РОЗРОБКА МОДЕЛІ НАДАННЯ ПОСЛУГ У МУЛЬТИОПЕРАТОРСЬКІЙ МЕРЕЖІ ЗА ДОПОМОГОЮ АЛГОРИТМІВ БАЛАНСУВАННЯ ТРАФІКУ

Алтухов Д.С., студент; науковий керівник:Дегтяренко І. В., к.т.н., доцент

На сьогоднішній день в Україні існує багато операторів мобільного зв’язку які забезпечують якісне покриття майже на всій території країни. Звичайний голосовий зв’язок є загальнодоступним як за технічними так і за фінансовими можливостями. Також активно розвивається мобільний Інтернет, чому сприяє стрімке зростання кількості планшетів, смартфонів, нетбуків які надають можливість користуватися послугами у будь-якому місці. І якщо у великих містах користувач мобільного пристрою все має великий вибір наявних мереж різних технологій, як то 2G(EDGE), 3G(CDMA, UMTS), WiFi, які надають високі показники обміну даними, то для користувачів, що мешкають у менших містах, вибір не таких великий. Особливо гостро це постає у приватних секторах міст, де інфраструктури кабельного Інтернету немає, а потреба у високошвидкісному Інтернеті є. Це ж стосується і сіл, зокрема сільських шкіл, для яких доступ до Інтернету є необхідністю для надання сучасного рівня навчання. Ці проблеми можна розв’язати завдяки переходу на мережі четвертого покоління (Fourth Generation, 4G), які забезпечать значно більші швидкості передачі даних, запропонують широкий спектр послуг та застосунків

У даній роботі запропонована модель побудови та функціонування мережі нового покоління, алгоритм розподілу викликів у такій мережі, а також описаний математичних апарат та розроблена програмна модель, яка дозволить оцінити переваги запропонованих рішень.

Для імітації надходження викликів у мережу від користувачів потрібно розробити генератор трафіку. Для цього потрібно розглянути основні типи трафіку у сучасних мультисервісних мобільних мережах, а також проаналізувати закони розподілу подій, характерних для цих видів трафіку.

Основними джерелами трафіку у сучасних мультисервісних мережах є VoIP(voice over IP), HTTP(Hyper Text Transfer Protocol) та IPTV(протокол UDP). Результати досліджень показують, що для трафіку VoIP послідовність тривалостей розмов має експоненціальний розподіл, такий же розподіл має послідовність інтервалів між викликами. Для трафіку IPTV час обслуговування розділений також за експоненціальним законом, а проміжок між викликами описується розподілом Парето. Трафік HTTP має розподілений за логнормальним законом проміжок між викликами, та розподілений за експоненціальним законом час обслуговування викликів.

Процес надходження викликів моделюється як рекурентний, де момент надходження наступного виклику вираховується шляхом додавання випадкового інтервалу часу до попереднього. Випадкові інтервали між викликами z_i для запитів трафіку VoIP формуються за експоненціальним розподілом з параметром потоку . Для цього потрібно для кожного випадкового числа ri (0, 1), що генерується датчиком псевдовипадкових чисел, вирішити рівняння:

Вирішуючи це рівняння відносно zi, маємо:

Час обслуговування і-го виклику розподілений за експоненціальним законом:

де hi – середній час обслуговування і-го виклику, r– випадкове число рівномірно розподілене на проміжку [0,1].

Для моделювання надходження та обслуговування запитів IPTV випадкові інтервали між викликами формуються за розподілом Парето, яке при моделюванні отримується шляхом переходу від рівномірного розподілу методом зворотніх функцій [7]:

де Zi – i-й проміжок часу між викликами; α – параметр форми розподілу; b – мода розподілу, r– випадкове число рівномірно розподілене на проміжку [0,1].

Час обслуговування і-го виклику IPTV трафіку також розподілений за експоненціальним законом та розраховується за формулою 1.1. Для генерації випадкових проміжків між запитами HTTP трафіку, розподілених за логнормальним законом, використовується зв’язок із нормальним розподілом. Для цього генеруємо нормально розподілену випадкову величину ri з математичним очікуванням 0 та дисперсією 1, та перейти до величини ξi, розподіленої нормально з математичним очікуванням μ та стандартним відхиленням σ , після чого розраховується її експонента:

Час обслуговування і-го виклику HTTP трафіку розподілений за експоненціальним законом та моделюється за формулою 1.1.

Таким чином можна згенерувати потік запитів від будь якого числа абонентів на будь якому інтервалі часу. Також реалізована можливість вибору типу кодеку для VoIP запитів, та вибір параметрів кодеку MPEG-4 для трафіку IPTV. На рисунку 1 наведено інтерфейс програми з реалізацією розрахунку трафіку:

За допомогою розробленої програми отримаємо графіки навантаження (рис. 2, 3, 4) при наступних параметрах моделювання: час моделювання – 3000 секунд, кількість абонентів 70, трафік VoIP (параметр потоку 5 викл/хв., середній час обслуговування 120 сек, кодек G.726-24), трафік IPTV (параметр потоку 2 викл/хв., середній час обслуговування 180 сек, кодек H.264-352x288), трафік HTTP (параметр потоку 10 викл/хв., середній час обслуговування 5 сек).

