автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Модели и метод оптимизации параметров протоколов RLC/MACC с целью улучшения показателей качества обслуживания сетей пакетной радиопередачи

005004665

БАРЫШНИКОВ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ

МОДЕЛИ И МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОКОЛОВ ЫЬС/МАС С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ СЕТЕЙ ПАКЕТНОЙ РАДИОПЕРЕДАЧИ

Специальность: 05.12.13 - Системы и сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2011

005004665

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" на кафедре Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор физ.-мат. наук, профессор Надеев Адель Фирадович

доктор физ.-мат. наук, профессор Карпов Аркадий Васильевич, профессор кафедры Радиофизики Казанского (приволжского) федерального университета, г.Казань

кандидат технических наук Насыров Ильдар Заурович, директор ООО «АМФИТЕЛ», г.Казань

Ведущая организация Ижевский государственный технический

университет, г. Ижевск

Защита диссертации состоится "21" ЛА 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д212.079.03 в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева - КАИ по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса, д.31/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте КНИТУ-КАИ, а также на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан " 48 " ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., профессор /

Г.И. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При внедрении современных сетей сотовой связи с технологией пакетной радиопередачи (General Packet Radio Service - GPRS) встает задача оптимизации процедур использования ограниченных ресурсов радиоканала, при обеспечении необходимого уровня качества обслуживания (Quality of service - QoS).

Анализ состояния проблемы показал, что большинство практически важных алгоритмов, связанных с обработкой пакетных данных на всех уровнях стека протоколов используются недостаточно эффективно. Установка большего числа протокольных режимов и параметров качества обслуживания в сетях действующих операторов мобильной связи осуществляется «по умолчанию» и тем самым не обеспечивается эффективная адаптация параметров протоколов при передаче разнородного трафика, не учитываются требования по обеспечению гарантированного качества услуг, задаваемого профилем QoS.

Актуальными являются методы, позволяющие производить настройку и оптимизацию параметров канального уровня протокольного стека сетей пакетной радиопередачи. Уровень RLC/MAC характеризуется большим количеством параметров, настройка значений которых может обеспечить существенное улучшение показателей качества обслуживания при ограниченных системных ресурсах.

На сегодняшний день существует достаточно большое количество моделей систем мобильной связи с технологией пакетной радиопередачи GPRS/EDGE, UMTS, в которых протоколы канального уровня моделируются с той или иной степенью детализации.

Среди зарубежных ученых занимающихся проблемами моделирования сетей пакетной радиопередачи следует отметить Roger Kalden, Christoph Lindemann, Dirk Staehle, Kenji Leibnitz и Konstantin Tsipotis и др.

В России исследованию проблем моделирования телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи посвящены работы Мархасина А.Б., Фалина Г.И., Назарова A.A., Кокоревой Е.В. и др. Большинство моделей сетей пакетной радиопередачи строятся на основе аппарата теории телетрафика, марковских процессов (работы В.А. Ефимушкина, Т.В. Дедовских, A. Samhat, Т. Chahed, W. Li и др.). В моделях учитывающих более детальные параметры стека протоколов используются методы как аналитического, так и имитационного моделирования (работыВ.Д. Боева, Д.И. Кирика, Д.Ю. Каталевского, М. Ivanovich, Р. Fitzpatrick и др.). Обширный класс работ исследует механизмы автоматической ретрансляции блоков принятых с ошибками (работы В.И. Неймана, Z. Quan, J. Wall, D. Eun и др.). Значительная часть работ направлена на исследования параметров качества обслуживания и соответственно различных механизмов обработки очередей образующихся в системных буферах (работы В. Moon, Z. Quan, J. Chung, Y.Khan и др.). Ряд моделей строятся с целью предложить альтернативу

существующим стандартизованным протоколам сетевого стека (работы JI.A. Семенова, М.В. Гарова, Н. Kim, X. Qiu и др.).

Однако в известных моделях не в полной мере учитываются требования по обеспечению гарантированного качества обслуживания, задаваемого профилем QoS, также существующие модели не позволяют в полной мере варьировать обширными параметрами протокольного стека. Таким образом, разработка метода по моделированию и оптимизации канального уровня сетей пакетной радиопередачи, основанного на наиболее полном описании протокольного стека и учитывающего вид передаваемого трафика и требования к параметрам QoS при передаче разнородной информации, является актуальной и востребованной задачей на современном этапе развития мобильных инфокоммуникаций.

Цель и задача диссертации

Основная цель диссертационной работы:

Улучшение основных показателей качества обслуживания на канальном уровне в мобильных сетях пакетной радиопередачи на основе разработки моделей и метода оптимизации параметров протоколов RLC/MAC.

Основная задача научных исследований:

Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения основных показателей качества обслуживания на основе аналитической и имитационной моделей.

