Влияние мультифрактальных свойств GPRS/EDGE трафика на характеристики обслуживания мобильных телекоммуникационных сетей - Автореферат

Сотовые системы связи получили достаточно широкое распространение в связи с удобством и мобильностью их использования. В связи, с усовершенствованием существующих технологий, услуга пакетной передачи GPRS перешла в EGPRS и получила современное название усовершенствованного высокоскоростного протокола передачи данных для глобальной эволюции EDGE (Enhanced Datarates for Global Evolition), что послужило большим прорывом для создания сетей третьего поколения (3G). Исследования, проведенные в диссертации в этом направлении, базируется на результатах теоретических и прикладных исследований в области построения систем сотовой связи Маковеева М.М., Макарова В.В., Вознюка М.А, Кан Р.Э., Гроунмейер С.А. и др. Научная задача диссертации заключается в исследовании мультифрактальных свойств сетевого трафика GPRS/EDGE и влияние их на характеристики качества обслуживания мобильных телекоммуникационных сетей связей с пакетной коммутацией. Разработка метода аналитической и численной оценки вероятности превышения допустимого времени пребывания в буфере как одного из основных показателей качества передачи информации в мобильных телекоммуникационных сетях с пакетной коммутацией и получение количественных результатов, характеризующих влияние мультифрактальных свойств данных GPRS/EDGE на характеристики качества обслуживания мобильных сетей связи.Рассмотрена иерархия построения и фазы развития, современных сететей сотовой связи, а также структура и стек протоколов передаваемой информации по протоколам GPRS/EDGE. В соответствии с положениями вейвлет-анализа временной ряд X(t) может быть представлен в виде: , (1) где,-функция начальной аппроксимации, соответствующая масштабу J (J?Jmax); - масштабный коэффициент, равный скалярному произведению исходного ряда V(t) и масштабной функции «самого грубого» масштаба J, смещенной на k единиц масштаба вправо от начала координат;-функция детализации j-го масштаба, - вейвлет-коэффициент масштаба j, равный скалярному произведению исходного ряда X(t) и вейвлета масштаба j, смещенного на k единиц масштаба вправо от начала координат. В качестве иллюстрации на рис.2 представлены результаты статистической обработки, где а) исследуемая трасса, б) результат определения границы между моно и мультифрактальностью, в) результат определение значения показателя Херста на всем масштабе включая моно и мультифрактальность, г) результат определения показателя Херста на монофрактальном участке, д) гистограмма полученного трафика, е) корреляционная функция исследуемого процесса. Анализ полученных данных показывают, что большинство протоколов, используемых в GPRS, обладают самоподобными (фрактальными) свойствами (табл.№1) в общем случае мультифрактальными свойствами, поскольку показатель Херста для всех анализируемых компонент превышает 0,5. Численный анализ показателей масштабирования в зависимости от уровня разложения (номера октавы) при вейвлет анализе показывает, что эти зависимости имеют явно выраженный ломаный характер, что однозначно свидетельствует о мультифрактальном характере исследуемых реализаций трафика, что в свою очередь приводит к необходимости дальнейшего исследования GPRS трафика на более высоком уровне.В диссертационной работе решена задача оценки влияния мультифрактальных свойств GPRS/EDGE трафика на основные характеристики телекоммуникационной сети в условиях заданной архитектуры. Анализ проведенных исследований показал, что полученные экспериментальные данные GPRS/EDGE трафика обладают самоподобной (фрактальной) структурой, как у входящих, так и у исходящих трафиков. Разложение GPRS/EDGE трафика на множество различных протоколов позволило исследовать наличие самоподобных (монофрактальных) свойств у этих компонентов. Результаты анализа трафика SMTP и FTP показывают присутствие монофрактальности не только на малых, но и на больших масштабах времени, а агрегирование состоит из составляющих с сильно отличающимся масштабным поведением. Найдены численные значения коэффициентов при квадратической аппроксимации скейлинговой функции t(q) и масштабного коэффициента с(q) для всех составляющих GPRS/EDGE трафика, позволяющие найти аналитические выражения для мультифрактальных исследуемых процессов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертационной работе решена задача оценки влияния мультифрактальных свойств GPRS/EDGE трафика на основные характеристики телекоммуникационной сети в условиях заданной архитектуры.

1. Анализ проведенных исследований показал, что полученные экспериментальные данные GPRS/EDGE трафика обладают самоподобной (фрактальной) структурой, как у входящих, так и у исходящих трафиков. Разложение GPRS/EDGE трафика на множество различных протоколов позволило исследовать наличие самоподобных (монофрактальных) свойств у этих компонентов. Наибольшее значение показателя Херста наблюдается во входящих IP, TCP, UDP, FR, HTTP, ICMP, WAP трафиках. Анализ представленных экспериментальных данных указывает на наличие сложной, в общем случае мультифрактальной структуры.

2. Результаты анализа трафика SMTP и FTP показывают присутствие монофрактальности не только на малых, но и на больших масштабах времени, а агрегирование состоит из составляющих с сильно отличающимся масштабным поведением.

3. Разработан метод оценки мультифрактальных свойств трафика на основе статистического реализаций телекоммуникационного трафика и найденной в результате статистической обработки функции разбиения. Реализован метод определения скейлинговой функции t(q) и масштабного коэффициента с(q) полностью характеризующих мультифрактальный спектр и мультифрактальную размерность реального телекоммуникационного трафика. Найдены численные значения коэффициентов при квадратической аппроксимации скейлинговой функции t(q) и масштабного коэффициента с(q) для всех составляющих GPRS/EDGE трафика, позволяющие найти аналитические выражения для мультифрактальных исследуемых процессов.

