Удосконалення системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів в мережах мобільного зв'язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ ОБРОБКИ ВИКЛИКІВ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ СИТУАЦІЙНИХ ПРІОРИТЕТІВ В МЕРЕЖАХ МОБІЛЬНОГО ЗВ'ЯЗКУ

Дяденко Олександр Миколайович

Київ - 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Наведені в дисертаційній роботі матеріали свідчать, що перспективним напрямком удосконалення системи обробки викликів в мобільних мережах зв'язку є забезпечення ефективної обробки викликів із застосуванням нових дисциплін обслуговування. Відображені в роботі результати досліджень щодо удосконалення системи обробки викликів показали, що існуючі системи обробки викликів не враховують необхідних технічних і тарифікаційних параметрів, що впливають на обробку викликів у процесі надання послуг у мобільних мережах 4-го покоління.

Система управління правилами обробки та тарифікації викликів (PCC - Police Control and Charging) не враховує системні параметри - ширину раідосмуги, що задіяна для надання послуги в мережі радіодоступу на базі ортогонального частотного розділення каналів з мультиплексуванням (надалі ОЧД), та важливість інформаційного змісту (ваги) контента послуги. Особливо важливо враховувати ці параметри при наданні послуг у режимі перевантаження мережі.

Проблема дослідження на даний час полягає в тому, що не існує систем та методів обробки викликів, які одночасно враховують технічні параметри функціонування мережі радіодоступу та важливість інформаційної складової послуги, а також включають відповідні механізми, методи, моделі, протоколи, інтерфейси та засоби обробки викликів для їх практичного впровадження.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася згідно з планами наукових досліджень кафедри інформаційно-телекомунікаційних мереж Інституту телекомунікаційних систем у рамках держбюджетних тем: 2240 (номер державної реєстрації 0109U000597) «Управління ресурсами та сервісами в гетерогенному інформаційно-телекомунікаційному середовищі», 2970 (номер державної реєстрації 0106U002333) «Програмний комплекс створення, інтеграції та реінженірінгу інформаційних і функціональних ресурсів інформаційно-телекомунікаційного середовища» та госпдоговірних робіт.

Мета та задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення технічної та економічної ефективності функціонування систем обробки та тарифікації викликів мобільних операторів зв'язку при наданні всього спектру сучасних інформаційно-телекомунікаційних послуг за рахунок введення ситуаційних пріоритетів, які враховують технічні та тарифікаційні параметри функціонування мережі радіодоступу на основі ортогонального багатостанційного доступу з частотним розподілом каналів.

Відповідно до мети, основними задачами дослідження є:

1. Аналіз стану та проблем, які виникають при наданні послуг в мережах мобільного зв'язку 4-го покоління, а також моделей, методів та алгоритмів обробки викликів та тарифікації.

2. Визначення переліку технічних параметрів, які визначають ресурси, що використовуються радіомережею та є необхідними для формування гнучкої системи обробки викликів і тарифікації послуг.

3. Удосконалення дисципліни обробки черг заявок введенням ситуаційних пріоритетів на базі коефіцієнту відношення тарифу послуги (значення інформаційної важливості) до ширини радіосмуги, що дозволяє підвищити ефективність функціонування системи обробки викликів без погіршення якості обслуговування.

4. Удосконалення системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів в мережах мобільного зв'язку, а також відповідні протоколи, які задіяні в цих процесах, введенням технічних параметрів, що визначають обсяг використовуваних ресурсів радіомережі та дозволяють підвищити гнучкість тарифікації послуг.

5. На основі удосконаленої системи обробки викликів, що передбачає модифікацію схеми надання послуг та відповідних протоколів, розроблення рекомендації щодо зміни програмних компонент блоку рішення політики обслуговування та тарифікації послуги (PCRF) системи IMS.

6. Доведення ефективностиь удосконаленої системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів в мережах мобільного зв'язку з оригінальною дисципліною обслуговування “RF” та протоколами DMShort, Diameter, GTPv2 і новим інтерфейсом Ty.

Об'єктом дослідження є процеси обробки викликів та тарифікації в мережах мобільного зв'язку.

Предметом дослідження є методи, моделі, та дисципліни обробки викликів та тарифікації в мережах мобільного зв'язку.

Методи дослідження. За допомогою методів теорії масового обслуговування та теорії імовірності досліджувався вплив дисципліни обробки викликів на ефективність системи обробки викликів оператора в конвергентній системі PCC (Police Control and Charging) із застосуванням ситуаційних пріоритетів в мережах мобільного зв'язку ОЧД. За допомогою математичного моделювання проводилася оцінка ефективності керування обробкою викликів у блоці рішення щодо формування правил обслуговування та тарифікації послуги системи IMS. Аналіз способів та засобів керування інформаційними потоками базується на використанні основних положень системного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше запропоновано метод обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів в мережах мобільного зв'язку з ОЧД, який враховує ширину смуги частот та важливість інформаційної складової послуги за рахунок введення ситуаційного коефіцієнту: відношення значення інформаційної ваги послуги (тарифу) до ширини радіосмуги, що дозволяє отримати більш гнучку систему обробки викликів і тарифікації та збільшити її ефективність під час перевантаження мережі.