Основная задача диссертационной работы может быть решена посредством решения следующих подзадач:

1. Анализ характеристик и выявление путей совершенствования протоколов RLC/MAC в современных сетях пакетной радиопередачи;

2. Разработка аналитической модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи основанной на процессе Пуассона модулированного марковским, включающей зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня;

3. Разработка имитационной модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи;

4. Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи обеспечивающего улучшение основных показателей качества обслуживания;

5. Разработка протокола взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, разработка экспериментального стенда и анализ эффективности предлагаемых решений.

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовались методы теории вероятности и математической статистики, теории марковских процессов,

теории моделирования случайных процессов, теории телетрафика, теории сетей связи.

Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения реализованного в программной среде Borland Delphi Enterprise 6.0 и Any Logic 5.4 и созданного экспериментального стенда.

Научная новизна и результаты

В ходе диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня. Найдены вероятностные характеристики марково-модулированного процесса, а также итоговые показатели качества обслуживания;

2. Разработана имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели качества обслуживания;

3. Разработан метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения показателей QoS;

4. Разработан новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, позволяющий оптимизировать характеристики канального уровня. Результаты экспериментальной проверки разработанного протокола свидетельствуют об улучшении основных показателей качества обслуживания.

Достоверность полученных результатов определяется:

1. Согласованностью результатов полученных на основе аналитической и имитационной модели для различных сетевых конфигураций, с известными данными, взятыми из независимых и проверенных источников.

2. Согласованностью полученных зависимостей показателей качества обслуживания от основных параметров канального уровня с характерными для сетей пакетной радиопередачи закономерностями.

3. Использованием экспериментальных данных, полученных при оптимизации взаимодействия специализированной системы под управлением разработанного протокола ASTRA-L с сетями пакетной радиопередачи.

4. Успешным внедрением разработанного метода, обеспечившим улучшение в среднем на 15% по основным показателям качества обслуживания.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на практическое применение при проектировании телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи. Проведенные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу создания программного обеспечения по моделированию и оптимизации телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программных средств. Самостоятельное практическое значение имеют:

1. Метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающий улучшение основных показателей QoS.

2. Программное обеспечение, позволяющее производить анализ и оптимизацию протоколов канального уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.

3. Новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, позволяющий оптимизировать характеристики протоколов канального уровня.

Результаты проведенных исследований были внедрены при разработке комплекса охранно-пожарной сигнализации «Астра». GPRS модуль под управлением разработанного протокола ASTRA-L взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи запущен в опытное производство, а также в учебном процессе кафедры РТС КНИТУ-КАИ при создании новых лабораторных работ по направлению 210700 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи". Использование результатов работы подтверждено соответствующими актами внедрения в научно-техническом центре ЗАО НТЦ «ТЕКО», и в КНИТУ-КАИ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня.

2. Имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной. радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели QoS.

3. Метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающий улучшение основных показателей QoS.

4. Программное обеспечение по анализу и оптимизации протоколов канального уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.

5. Протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи и результаты его экспериментальной проверки.

Апробация работы

Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань 2005, 2006 гг.); VI и VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань 2007 г., Санкт-Петербург 2009 г.); IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Казань 2008 г.); V, VI и VII ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань 2007, 2008, 2009 гг.); VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань 2011г.).

Публикации

Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 10 печатных работах, из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 51 наименование, и содержит 156 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 17 таблиц.

Личный вклад автора

Идея создания метода оптимизации, разработка алгоритма функционирования аналитической и имитационной модели, реализация блока компьютерных программ, оптимизирование GPRS модуля системы охранно-пожарной сигнализации по разработанному методу и анализ полученных результатов были выполнены лично автором.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Представлена цель диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость. Сформулированы положения, выносимые на защиту, рассмотрена структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе "Анализ принципов организации, моделирования и оптимизации протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи" произведен анализ принципов технологии пакетной радиопередачи, описаны основные параметры, которыми характеризуется профиль качества обслуживания, проанализированы существующие модели мобильных технологий в целом и протоколов канального уровня в частности. Подробно

описан канальный уровень радиоинтерфейса сетей пакетной радиопередачи а также функции и режимы работы протоколов МХ/МАС.

Осуществлен анализ параметров протоколов ЯЬС/МАС. Выделены параметры, имеющие наибольшее влияние на исследуемые показатели Сформулирована основная задача научных исследований, как разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов ИЬС/МАС сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения основных показателей качества обслуживания на основе аналитической и имитационной моделей.

Во второй главе "Формализация сетевых параметров и разработка аналитической модели канального уровня сети пакетной радиопередачи" разработана аналитическая модель протоколов ШХ/МАС сетей пакетной радиопередачи.

Модель строится на основе непрерывной марковской цепи. Каждое состояние такой цепи характеризуется вектором, который описывается набором ключевых переменных. Для нахождения безусловных вероятностей установившихся состояний таких систем используются матрично -геометрические методы решений.