4. С помощью разработанного программного обеспечения в среде Matlab оценен спектр сингулярностей основных составляющих GPRS/EDGE трафика на основе коэффициентов аппроксимации скейлинговой функции t(q) и масштабного коэффициента с(q). Показано, что для каждого спектра сингулярности его характеристические параметры принимают различные значения, лежащие в диапазоне (?min=-0.3, ?max=0.6).

5. Исследования механизма построения очередей для отдельного сервера с бесконечной емкостью буфера при постоянной интенсивности обслуживания, на которую подавался обобщенный мультифрактальный процесс, позволили найти аналитическое выражение для аппроксимации асимптотик вероятностей распределения длины очереди в устойчивом состоянии.

Найдено, что вероятность превышения заданного размера буфера на хвосте распределения очереди в мультифрактальном случае гораздо выше, чем в монофрактальном (гауссовском) случае. Полученные формулы дают корректные результаты при анализе как мультифрактального, так и монофрактального трафика.

6. Показано, что для снижения влияния мультифрактальности необходима оптимизация входных параметров ТС при заданных характеристиках QOS, которая зависит от степени самоподобности входного телекоммуникационного трафика. Необходимость проведения имитационного моделирования, с учетом данной конфигурации сети, и нахождения оптимальных точек при выборе различных начальных условий.

Полученный в работе метод позволил оценить эффективность сетей сотовой связи с услугой пакетной передачи данных с учетом мультифрактальных свойств различных составляющих GPRS/EDGE трафика.

Предложенный в данной диссертационной работе метод внедрен в компанию ЗАО «Шупашкар - GSM», что подтверждается соответствующим актом.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Пастухов А.С. Исследование экспериментальных данных GPRS трафика на фрактальные свойства в сотовой сети связи стандарта GSM./ А.С. Пастухов, С.Б. Матвеев //Вестник Чувашского университета. 2007. №2. С. 244-249.

2. Матвеев С.Б. Исследование протоколов GPRS трафика вейвлет анализом./ С.Б. Матвеев, А.С. Пастухов // Вестник Чувашского университета. 2009. № 4. С. 233-241.

Публикации в других изданиях

3. Шелухин О.И. Экспериментальное исследование самоподобия GPRS трафика в сотовой сети связи стандарта GSM./ О.И. Шелухин, С.Б. Матвеев, А.С. Пастухов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. Т. 3, №2. С. 49-55.

4. Пастухов А.С. Анализ на самоподобие IP-трафика в GPRS сети /А.С. Пастухов, С.Б. Матвеев, В.С. Пряников // Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов Изд.-во Чуваш. ун-та. 2007. С. 57-63.

5. Пастухов А.С. Оценка самоподобных свойств GPRS трафика. /А.С. Пастухов, С.Б. Матвеев // Методы и средства управления технологическими процессами: МСУТП - 2007: материалы IV Международной конф., Саранск, 2007. С. 179-182.

6. Матвеев С.Б. Анализ на самоподобие GPRS трафика вейвлетами./ С.Б. Матвеев, А.С. Пастухов // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2007). Материалы VI Международной научно-практической конференции. Томск, 2007. Ч. 1. С. 64-65.

7. Шелухин О.И. Экспериментальные исследования фрактальных свойств GPRS трафика протоколов сетевых уровней. /О.И. Шелухин, С.Б. Матвеев, А.С.Пастухов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. Т. 3, №3. С. 33-41.

8. Пастухов А.С. Анализ влияния задержки на скорость передачи данных по протоколу TCP через GPRS. / А.С.Пастухов, С.Б. Матвеев, И.Н. Овчинников // Новые информационные технологии в образовании (НИТО). Материалы Международной научно-практической конференции. В 2 Ч. / Российский гос. проф. педагог. ун-т. Екатеринбург. Ч. 2. С. 83-85.

9. Пастухов А.С. Оценка качества пакетной радиосвязи общего назначения GPRS с протоколом TCP / А.С.Пастухов, С.Б. Матвеев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2008. Т. 4, №1, 2. С. 31-37.

10. Матвеев С.Б. Оценка скорости передачи данных с учетом задержек и кодирования в системах пакетной радиосвязи / С.Б. Матвеев, А.С. Пастухов, В.В. Авраменков В.В.// Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2008. Т. 4, №1, 2. С. 50-57.

11. Шелухин О.И. Вейвлет-анализ фрактальных свойств составляющих GPRS трафика. /О.И. Шелухин, С.Б. Матвеев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2008. Т. 4, №3. С. 24-33.

12. Шелухин О.И. Фрактальные свойства GPRS трафика на протоколах сетевых уровней /О.И. Шелухин, С.Б. Матвеев // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса РГУТ и С. 2009. №1 (8). С. 21-28.

13. Матвевв С.Б. Исследование самоподобия GPRS трафика вейвлет-методом. / С.Б. Матвеев, А.С. Пастухов // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем. Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции. Чебоксары, 2009. С. 136-139.

14. Шелухин О.И. Методика оценки влияния показателей обобщенного мультифрактального трафика на построение очередей /О.И. Шелухин, К.Ю. Окулов, С.Б. Матвеев // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2009. Т.5, №2. С. 36-43.

Размещено на .ru