая 37 рисунков, 10 таблиц и библиографический список из 92 наименований.

Выводы

1. На основании проведенного анализа функционирования сетей подвижной связи 3G разработана имитационная модель оценки времени реализации услуг в рамках концепции VHE.

2. Разработанная имитационная модель позволяет оценивать различные варианты структурно-функционального построения концепции VHE по критерию качества реализации услуг.

3. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов показывает, что при оценке вариантов структурно-функционального построения концепции VHE возможно использование аналитических методов, метода имитационного моделирования, а также их сочетания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в работе:

1. Произведен анализ структурно-функционального построения сетей подвижной связи 3G.

2. Разработана модель структурно-функционального построения концепции VHE в виде древовидного графа, которая позволяет исследовать концепцию VHE с учетом подчиненности и взаимосвязи подсистем и компонент подвижных сетей 3G, участвующих в ее реализации.

3. Определен критерий оценки вариантов структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения - качество реализациии услуг.

4. Разработан метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE, позволяющий определить интенсивность потока заявок на каждую компоненту.

5. Разработана математическая модель реализации услуг в рамках концепции VHE.

6. Получены выражения для функции распределения времени реализации услуги и его среднего значения, что позволяет производить выбор варианта структурно-функционального построения концепции VHE, обеспечивающего заданное качество реализации услуг.

7. Получены выражения для оценки среднего времени, затрачиваемого на доставку заявок между компонентами подвижных сетей связи 3G, участвующих в реализации концепции VHE.

8. На основании полученных результатов может быть сделан выбор в пользу того сценария реализации концепции VHE, который бы при прочих равных условиях удовлетворял нормам ITU-T и обеспечивал наименьшую задержку времени реализации услуг. В случае, если необходимо привести какой-либо из исследуемых сценариев реализации концепции VHE в соответствие с этими нормами, полученные результаты также позволят выработать рекомендации по изменению соответствующих характеристик компонент таким образом, чтобы заданное качество реализации услуг было достигнуто. 9. Разработаны и реализованы на ЭВМ имитационные модели реализации услуг в рамках концепции виртуального домашнего окружения, позволяющие наряду с аналитическими методами выбирать сценарий реализации концепции VHE по критерию качества реализации услуг.

1. Данилов В.И. Сотовые телефонные сети стандарта GSM // СПб ГУТ-СПб, 1996.

2. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи // М.: Эко-Трендз, 2000.

3. Афанасьев В.В., Горностаев Ю.М. Эволюция мобильных сетей // М.: Мобильные коммуникации, 2001.

4. Невдяев JI.M. Мобильная связь 3-го поколения // М.: МЦНТИ, 2000.

5. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи // М.: Радио и связь, 2001.

6. Гольдштейн Б.С., Ихриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети // М.: Радио и связь, 2000.

7. Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий A.JI. IP-Телефония // М.: Радио и связь, 2001.

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

9. Соколов Н.А. Эволюция местных телефонных сетей // Пермь: ТОО "Книга", 1994.

10. Ю.Олифер В.Г.,Олифер Н.А. Компьютерные сети // Санкт-Петербург: Питер, 1999.

11. Framework for IMT-2000 networks // ITU-T Recommendation Q.1701, 1999.

12. Long-term vision of network aspects for systems beyond IMT-2000 // ITU-T Recommendation Q.1702, 2002.

13. Network functional model for IMT-2000 // ITU-T Recommendation Q.1711, 1998.

14. Information flows for IMT-2000 capability set 1 // ITU-T Recommendation Q.1721, 2000.

15. Radio-technology independent requirements for IMT-2000 layer 2 radio interface // ITU-T Recommendation Q.1731, 2000.

16. IMT-2000 references to release 1999 of GSM evolved UMTS core network with UTRAN access network // ITU-T Recommendation Q. 1741.1, 2002.

