На правах рукописи

Чернушевич Александр Викторович

Влияние гистерезиса управления трафиком на использование

ресурса узла беспроводных систем передачи информации

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена на базовой кафедре «Информационных сетей и систем» при ИРЭ РАН Федерального Государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (ФГОБУ ВПО МТУСИ)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Цитович Иван Иванович

Официальные оппоненты: Степанов Сергей Николаевич доктор технических наук, профессор, ОАО «Интеллект Телеком», директор информационно-аналитического департамента Ефимушкин Владимир Александрович кандидат физико-математических наук, доцент, ФГУП ЦНИИС, заместитель генерального директора по научной деятельности

Ведущая организация: ФГОБУ ВПО Российский Университет Дружбы Народов

Защита состоится «12» апреля 2012 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д.219.001.03 на базе Московского технического университета связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул.

Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д. 219.001. к.т.н., доц. Ерохин С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее десятилетие получили широкое развитие беспроводные системы передачи информации (БСПИ). В настоящее время БСПИ практически находятся вне конкуренции по оперативности развертывания, мобильности, цене и широте возможных приложений, во многих случаях представляя для такой страны, как Россия единственное экономически оправданное решение.

Анализ тенденций развития БСПИ показывает, что они все больше становятся мультисервисными и осуществляют передачу информации в реальном масштабе времени (РМВ). При передаче трафика РМВ должны учитываться жёсткие требования качества предоставления услуг (QoS).

Усложнение характера и рост объема нагрузки в БСПИ приводит к тому, что требуемое качество обслуживания может быть обеспечено только при использовании эффективных методов управления объемами передаваемых потоков. Задача управления потоками сети разбивается на три самостоятельные задачи управления: доступом в сеть, управление потоком на отдельном маршруте сети и управление потоком на отдельной линии сети.

В данной работе рассматриваются метод управления доступом в БСПИ с использованием порогового управления с приоритетами. Одним из механизмов порогового управления является гистерезисное управление, которое использует три типа порогов для контроля перегрузок – порог обнаружения перегрузки, порог снижения перегрузки и порог сброса перегрузки; таким образом, возникает гистерезис управления доступом. В данной работе рассмотрено гистерезисное управление трафиком на уровне доступа пользователей к ресурсам БСПИ.

Разработке методов управления доступом, а так же гистерезисного управления посвящены работы отечественных и зарубежных исследователей М.А. Красносельского, Г.П. Башарина, В.Г. Лазарева Ю.В. Лазарева, К.Е. Самуйлова, С.Н. Степанова, Н.Я. Паршенкова, Ю.В.

Гайдамаки, Р. Шерера, Л. Клейнрока, М. Охта, М. Ругана и др.

При использовании таких методов, как правило, устанавливаются два уровня нагрузки в сети. Высокий уровень – когда начинается ограничение на доступ определенной категории пользователей к ресурсам сети, и низкий уровень – когда ограничение снимается, при этом уровни могут устанавливаться индивидуально для каждого сервисного класса. В связи с этим, является актуальной задача исследования влияния ширины и положения гистерезисов при использовании управления доступом, основанного на дифференцированном доступе пользователей к ресурсам сети, при наличии нескольких сервисных классов и, следовательно, различного взаимного расположения гистерезисов для этих потоков.

Объектом исследования является процесс предоставления (выделения) ресурсов запросам на обслуживание сегмента БСПИ.

Предметом исследования являются статистические характеристики качества обслуживания запросов от пользователей различных приоритетов, которые влияют на эффективность распределения ресурсов в сети, исследование которых позволяют усовершенствовать методы обслуживания с целью повышения пропускной способности БСПИ.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода повышения пропускной способности БСПИ с приоритетным доступом пользователей к ресурсам сети, основанного на управлении трафиком с помощью гистерезиса.

Для достижения поставленной цели в диссертации проведены следующие исследования:

анализ абонентской базы различных операторов БСПИ для выделения категории пользователей, различающихся по требованиям к уровню QoS;

разработка математической модели сегмента БСПИ при динамическом управлении потоками с различными приоритетами с разработка алгоритмов расчета характеристик модели сегмента БСПИ при различном расположении гистерезисов;

исследование влияния различного взаимного расположения гистерезисов при управлении трафиком на характеристики узла БСПИ;

разработка методики выбора границ гистерезисов и ширина возможного диапазона изменения числа занятых устройств, при котором сохраняются характеристики качества обслуживания на заданном уровне.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы теории сетей связи, теории вероятностей, теории массового обслуживания и методы математического моделирования.

Достоверность результатов. Достоверность результатов обеспечивается адекватностью используемых методов математической статистики и теории вероятностей, верификацией математической модели, а также сравнением аналитических результатов с результатами математического моделирования.