Особенность модели заключается в более детальном описании поведения сети при изменении многочисленных настроек и параметров протокольного стека. Это дает возможность не только находить общие характеристики системы (вероятности потери пакета, средний размер очередей системы системные задержки, среднюю скорость передачи информации и др.), но и проследить поведение сети при изменении более тонких настроек, таких как протокольные параметры.

Модель описывается четырьмя переменными: число активных сеансов сети с коммутацией каналов - п, число активных сеансов сети с коммутацией пакетов - ш, число пакетов в буфере - к, состояние одного сеанса - г.

Модель дополнена аналитическими зависимостями показателей С>о8 от основных механизмов канального уровня. Описаны задержки и потери системы при дифференцировании качества обслуживания, рассмотрена приоритетная очередь с двумя классами С^, а также система с мультиклассовыми очередями.

Переходы непрерывной цепи Маркова, условия при которых они

выполняются, новые состояния при условии, что предшествующее состояние

<р(п, к, т, г), а также нормы соответствующих переходов представлены в таблице.

Тип перехода, условия, при которых переход возможен

Возможные переходы марковской цепи

Новое состояние после перехода

Числовые характеристики распределения перехода_

закона

Поступление запросов на соединение с коммутацией каналов (п <Ышах)_

(п+1, к, т, г)

^•сЬап ^1_с11ап

Поступление запросов на соединение с коммутацией пакетов (т < М™,^) (п,к,т+1,г) (п, к, га+1, г+1) р а а+0 (^р«ск+ ^4|_р«ск) 1 (*+О-+■■+-"'•'-)■ * '"¡Г

Завершение соединения с коммутацией каналов (п > 0) (п-1, к, т, г) П(ЩЛ«1 + НМш)

Завершение соединения с коммутацией пакетов (т > 0)П (г = 0) (т>0)П (г = ш) (т > 0)П(0 <г< т ) (п, к, т-1, г) (п, к, т-1, г-1) (п, к, т-1, г-1) (п, к, т-1, г) т(ц«1ш1 + Цк_сЬи) т(Ссь.п+ Ць_сьш) г т(М«Ь«1 + т-г т (РсЬап + ИМ»«)

Прибытие пакетов (к <л*К„,.ЛП(т > 0) (т1фК„„<к< К„„) (п, к+1, т, г) (п, к+1, т, г) пшфи- г) ■ Л^ЛЯ -в,/-к) ■ к

Обслуживание пакетов гшл(Ы-п,8к) > 0 (п, к-1, т, г)

Состояние передачи: г < т г>0 (п,к,т,г+1) (п,к,т, г-1) (т-г)а

На уровне протоколов ЫЬС/МАС существует большое количество параметров, отвечающих за выполнение различных функций по обработке и передачи информации вышестоящих уровней. Многие функции являются универсальными и присутствуют в большинстве протоколов канального уровня различных систем связи. Анализ и аналитическое описание влияния данных функций, а также их параметров на показатели качества обслуживания дало возможность детализировать полученную модель, а также произвести более глубокую оптимизацию созданной модели на канальном уровне.

Одним го важнейших показателей качества обслуживания является средняя скорость передачи пакетов Упер. На среднюю скорость передачи пакетов оказывает влияние большое количество различных сетевых характеристик в целом; а также различных протокольных параметров в частности. Для определения Упср были найдены функции задержек, возникающих из-за особенностей построения механизмов передачи протоколов ИЬС/МАС сетей пакетной радиопередачи.

1. Задержки, вносимые механизмом окна передачи канального уровня. В общем случае, когда значение таймера ответственного за посылку сообщения подтверждения Таскп больше размера окна передачи канального уровня ■ууЧпак скорость передачи оценивается по формуле:

Уюрп(п>Щ =-:- - - --(1)

'«•."ИГО-"

где Ьы» - размер пакета [бит], ^ - время передачи пакета [с], п -количество переданных пакетов, 1РСА - время передачи сообщения РСА 2. Задержки, вносимые механизмом АЯС>.

Скорость передачи после корректного приема к переданных блоков будет иметь вид: '

Vnepjn < W) =-

где т - целое число, показывающее сколько раз за данное время было

РТгаПЛ ПЛЛ^т<Мптп "ПО А —_________ о

послано сообщение РСА с матрицей RBB

OT = int

(3)

ы* 4 '

« по» - суммарное количество поврежденных блоков как при первой так и при повторных передачах. '

3. Задержки, вносимые совместным влиянием ARQ и окна MS. Скорости передачи для произвольного количества переданных блоков при любом отношении п к W, и произвольном значении С/П в радиоканале: '

Vnep. = ---"'¿w_

I \ TnV --(4)

4. Задержки, вызванные истечением таймера ответственного за повторное установление соединения.

Истечение данного таймера приводит к процессу повторного установления соединения, что существенно снижает скорость передачи данных. Пусть g - количество истечений таймера Тгесоп, тогда скорость

оцененная после передачи п блоков определяется как:

or ? ™Р0Й главе получена аналитическая модель, описывающая klumac уровень сетей пакетной радиопередачи и позволяющая находить необходимые сетевые характеристики при изменении наиболее значимых протокольных параметров.