Наступник крок – моделювання покриття мобільної мережі. Для розрахунку покриття базових станцій (БС) технологій LTE, UMTS, WiMAX та CDMA була використана модель Stanford University Interim (SUI) [8]. Вона дозволяє розрахувати згасання сигналу від БС до мобільного терміналу (МТ) для різних типів місцевості (сільська, приміська, міська) на частотах від 2 ГГц за наступною формулою:

де =100 м, d – відстань між БС та МТ у метрах.

Коефіцієнт корекції висоти антени  розраховується за наступною формулою:

де висота антени БС, коефіцієнти, що визначаються типом місцевості.

де  це згасання сигналу у вільному просторі, довжина хвилі у метрах. Коефіцієнт корекції частоти та висоти підняття антени МТ розраховуються за наступною формулою:

де це частота у МГЦ,а  висота антени сторони приймача у метрах. Ці співвідношення вірні для сільської та приміської місцевості. Для умов міста використовується наступна формула:

де α=5,2 дБ для сільської та приміської місцевості і α=5,2 дБ для міста.

На основі вищевказаних формул була написана програма, яка дозволяє обрати один з трьох типів місцевості, вказати розміри ділянки у метрах, та на цій території розташувати БС різних технологій для чотирьох різних операторів. При виборі БС треба вказати висоту підняття антени, та розташувати її на полі території, програма малює радіус покриття цієї БС. Інтерфейс програми представлено на рисунку 3.6.

Таким чином отримуємо карту покриття та надходження запитів від абонентів, що рухаються по цій карті. Наступний крок – розподіл цих запитів по тій чи іншій мережі.

Отже об’єктом розробки є алгоритм розподілу трафіку в конвергентній мережі, який буде підтримувати та реалізовувати технологію мультихоумінгу та вертикального хендоверу. Він має реалізовуватись як комплексний критерій, що описує якість того чи іншого управлінського рішення. Набір параметрів, що повинні враховуватись при цьому включає: тип трафіку, параметри QoS (пропускна спроможність, затримка, джитер, втрати пакетів), параметри мобільного вузла (швидкість, місце розташування, доступні мережні інтерфейси, стан батареї), уподобання користувача, вартість, коефіцієнт хендовера та інші.

В більшості сучасних алгоритмів при вирішенні задачі оптимального розподілу потоків в якості критерію виступають вільні ресурси мережі, тобто запити, які щойно поступили, направляються у мережі з найбільшими вільними ресурсами. Його недоліком є те, що при цьому не враховуються параметри якості обслуговування мережі та її тарифи.

Ще одним з таких безпріоритетних алгоритмів є «циклічна послідовність» (Round Robin). Цей алгоритм реалізований на комерційному обладнанні АТМ.

Відносно нещодавно був розроблений критерій, заснований на функціях корисності, які є залежністю кількісної нормованої оцінки від певного параметра QoS каналу зв’язку та визначаються граничними значеннями кожного з параметрів і чутливістю певного типу трафіку до зміни параметра [3]:

де U(x) – функція корисності параметра x; i – номер мережі-кандидата; j - тип трафика; b – пропускна спроможність мережі; L – втрати пакетів; С - вартість одиниці даних в мережі; w1 та w2 – вагові коефіцієнти, відповідно, параметрів QoS і вартості, визначається політикою операторів (за умовчанням w1 = w2 = 1).

Розглянемо для прикладу більш детально вигляд функцій корисності для трафіку VoIP. Для пропускної здатності, затримки та втрат функції буде мати наступний вигляд:

На рис.6 наведені діаграми, що відображають параметри якості роботи мережі при використанні різних критеріїв розподілу трафіку по мережах.

Отже із отриманих результатів виходить, що найкращим критерієм розподілу трафіку як з точки зору абонентів, так і з точки зору операторів є критерій, що базується на функціях корисності.

Література

1. Бессараб В.И., Игнатенко Е. Г.,Червинский В. В. Генератор самоподобного трафика для моделей информационных сетей. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. Випуск 15 (130). – Донецьк-2008. – 214 с. С. 23-29.
2. Noman Shabbir, Muhammad T. Sadiq, Hasnain Kashif, Rizwan Ullah, “Comparison of radio propagation models for long term evolution (lte) network”// International Journal of Next-Generation Networks (IJNGN) Vol.3, No.3, September 2011.
3. Cao Z., Zegura E. Utility Max-Min: An Application-Oriented Bandwidth Allocation Scheme, // Proc. IEEE INFOCOM'99, March - 1999.