2. Удосконалено дисципліну обслуговування викликів, яка базується на формуванні ситуаційних пріоритетів із врахуванням відношення тарифу послуги до смуги спожитого нею ресурсу та відрізняється від існуючих тим, що обслуговує першoчергово виклики, які характеризуються найбільшим значенням даного відношення, та застосовується у блоці виконання рішення правил обробки та тарифікації викликів - PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) системи PCC.

3. Удосконалено модель архітектури управління правилами обробки та тарифікації викликів PCC системи IMS, яка враховує параметри частотної смуги при обробці і тарифікації викликів в мережах мобільного зв'язку за рахунок введення додаткового блоку розрахунку тарифу та модифікації протоколу Diameter для передачі параметрів ширини смуги частот у блок формування правил обробки викликів і тарифікації (PCRF - Policy and Charging Rules Function) для її врахування при обробці та тарифікації послуги, а також нового інтерфейсу Ty і протоколу DMShort для он-лайн розрахунку тарифу послуги та передачі необхідних параметрів у блок PCRF для прийняття рішення щодо активації послуги.

Практичне значення одержаних результатів. Усі теоретичні розробки, отримані в дисертаційній роботі, доведені автором до конкретних інженерних методик, алгоритмів та засобів удосконалення системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів в мережах мобільного зв'язку з ОЧД і дозволяють підвищити гнучкість процесів обробки викликів і тарифікації, враховувати обсяг частотного ресурсу використовуваного послугами.

1. На основі розроблених інженерних методик, алгоритмів та засобів обробки викликів і тарифікації розроблено удосконалену систему обробки викликів в IMS, яка застосовується в мережах мобільного зв'язку та враховує параметри частотної смуги при обробці і тарифікації викликів в мережах мобільного зв'язку з ОЧД.

2. На основі удосконаленої системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів створені програмні засоби модифікованої системи IMS для оператора мобільного зв'язку.

3. Проведено апробацію інструментальних засобів удосконаленої системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів. Створені програмні засоби обробки викликів і тарифікації з використанням апаратних засобів компанії Huawei Technologies Co.,Ltd., які використано для удосконалення системи тарифікації компанії МТС, і які показали ефективність рішення та можливість підвищення ефективності функціонування системи обробки викликів на 10-15% під час перевантаження мережі.

4. Виконано впровадження програмних засобів в обладнання компанії Huawei Technologies Co.,Ltd, що дозволяє в подальшому широко використовувати його в мережах мобільних операторів зв'язку для врахування обсягу частотного ресурсу в процесі обробки і тарифікації викликів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були представлені, повідомлені й одержали схвалення на, 15, 18, 19 Міжнародних конференціях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. Крымико» (м. Севастополь, 2005, 2008, 2009), Міжнародній конференції EUROCON 2009 IEEE Region 8 присвячений 150 річчю Олександра Попова, 19-23 травня, 2009, (Росія, м. Санкт-Петербург), 15 Міжнародній конференції «Удосконалені Обчислювальні Системи (Advanced Computer Systems, ACS)», 15-17 жовтня 2009, (Польща, м. Мендзиздроє), Науково-технічній конференції «Електроніка и Нанотехнології», 13-15 квітня, 2009 (м. Київ), 5-й міжнародній науково-практичній конференції «Современные информационные и электронные технологии» 2005р. (м. Одеса).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 3 статтях у спеціалізованих виданнях ВАК України, 2 статтях у журналах з імпакт фактором, 4 доповідях у працях міжнародних конференцій, 5 тезах доповідей в працях міжнародних конференцій, всього в 10 наукових працях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 131 найменування. Загальний обсяг дисертації 140 сторінок, в тому числі 110 сторінок основного тексту та 12 сторінок використаних джерел. Робота містить 39 рисунків, 20 таблиць.

Основний зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі дисертаційної роботи проведений аналіз характеристик послуг, технологій телекомунікаційних мереж, методів і систем обробки викликів, а також розглянуті дисципліни обслуговування в комутаційних центрах мобільних мереж. Аналіз розвитку телекомунікаційних систем, виявив, що мережі IMS/LTE найповніше відповідають вимогам надання персоналізованих послуг (табл.1).

Таблиця. 1. Порівняння технічних особливостей реалізацій персоналізованих послуг у мобільних мережах.