В третьей главе "Разработка программного обеспечения для анализа, моделирования и оптимизации протоколов канального уровня сетей пакетной радиопередачи" проанализированы современные методы, использующиеся при аналитическом и имитационном моделировании систем массового обслуживания, проведен подробный анализ протоколов RLC/MAC, описаны разработанные программные реализации аналитической и имитационной модели, разобраны результаты моделирования и оптимизации. Обобщенная блок схема имитационной модели представлена на рис. 1.

Рис 1. Обобщенная блок схема имитационной модели

Проведенный анализ позволил выявить ключевые процедуры, настройка параметров и режимов которых оказывает наибольшее влияние на итоговые показатели QoS.

Это дало возможность более полно учесть специфику влияния настроек протокольных параметров при моделировании, абстрагировавшись от уже изученных процедур и более детально рассмотреть новые зависимости, найденные в ходе аналитического анализа.

Были смоделированы процессы сегментации блоков верхних уровней, процессы приема/передачи блоков данных и управления, а также контроль над этими процессами согласно механизмам RLC/MAC. На обоих концах радиолинии смоделированы буферы и регистры RLC уровня, необходимые для обеспечения временного блочного потока (Temporary Block Flow - TBF) и механизмов автоматического запроса повторной передачи (Automatic Request for Repeat or Retransmission - ARQ). Результаты аналитического и имитационного моделирования представлены на рис.2-5. Можно отметить

достаточно высокую степень приближения результатов аналитического и имитационного моделирования.

У\/.рс1и

Рис. 2 Зависимость средней скорости передачи пользователя от окна передачи канального уровня

РпотРОи

Рис. 3 Зависимость скорости передачи при работе МЭ в режиме с подтверждением

Рис. 4 Зависимость скорости передачи при изменении значения таймера Таскп

Резкое снижение скорости передачи наблюдается когда значения таймера Т^ становятся соизмеримы с произведением W■tmк, и на систему

начинают действовать задержки вносимые произведением (ТасЬ1 п.

01 23456789 10 Тгесоп

Рис. 5 Зависимость скорости передачи от количества истечений Т^оп

Как видно, даже однократное истечение Тгесоп приводит к значительному снижению скорости передачи, поэтому при оптимизации необходимо стремиться минимизировать вероятность данного истечения.

Объединение с одной стороны зависимости средней скорости абонента от вероятности срыва соединения, а с другой - от времени занятия ресурсов, позволяет найти локальные максимумы, при которых средняя скорость пользователя будет максимальна, при минимальном значении среднего количества сбоев соединений, т.е. при наивысшем возможном качестве связи (Оов).

С помощью созданного имитатора возможно производить подбор, оптимизированных параметров протокольного стека с учетом сетевой архитектуры, нагрузки на сеть, а также профиля С>о5. При этом, чем больше область поиска, тем больше требуется времени на нахождение решения. Поэтому большое значение имеют предлагаемые значения параметров, с которых начинается процесс поиска. Начальные установки параметров находятся при помощи рассмотренной аналитической модели.

Также проделанный анализ показывает, что каждый из системных параметров оказывает существенное влияние не на все, а лишь на определенные показатели качества функционирования системы.

вида»-».*»« »

" г--4» . ■ Ни

173182 ¡ТЭ192 ЦТ3198' '

;т31б8 "|Т3193 "

аУ^ 315 • '! 29.5 'I 27-5 | 25.5

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001X0 «20130140 150160 170180190 2002102202302« 250 2Й0 270 280 290 300 310 ■ Целевой функцжжал (нереалюуеиыв знвчежя) ■ Целевой функцноиал (реализуемые значения)

Рис. 6 Оптимизация совокупности параметров

Ввиду этого, на втором шаге оптимизации для каждого рассматриваемого параметра подбирается целевой функционал, на который этот параметр имеет наибольшее влияние, и процесс подбора осуществляется для каждого параметра в отдельности.

Используется условная оптимизация численным методом прямого поиска, основанном на вычислении значений целевой функции. На рис. 6 показана оптимизация совокупности параметров для системы GPRS. Целевой функционал - средняя скорость передачи данных. Было сделано 260 прогонов модели, при этом найдено лучшее значение функционала, а также соответствующие параметры, при которых достигается это значение.

В качестве примера на рис. 7 показано изменение скорости пакетной передачи данных для одной мобильной станции при установке параметров найденных в ходе текущей оптимизации.

Рис. 7 Изменение скорости пакетной передачи данных для одной мобильной станции при установке параметров найденных в ходе текущей оптимизации

В четвертой главе "Разработка протокола информационного обмена на базе пакетной радиопередачи и его внедрение в реальную сетевую инфраструктуру" был разработан новый протокол взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи, проведен эксперимент по оптимизации GPRS модуля системы охранно-пожарной сигнализации с помощью данного протокола, а также приведены рекомендации по оптимизированной настройке протокольного уровня RLC/MAC.