17. International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.687, 1997.

18. Framework for services supported on International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.816, 1997.

19. International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000). Network architectures // ITU-R Recommendation M.817, 1992.

20. Satellite operation within International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.818, 1994.

21. Framework for the radio interface(s) and radio sub-system functionality for International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M. 1035, 1994.

22. Performance and quality of service requirements for International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.l 079, 2000.

23. Framework for the satellite component of International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.l 167, 1995.

24. Frame work of International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.l 168, 1995.

25. Evaluation of security mechanisms for IMT-2000 // ITU-R Recommendation M.l223, 1997.

26. Vocabulary of terms for International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) // ITU-R Recommendation M.1224, 1997.

27. Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000 // ITU-R Recommendation M.l225, 1997.

28. Framework for modularity and radio commonality within IMT-2000 // ITU-R Recommendation M. 1311, 1997.

29. Methodology for the calculation of IMT-2000 terrestrial spectrum requirements // ITU-R Recommendation M.l390, 1999.

30. Methodology for the calculation of IMT-2000 satellite spectrum requirements // ITU-R Recommendation M.1391, 1999.

31. Introduction to CCITT Signalling System No. 7 // ITU-T Recommendation Q.700, 1993.

32. Functional description of the message transfer part (MTP) of Signalling System No. 7 // ITU-T Recommendation Q.701, 1993.

33. Signalling data link // ITU-T Recommendation Q.702, 1993.

34. Signalling link // ITU-T Recommendation Q.703, 1996.

35. Signalling network functions and messages // ITU-T Recommendation1. Q.704, 1996.

36. Signalling network structure // ITU-T Recommendation Q.705, 1996.

37. Message transfer part signalling performance // ITU-T Recommendation Q.706, 1996.

38. Mohammad Torabi, Rolfe E.Buhrke Third-Generation mobile telecommunications and virtual home environment: A prioritization analysis // Bell Labs Vol.3 Number 3, 1998.

39. MacDonald D. Archambault S. Using customer expectation in planning the Intelligent Network // ITC-14, 1994

40. MacDonald D. Yan J. Teletraffic performance in Intelligent Network services//ITC-14, 1994

41. GOS objectives for IN services // ITU-T Recommendation E.724, 1996

42. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Service aspects; Virtual Home Environment (VHE) // ETSI TR 122970, 2000.

43. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Virtual Home Environment (VHE) in the ISDN; Evolved UMTS core network // ETSI EG 201717, 2000.

44. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания // М.: Машиностроение, 1979.

45. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями // М.: Мир, 1979.

46. Лившиц B.C., Фидлин Я.В., Харкевич А.Д. Теория телефонных и телеграфных сообщений // М.:Связь, 1971.

47. Шнепс М.А., Системы распределения информации. Числовые методы; справочник//М.:Связь, 1979.

48. Данилов В.И. Методы оценки структурного и функционального построения многопроцессорных систем управления узлов коммутации // диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Ленинград, 1986.

49. Володин С.В., Колин К.К. Системы распределения информации / Об апроксимации распределения длительности ожидания в одноканальных системах массового обслуживания // М.: Наука, с.36-41,1972.

50. Саркисян А.Р. Методы оценки ВВХ сотовых сетей связи // диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Санкт-Петербург, 1998.

51. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования // М.:Наука, 1971.

52. Чагаев Н.С. Моделирование процессов управления в узлах коммутации // М.: Москва Радио и связь, 1984.

53. Гинзбург В.М., Берлин А.Н. Автоматическая радиотелефонная связь. Система "Волемот" // СПбГУТ.-СПб, 1996.

54. Витченко А.А. Формализованное описание концепции виртуального домашнего окружения (VHE) IMT-2000 // 54-я НТК: Тез. докл./ СПб ГУТ.-СПб, 2002, с. 13.

55. Витченко А.А. Вероятностно-временные характеристики (ВВХ) функционирования вариантов построения концепции виртуального домашенего окружения (VHE) // 55-я НТК: Тез. докл./ СПбГУТ.-СПб, 2003, с.4.