Научная новизна результатов.

Впервые предложена и обоснована математическая модель сегмента БСПИ с управлением доступом пользователей различных категорий при наличии гистерезисов, описываемых объемом занятого ресурса всеми пользователями, а также упрощенная трехпотоковая модель с состояниями БСПИ, описываемыми объемом занятого ресурса всеми пользователями в общих передаточных единицах (ОПЕ) при наличии гистерезисов.

Получены алгоритмы расчета стационарных вероятностей объема используемого ресурса для упрощенной модели в зависимости от взаимного расположения нескольких гистерезисов.

Впервые проведено исследование влияния расположения гистерезисов управления доступом к ресурсам БСПИ на эффективность ее функционирования.

Личный вклад: все основные научные положения и выводы, составляющие содержание диссертации, разработаны соискателем самостоятельно. Теоретические и практические исследования, а также вытекающие из них выводы и рекомендации проведены и получены автором лично.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

выполненные в диссертационной работе исследования и разработанный метод, а также предложенные инженерные методики могут быть использованы для управления доступом к ресурсам БСПИ для обеспечения надежности функционирования узлов системы передачи информации. Разработанный алгоритм расчета стационарных вероятностей объема используемого ресурса позволяет производить расчеты эффективности использования управления доступом с гистерезисами. Основные результаты диссертационной работы использованы ОАО «СМАРТС», ООО «Информационные бизнес системы», а также применяются в учебном процессе МТУСИ на базовой кафедре Информационных сетей и систем при ИРЭ РАН.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 59 студенческой конференции МТУСИ (Москва, 2006), на 64 и 66 научных сессиях РНТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, 2009, 2011), на XI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Кисловодск, 2010), на Международной научно-технической конференция «INTERMATIC-2010» (Москва, МИРЭА, 2010), на пятой научной конференции «Технологии информационного общества» (Москва, МТУСИ, 2010, 2011), на Всероссийской конференции «Информационнотелекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» (Москва, РУДН, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 работы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, внесенных в перечень журналов и изданий, утвержденных ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:

Актуальность задачи распределения ресурсов БСПИ между пользователями различных категорий для ряда технологий БСПИ.

Обоснование перехода к упрощенной трехпотоковой модели, которое показало, что для учета ограничений на доступ к ресурсам сети необходимо различать 4 варианта состояний, когда обслуживаются или не обслуживаются запросы соответствующего потока.

Обоснование необходимости использовать достаточно далеко отстоящие гистерезисы для запросов второго и третьего сервисных классов при нагрузке в узле, превосходящей его пропускную способность или близкой к ней.

Снижение вероятности настойчивости пользователей, создающих нагрузку третьего сервисного класса, позволяет улучшить показатели эффективности использования ресурсов сети в случае, когда показатель удельной общей нагрузки запросов всех сервисных классов на одну ОПЕ.

При перегруженной сети наличие запросов третьего сервисного класса приводит к снижению эффективности БСПИ. В сети за счет запросов третьего сервисного класса ресурсы сети можно использовать более полно, однако вырастает вероятность потерь для запросов второго сервисного класса, который чувствителен к выбору границ гистерезиса для запросов третьего сервисного класса. В слабо нагруженной сети за счет запросов третьего сервисного класса ресурсы сети используются более эффективно, чем при обслуживании только запросов двух первых классов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и приложения. Основная часть содержит 126 страниц, включая 25 рисунков, 12 таблиц.

BСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, определены практическая ценность и области применения результатов, представлены сведения об апробации работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведены исследования, позволившие обосновать постановку задачи. В частности, проведен анализ способов управления пропускной способностью систем доступа.

Для этого исследованы принципы построения систем доступа. Приведен анализ механизмов повышения пропускной способности телекоммуникационных сетей. Выделен и исследован механизм порогового управления, а именно гистерезисное управление в телекоммуникационных системах в историческом развитии.

Гистерезисное управление – механизм управления нагрузкой, когда для предотвращения перегрузки вводится порог перегрузки, при достижении которого изменяется режим обслуживания поступающей нагрузки, и для устранения колебаний в режиме управления при снижении поступающей нагрузки ниже значения порога перегрузки, возврат к нормальному режиму обслуживания происходит при достижении порога снижения перегрузки.