Протокол ASTRA-L в стеке протоколов сети пакетной радиопередачи GPRS представлен на рис. 8. При помощи разработанного метода была произведена оптимизация параметров GPRS/EDGE модуля коммуникатора Астра - 882. Коммуникатор Астра - 882 предназначен для охраны объектов путем передачи по сети информации о состоянии системы охранно-пожарной сигнализации.

С целью исследования влияния разработанного протокола на качество и оперативность доставки служебной информации, было создано несколько вариантов программных прошивок Р1С-контроллеров

Астра - 882, как под управлением разработанного протокола АБТКА-Ь, так и без него. По приходу какого-либо сообщения в журнал событий А-812, прибор формирует тестовый файл заданного размера, для передачи по средством используемой сетевой технологии. Нахождение оптимизированных настроек производилось при помощи созданного в рамках диссертационной работы имитатора.

Application

TCP У IP

Application

tP/X.25

ас

RLC MAC

GSM RF

R* RLC 1 BSSGP

MAC Network service

GSM RF LI bis

Рис. 8 Протокол ASTRA-L в стеке протоколов сети пакетной радиопередачи GPRS

Как показывают результаты испытаний, использование нового протокола взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи - ASTRA-L дает существенный выигрыш по средним показателям качества и оперативности доставки тревожных сообщений. На основе проведенных экспериментов были сформированы рекомендации по настройке параметров уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с основными целью и задачей в диссертационной работе проведен комплекс исследований моделей, методик и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности использования канальных ресурсов и разработка на их основе программных средств моделирования и оптимизации сетей пакетной радиопередачи. В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен анализ характеристик и выявлены пути совершенствования протоколов RLC/MAC в сетях пакетной радиопередачи;

2. Разработана аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее

значимых параметров канального уровня. Найдены вероятностные характеристики марково-модулированного процесса, а также итоговые показатели качества обслуживания;

3. Разработана имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели качества обслуживания;

4. Разработан метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения показателей QoS;

5. Разработан новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи - ASTRA-L, проведен эксперимент по оптимизации радиомодема GPRS/EDGE системы охранно-пожарной сигнализации под управлением этого протокола. Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют об улучшении в среднем на 15% основных показателей качества обслуживания.

Представленные результаты диссертационной работы свидетельствуют о том, что в работе решена научная задача, заключающаяся в разработке метода выбора и оптимизации параметров протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения основных показателей качества обслуживания на основе аналитической и имитационной моделей.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК:

1. Надеев А.Ф. Моделирование протоколов RLC/MAC из стеков протоколов GPRS / А.Ф. Надеев, A.A. Барышников, О.С. Маияхин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2007. - Т. 10 - №5. - С.83-84.

2. Барышников A.A. Модели и метод оптимизации параметров протоколов RLC/MAC стека GPRS с целью улучшения показателей качества обслуживания / A.A. Барышников И Нелинейный мир. - 2010. - №6 - С 399405.

Другие издания:

3. Барышников A.A. Программа моделирующая протоколы RLC/MAC стека GPRS / A.A. Барышников И Тезисы докладов Всероссийской молодежной научной конференции «XIII Туполевские чтения». - Т. IV. - 2005. - Казань - С. 135.

4. Барышников A.A. Моделирование стека протоколов GPRS с целью оптимизации параметров качества обслуживания ¡A.A. Барышников II Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве». - 2007. - Казань. -С.214.

5. Надеев А.Ф. Моделирование протоколов RLC/MAC из стеков протоколов GPRS / А.Ф. Надеев, A.A. Барышников, О.С. Маняхин // Труды VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». - 2007. - Казань. — С.334-335.

6. Надеев А. Ф. Моделирование протоколов RLC/MAC из стеков протоколов GPRS / А.Ф. Надеев, А.А.Барышников, О.С. Маняхин // Тезисы докладов

V Международной научно-практической конференции «Инфо-коммуникационные технологии глобального информационного общества». -

2007. - Казань.-С. 168.

7. Надеев А.Ф. Моделирование стека протоколов GPRS и анализ параметров качества обслуживания / А. Ф. Надеев, A.A. Барышников // Тезисы докладов

VI Международной научно-практической конференции «Инфо-коммуникационные технологии глобального информационного общества». -

2008. - Казань.-С. 111.

8. Надеев А.Ф. Аналитическое и имитационное моделирование стека протоколов GPRS с целью оптимизации параметров качества обслуживания /А.Ф. Надеев, A.A. Барышников // Тезисы докладов IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» . -2008. - Казань. -С.220-221.

9. Надеев А.Ф, Методика оптимизации параметров протокольного стека GPRS с целью улучшения показателей качества обслуживания / А.Ф. Надеев, A.A. Барышников // Тезисы докладов VII Международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества». - 2009. - Казань. - С.52-53.