56. Витченко А.А. Сценарий реализации роуминга услуг в IMT-2000 // 3-я НТК "Техника и технология связи": Тез. докл./ ОНАС.-Одесса, 2001

57. Гольдштейн Б.С., Витченко А.А. Предоставление дополнительных услуг в современных и перспективных сетях мобильной связи 2,5G и 3G // 7-й бизнес форум "Мобильные системы": Тез. докл./ Москва, 2002

58. Гольдштейн Б.С., Фрейнкман В.А., Витченко А.А. Перспективные услуги сотовых сетей поколений 2,5 и 3G // Мобильные системы, 2002.-N5, с. 8-12.

59. Витченко А.А. Услуги обмена сообщениями: на пути к мультимедийности и конвергенции // 3-й Международный телекоммуникационный симпозиум "Белые ночи": Тез. докл./ СПб, 2002, с.12-13.

60. Витченко А.А., Романов A. MMS новый шаг в услугах передачи сообщений // Mobile Communication International (RE), 2002,- N4, c.22-25.

61. Витченко A.A., Романов A. SIM-меню инструмент предоставления дополнительных услуг // Mobile Communication International (RE), 2002.-N9, c.45-47.

62. Фрейнкман B.A., Овчинников A.B., Витченко А.А. Как расширить возможности SMS-центра// Мобильные системы, 2003.- N4, с.64-65.

63. Витченко А.А. Перспективные решения в области "Messaging" и "Customer Care" // 4-й Международный телекоммуникационный симпозиум "Белые ночи": Тез. докл./ СПб, 2003, с. 15-19.

64. Данилов В.И., Витченко А.А. Методы оценки сценариев реализации концепции VHE в сетях подвижной связи 3G // Электросвязь, 2003.- N4, с.41-44.

65. Аваков Р.А. В.О.Игнатьев, А.Г.Попова, Н.С.Чагаев Управляющие системы электросвязи и их программное обеспечение // М.: Радио и связь, 1991.

66. Лившиц Б.С., Пшеничников П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика // М.: Связь, 1979.

67. Берж К. Теория графов и ее применение // М.: ИЛ, 1962.

68. Ope О. Графы и их применение // М.: Мир, 1965.

69. Фрейнкман В. А., Овчинников А.В., Витченко А.А. Как расширить возможности SMS-центра? // Mobile Communications International (RE), 2003.- N3, c.61-63

70. Материалы электронного журнала "Сотовик" // www.sotovik.ru

71. Материалы электронного журнала "3GNEWS" // www.3gnews.ru 81 .Материалы сервера "Mobile VHE" // www.mobilevhe.com

72. Материалы Ассоциации 3G // www.a3g.ru

73. Материалы Партнерского объединения 3GPP // www.3gpp.org

74. Материалы Партнерского объединения 3GPP2 // www.3gpp2.org

75. Гольдштейн Б.С., Ихриель И.М., Рерле Р.Д., Конвергенция интеллектуальных и мобильных сетей // Вестник связи, 2000.- N4.

76. Подопрыгалов М. Подводя итоги 2001 года: 3G переход от теории к практике // Мобильные системы, 2002,- N2.

77. Alvin Yew, Christos Bohoris, Antonio Liotta, George Pavlou Quality of Service Management for the Virtual Home Environment // Centre for Communication Systems Research, School of Electronics, Computing & Mathematics University of Surrey, UK, 2001.

78. Ратынский M.B. Основы сотовой связи // M.: Радио и связь, 2000.

79. Материалы сервера // www.protei.ru

80. Материалы сервера // www.loniis.ru91 .Материалы сервера // www.e-commerce.ru

81. Кузякин М., Лихтциндер Б., Росляков А., Фомичев С. Интеллектуальные сети связи // М.: Эко-Трендз, 2002.