Проведен исторический обзор использования гистерезисного управления в телекоммуникационных системах. Отмечено, что в работах Шерера Р. Г. рассматривалась комбинированная система обслуживания (КСО), которая обслуживала два входящих разноприоритетных потока вызовов, причем оба потока могли находиться в условиях перегрузки. Было показано, что вероятность потерь приоритетного потока мало зависит от изменения числа мест ожидания и сильно зависит от величины порога. В работах Лазарева В.Г. рассмотрена модель узла коммутации каналов, на который поступали вызовы двух потоков, первый из которых был приоритетным. При этом задавалось минимальное значение порога mmin из расчета минимального качества обслуживания вызовов неприоритетного потока. И соответственно, вводилось максимальное значение порога mmax, при котором вызовы неприоритетного потока не могли занимать больше mmax каналов. Данный метод адаптивного управления порогом был обобщен для k потоков различных категорий.

(h,r,n) Показано, что с начала 90-ых годов гистерезисное управление получило широкое распространение в сетях коммутации каналов, с общеканальной системой сигнализации №7 (рис. 1). В дальнейшем также стало применяться и в IP-сетях, где основой сигнализации является протокол инициации сеансов связи. (SIP – Session Initiation Protocol).

Показано, что БСПИ являются лишь транспортными средами, их инфраструктура фактически формирует каналы для потоков данных различных услуг. Каждое из таких приложений обладает своими требованиями: ко времени доставки, надежности, качеству обслуживания, криптозащите и т.д. Проведена классификация БСПИ, рассмотрены основные стандарты и показаны принципы их построения.

Проанализированы принципы функционирования БСПИ. Показано, что архитектура данных сетей позволяет применять метод дифференцированного обслуживания пользователей с гистерезисным управлением, основанный на выделении различных сервисных классов, т.е.

наборов параметров для стандартных приложений. Проведенный анализ абонентской базы различных операторов связи показал, что необходимо различать три типа пользователей в зависимости от требований, предъявляемых ими к QoS, что обосновывает целесообразность ограничиться трехпотоковой моделью управления доступом к ресурсам БСПИ.

Анализ литературы по данной теме показал, что в настоящее время отсутствует применение гистерезисного управления в БСПИ. Поэтому в первой главе сформулирована задача разработки математической модели сегмента БСПИ, учитывающей разные сервисные классы пользователей, их дифференцированный доступ к ресурсам сети, а также гистерезисы, возникающие при управлении доступом к БСПИ.

Основные результаты главы опубликованы в работах [5, 6] Во второй главе диссертационной работы проведено исследование параметров модели дифференцированного обслуживания различных сервисных классов. Показано, что QoS обеспечивает требуемый уровень обслуживания для каждого класса трафика на сети. Эти классы сеть обрабатывает по-разному, предоставляя каждому классу определенную пропускную способность, заданную временем задержки, джиттер в заданных пределах, уровень ошибок в пакетах и процент их потерь. В главе проведено исследование работ по эффективности применения упрощенных моделей. Проведена формализация процедур связи для построения модели дифференцированного обслуживания различных сервисных классов сегмента БСПИ и ее исследование для дальнейшего упрощения. Это позволило провести оценку характеристик качества совместной передачи с помощью хорошо изученного класса модели теории телетрафика с потерями. Рассмотренная модель дает возможность определить количество ресурса, достаточного для передачи сообщений с заданным качеством.

Построена модель дифференцированного обслуживания различных сервисных классов сегмента БСПИ, которая представлена как совокупность абонентских станций (АС), взаимодействие которых осуществляется через базовую станцию (БС), которая взаимодействует с другими сетями. У БС есть определенный объем частотного ресурса, который используется при предоставлении услуг пользователям, подразделяемый на ресурсные блоки. В соответствии с проведенной формализацией вводится понятие основной передаточной единицы (ОПЕ), которое в данной модели соответствует одному ресурсному блоку.

Между каждой АС и БС возникает поток запросов на выделение ресурсов для предоставления услуг различных сервисных классов. Изменение ситуации в зоне обслуживания данной станции, в частности возникновение перегрузок из-за резкого увеличения запросов, или перекосов нагрузки, ведёт к изменению вероятности предоставления ресурса, вероятности отсутствия ресурсов, вероятности ошибок, и может привести к перегрузке БС. Проведено разбиение пользователей на сервисные классы в зависимости от приоритетов. Число сервисных классов пользователей m; i-ый сервисный класс (i=1,m) обладает своим собственным набором параметров качества обслуживания (рис. 2).

Рис.2. Схема функционирования модели дифференцированного обслуживания вызовов различных категорий на сегменте БСПИ Математическая модель может быть описана следующим образом:

имеется доступный ресурс объемом V, на который поступает m потоков заявок, каждый из них соответствует различным сервисным классам пользователей. Все потоки - стационарные пуассоновские процессы с интенсивностями 1, 2, …, m. Время обслуживания вызовов – экспоненциальное, соответственно с параметрами µi. Первому потоку доступны все V ресурсов, для обслуживания вызовов второго потока доступны