10. Барышников A.A. Экспериментальный анализ параметров протоколов стека GPRS на базе модуля SIM300 /A.A. Барышников Н Тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики». - 2011. -Т2,-Казань.-С.330-331.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-шд.л. 0,97. Тираж 100. Заказ 0142.

Типография Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

61 12-5/1235

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА - КАИ

МОДЕЛИ И МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОКОЛОВ КЬС/МАС С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ СЕТЕЙ ПАКЕТНОЙ РАДИОПЕРЕДАЧИ

Специальность: 05Л2ЛЗ - Системы сети и устройства телекоммуникаций

На правах рукописи

БАРЫШНИКОВ АРТЕМ АНАТОЛЬЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, профессор Надеев Адель Фирадович

Казань-2011

Содержание:

Введение 6

Глава 1. Анализ принципов организации, моделирования и оптимизации протоколов ЯЬС/МАС сетей пакетной радиопередачи

1.1 Анализ и сравнение существующих моделей протоколов 12 ЯЬС/МАС

1.2 Анализ функционирования протоколов КЬС/МАС. 14 Выявление путей совершенствования, эффективного использования и возможностей оптимизации

1.2.1 Анализ канального уровня сети пакетной радиопередачи 14

1.2.2 Анализ параметров заголовков и регистров 22

1.2.3 Исследование процедур приема/передачи блоков КЬС/МАС 25

1.2.4 Анализ и систематизация КЬС/МАС счетчиков и таймеров 29

1.2.5 Выбор параметров для оптимизации 33

1.3 Постановка задачи моделирования 33

Глава 2. Формализация сетевых параметров и разработка аналитической модели канального уровня сети пакетной радиопередачи

2.1 Разработка обобщенной аналитической модели сети 36 пакетной радиопередачи

2.1.1 Общие положения 3 6

2.1.2 Скорость передачи информации 3 6

2.1.3 Учет потерь избыточности 39

2.1.4 Требуемое количество КЬС/МАС пакетов 39

2.1.5 Пропускная способность узла коммутации 40

2.1.6 Вероятность потерь пакетов КЬС/МАС 40

2.2 Разработка марковской модель системы пакетной радиопередачи

2.2.1 Введение 43

2.2.2 Марковская цепь 43

2.2.3 Дискретный марковский процесс 46

2.2.4 Марковский процесс для сложной функции 47

2.2.5 Показатели производительности системы 52

2

2.2.6 Критерии качества обслуживания 52

2.3 Описание и формализация показателей (Уо8 канального 54 уровня сети пакетной радиопередачи

2.3.1 Общие положения 54

2.3.2 Вероятность потери пакета в очереди входного буфера с 54 учетом АЯр трафика

2.3.3 Вероятность потери пакета при передачи с использованием 57 механизмов АЯС)

2.3.4 Задержки и потери системы для разных классов качества 58 обслуживания

2.3.5 Приоритетная очередь с двумя классами С>о8 59

2.3.6 Система с мультиклассовыми очередями 60

2.4 Детализация аналитической модели зависимостями 62 от протокольных параметров ЯЬС/МАСуровня

2.4.1 Общие положения 62

2.4.2 Задержки вносимые механизмом окна мобильной станции 63

2.4.3 Задержки вносимые механизмом АЯС) 64

2.4.4 Задержки вносимые совместным влиянием механизмов 66 АЯС) и окна МЗ

2.4.5 Задержки вызванные необходимостью повторного 66 установления соединения

2.5 Выводы по главе 2 68

Глава 3. Разработка программного обеспечения для анализа, моделирования и оптимизации протоколов канального уровня пакетной радиопередачи

3.1 Программная реализация аналитической модели 70

3.1.1 Общие положения 70

3.1.2 Описание структуры модели 70

3.1.3 Описание программного интерфейса 80

3.2 Имитационная модель протоколов ЯЬС/МА С 81

3.2.1 Описание структуры модели 81

3.2.2 Описание программного интерфейса 83

3.2.3 Блок отображения временного блочного потока 84

3.2.4 Блок отображения задаваемых и измеряемых параметров 85

3.2.5 Блок отображения сетевой архитектуры и движения МБ 87

3.3 Результаты моделирования 88

3.3.1 Модель поступления вызовов 88

3.3.2 Модель поступающей нагрузки 88

3.3.3 Запрашиваемая пропускная способность 89

3.3.4 Сегментация LLC пакетов 92

3.3.5 Распределение ресурсов 93

3.3.6 Скорость передачи информации 94

3.3.7 Описание радиоканала 97

3.3.8 Режим без подтверждения 98

3.3.9 Режим с подтверждением 99

3.3.10 Производительность системы 101

3.3.11 Влияние таймеров на производительность системы 102

3.3.12 Итоговая сетевая статистика 103

3.4 Выполнение оптимизации протоколов RLC/MAC 106

3.4.1 Общие положения 106

3.4.2 Выполнение оптимизации 107

3.4.3 Сравнение результатов 109

3.5 Выводы по главе 3 112

Глава 4. Разработка протокола информационного обмена на базе пакетной радиопередачи и его внедрение в реальную сетевую инфраструктуру

4.1 Нахождение предварительных значений 113 протокольных параметров

4.1.1 Общие положения 113

4.1.2 Задержки механизма окна мобильной станции 114

4.1.3 Задержки вносимые механизмом ARQ 117

4.1.4 Задержки вносимые настройкой таймера ТЗ169 119

4.1.5 Задержки вызванные необходимостью повторного 121 установления соединения при истечении таймера ТЗ 182

4.2. Разработка протокола взаимодействия с сетями 123 пакетной радиопередачи

4.2.1 Описание протокола взаимодействия с сетями пакетной 123 радиопередачи

4.2.2 Описание проводимого эксперимента 127

4.2.3 Программа и методика испытаний 129

4.2.4 Результаты испытаний 133

4.2.5 Рекомендации по настройке протокольных счетчиков и 135 таймеров

4.3 Выводы по главе 4 137

Заключение 138

Список используемой литературы 139

Введение

При внедрении современных сетей сотовой связи с технологией пакетной радиопередачи (General Packet Radio Service - GPRS) встает задача оптимизации процедур использования ограниченных ресурсов радиоканала при обеспечении необходимого уровня качества обслуживания (Quality of

service - QoS).

Анализ состояния проблемы показал, что большинство практически важных алгоритмов, связанных с обработкой пакетных данных на всех уровнях стека протоколов используются недостаточно эффективно. Установка большего числа протокольных режимов и параметров качества обслуживания в сетях действующих операторов мобильной связи осуществляется «по умолчанию» и тем самым не обеспечивается эффективная адаптация параметров протоколов при передаче разнородного трафика, не учитываются требования по обеспечению гарантированного

качества услуг, задаваемого профилем QoS.

Актуальными являются методы, позволяющие производить настройку и оптимизацию параметров канального уровня протокольного стека сетей пакетной радиопередачи. Уровень RLC/MAC характеризуется большим количеством параметров, настройка значений которых может обеспечить существенное улучшение показателей качества обслуживания при

ограниченных системных ресурсах.

На сегодняшний день существует достаточно большое количество

моделей систем мобильной связи с технологией пакетной радиопередачи

GPRS/EDGE, UMTS, в которых протоколы канального уровня моделируются

с той или иной степенью детализации.

Среди зарубежных ученых занимающихся проблемами моделирования сетей пакетной радиопередачи следует отметить Roger Kalden, Christoph Lindemann , Dirk Staehle , Kenji Leibnitz и Konstantin Tsipotis [22, 23, 29, 51J и

ДР-

В России исследованию проблем моделирования телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи посвящены работы Мархасина А.Б., Фалина Г И Назарова A.A., Кокоревой E.B. [1, 2, 10, 52-57] и др. Большинство моделей сетей пакетной радиопередачи строятся на основе аппарата теории телетрафика, марковских процессов (работы В.А. Ефимушкина, Т.В. Дедовских, A. Samhat, Т. Chahed, W. Li [14, 35] и др.). В моделях учитывающих более детальные параметры стека протоколов используются методы как аналитического, так и имитационного моделирования (работы В Д Боева Д И. Кирика, Д.Ю. Каталевского [15, 16] и др.). Обширныи класс работ исследует механизмы автоматической ретрансляции блоков принятых с ошибками (работы В.И. Неймана, Z. Quan, J. Wall, D. Eun [1 /,J*j и др) Значительная часть работ направлена на исследования параметров качества обслуживания и соответственно различных механизмов обработки очередей образующихся в системных буферах (работы В. Moon, Z. Quan, J. Chung, Y.Khan [42,43,44] и др.). Ряд моделей строятся с целью предложить

альтернативу существующим стандартизованным протоколам сетевого-стека (работы Л.А. Семенова, М.В. Гарова, Н. Kim, X. Qiu [18,36,48] и др.).

Однако в известных моделях не в полной мере учитываются требования по обеспечению гарантированного качества обслуживания, задаваемого профилем QoS, также существующие модели не позволяют в полной мере варьировать обширными параметрами протокольного стека. Таким образом, разработка метода по моделированию и оптимизации канального уровня сетей пакетной радиопередачи, основанного на наиболее полном описании протокольного стека и учитывающего вид передаваемого трафика и требования к параметрам QoS при передаче разнородной информации, является актуальной и востребованной задачей на современном этапе развития мобильных инфокоммуникаций.

Цель и задача диссертации

Основная пель диссертационной работы:

Улучшение основных показателей качества обслуживания на канальном уровне в мобильных сетях пакетной радиопередачи на основе разработки моделей и метода оптимизации параметров протоколов RLC/MAC. Основная задача научных исследований:

Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения основных показателей качества обслуживания на основе аналитической и имитационной моделей.

Основная задача диссертационной работы может быть решена посредством решения следующих подзадач:

1. Анализ характеристик и выявление путей совершенствования протоколов

RLC/MAC в современных сетях пакетной радиопередачи;

2 Разработка аналитической модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи основанной на процессе Пуассона модулированного марковским, включающей зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня;

3. Разработка имитационной модели протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи;

4. Разработка метода выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи обеспечивающего улучшение основных показателей качества обслуживания;

5. Разработка протокола взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, разработка экспериментального стенда и анализ эффективности предлагаемых решений.

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовались методы теории

вероятности и математической статистики, теории марковских процессов,

теории моделирования случайных процессов, теории телетрафика, теории сетей связи.

Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения реализованного в программной среде Borland Delphi Enterprise 6.0 и Any Logic 5.4 и созданного экспериментального стенда.

Научная новизна и результаты

В ходе диссертационных исследований получены следующие новые

научные результаты:

1. Разработана аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня. Найдены вероятностные характеристики марково-модулированного процесса, а также итоговые показатели качества обслуживания;

2. Разработана имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели качества обслуживания;

3. Разработан метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи с целью улучшения показателей QoS;

4. Разработан новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, позволяющий оптимизировать характеристики канального уровня. Результаты экспериментальной проверки разработанного протокола свидетельствуют об улучшении основных показателей качества обслуживания.

Достоверность полученных результатов определяется:

1. Согласованностью результатов полученных на основе аналитической и имитационной модели для различных сетевых конфигураций, с известными данными, взятыми из независимых и проверенных источников.

2. Согласованностью полученных зависимостей показателей качества обслуживания от основных параметров канального уровня с характерными для сетей пакетной радиопередачи закономерностями.

3. Использованием экспериментальных данных, полученных при оптимизации взаимодействия специализированной системы под управлением разработанного протокола ASTRA-L с сетями пакетной радиопередачи.

4. Успешным внедрением разработанного метода, обеспечившим улучшение в среднем на 15% по основным показателям качества

обслуживания.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на практическое применение при проектировании телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи. Проведенные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу создания программного обеспечения по моделированию и оптимизации телекоммуникационных сетей пакетной радиопередачи. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программных средств. Самостоятельное практическое значение имеют:

1. Метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающий улучшение основных показателей QoS.

2. Программное обеспечение, позволяющее производить анализ и оптимизацию протоколов канального уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.

3. Новый протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи, позволяющий оптимизировать характеристики протоколов канального уровня.

Результаты проведенных исследований были внедрены при разработке комплекса охранно-пожарной сигнализации «Астра». GPRS модуль под управлением разработанного протокола ASTRA-L взаимодействия с сетями пакетной радиопередачи запущен в опытное производство, а также в учебном процессе кафедры РТС КНИТУ-КАИ при создании новых лабораторных работ по направлению 210700 "Инфокоммуникационные технологии и системы связи". Использование результатов работы подтверждено соответствующими актами внедрения в научно-техническом центре ЗАО НТЦ «ТЕКО», и в КНИТУ-КАИ.

Основные положения выносимые на защиту

1. Аналитическая модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, основанная на процессе Пуассона модулированного марковским, включающая зависимости от наиболее значимых параметров канального уровня.

2. Имитационная модель протоколов RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающая возможность анализа влияния основных параметров уровня RLC/MAC на показатели QoS.

3. Метод выбора и оптимизации параметров протоколов уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи, обеспечивающий улучшение основных показателей QoS.

4. Программное обеспечение по анализу и оптимизации протоколов канального уровня RLC/MAC сетей пакетной радиопередачи.

5. Протокол взаимодействия специализированных систем с сетями пакетной радиопередачи и результаты его экспериментальной проверки.

Апробация работы

Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на XIII и XIV Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань 2005, 2006 гг.); VI и VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань 2007 г., Санкт-Петербург 2009 г.); IX Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Казань 2008 г.); V, VI и VII ежегодной международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества» (Казань 2007, 2008, 2009 гг.); VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань 2011 г.).

Публикации

Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 10 печатных работах, из них 2 статьи в журналах из перечня

ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего в себя 51 наименование, и содержит 156 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 17 таблиц.

Личный вклад автора

Идея создания метода оптимизации, разработка алгоритма

функционирования аналитической и имитационной модели, реализация блока компьютерных программ, оптимизирование GPRS модуля системы охранно-пожарной сигнализации по разработанному методу и анализ полученных результатов были выполнены лично автором.

Глава 1. Анализ принципов организации, моделирования и оптимизации протоколов КЬС/МАС сетей пакетной радиопередачи

Приводится анализ технологий пакетной радиопередачи, выявляется специфика функционирования протоколов ЮХ/МАС, подробно описан ЯЛ подуровень радио-интерфейса, а также функции и режимы работы протоколов ШХ/МАС входящих в этот подуровень, описаны проблемы и недостатки технологии, а также возможные пути решения.

Проведенный анализ показал, что большинство практически важных алгоритмов, связанных с обработкой пакетных данных используются неэффективно, не учитывая состояние соответствующ