Характеристика надання послуг	2-ге покоління мережі GSM	3-тє покоління мережі UMTS	4-те покоління мережі
Полоса пропускання	До 384 кбіт/с	384 кбіт/с - 2 Мбіт	100Мбіт/с - при мобільному доступі 1 Гбіт при стаціонарному
Технологія комутації	Каналів	Каналів і пакетів	Пакетів
Якість обслуговування пакетних послуг в режимі “end-to-end”	Не підтримується	Підтримується частково	Підтримується
Секретність передачі пакетів зв'язку	Не підтримується	Не підтримується	Підтримується
Багатоадресна передача	Не підтримується	Не підтримується	Підтримується
Тарифікація пакетних сервсів	Підтримується без урахування якості	Підтримується без урахування якості	Підтримується з урахуванням якості
MIMO технології	Не підтримуються	Підтримуються частково	Підтримуються
Технологія доступу	TDMA	CDMA	Різновиди OFDMA

Аналіз структури каналу в мережі LTE показав відмінності порівняно з доступом у режимі передачі даних в UMTS і GSM. Доступ до радіо мережі надається на базі ортогонального частотного розділення каналів з мультиплексуванням. З'являється можливість визначати обсяг частотного ресурсу (кількість піднесущих), що задіяний при наданні послуг. Обсяг частотного ресурсу є одним з основних параметрів, що має бути врахований в процесі обробки та тарифікації мультимедійних послуг. Тому сучасні системи обробки та тарифікації викликів (рис.1) мають враховувати особливості технології реалізації послуг у мережі доступу.

Рис.1. Місце системи обробки та тарифікації викликів в загальній архітектурі мереж 4-го покоління PCC/LTЕ

Архітектура мобільної мережі 4-го покоління (рис. 1) включає три основні складові. Перша - мережа доступу - складається з: терміналу користувача (Terminal); базової станції, що є основною складовою мережі радіодоступу 4-го покоління (eNodeB); обслуговуючого шлюзу доступу (AGW- Access Gatway) - точка концентрації та термінації сесій радіомережі, управління мобільністю користувача. Друга складова - ядро мережі - включає: блок управління сесією (CSCF - Call Sesion Contriol Function), що відповідає за з'єднання користувачів, відкриття сесії користування послугою й т. і.; сервер-реєстратор домашніх абонентів (Home Subscriber Server), що зберігає та обновлює інформацію про підписку користувача, місце знаходження, стан (активний/ неактивний), інше; шлюз взаємодії з іншими мережами (IGW- Inteaction Gateway): телефонними мережами загального користування, мережами Інтернет тощо. Третя складова - це платформи: сервера послуг (AS- Application Server) - програмно-апаратні платформи, що надають послуги абоненту; тарифікаційна платформа (OSC -Online/offline charging system), платформа білінга (Billing) - виконують функції генерації тарифікаційних записів, розрахунок тарифу, формування рахунку абоненту за використання послуг.

Управління обслуговуванням викликів відбувається за допомогою вбудованої архітектури управління обробкою та тарифікацією викликів (PCC, виділено додатково на рис. 1), що відповідає специфікації стандарту 3GPP TS 23.203. PCC включає наступні основні блоки: блок впровадження правил обслуговування викликів і тарифікації (надалі PCEF); блок формування правил обслуговування викликів і тарифікації (надалі PCRF), управління підпискою абонентів (SPR -Subscription Policy Control); блок прикладної програми (AF - application funciotion).

Для управління обробкою викликів PCC використовуються наступні методи:

- примусове (push) управління політиками запитів;

- управління правилами «по запиту» користувача.

На рис. 2 показано діаграму послідовності примусового управління політиками викликів.

Метод управління обробкою викликів описаний нижче по крокам:

1. Блок P-СSCF (Proxy-Call Session Control Function - проксі сервер управління вхідними викликами) отримує “SIP запрошення" на встановлення сесії з SDP описом сесії.

2. P-CSCF направляє запит відповідному терміналу на встановлення сесії.

3. Термінал відповідає на запит за допомогою повідомлення “SIP Відповідь”. Повідомлення містить згоду або відмову на становлення з'єднання.

4. P-CSCF направляє за допомогою Diameter протоколу запит AAR (Authorization-Authentication(AA)-Request) - запит аутентифікації користувача і авторизації послуги та ресурсу для неї в PCRF. Запит включає опис медіа компоненту та суб-компоненту. Процедура перевіряє можливість надання послуги (через взаємодію с SPR) з необхідними характеристиками в мережі доступу.

5. PCRF відповідає на запит повідомленням “AA-Answer” - «успішно» або «не успішно». Під час цієї процедури будуються правила тарифікації і обслуговування послуги користувача.

6. P-CSCF посилає повідомлення - “SDP відповідь” щодо прогресу сесії на сервер ініціації виклику.

7. PCRF посилає запит в PCEF на виконання політики обслуговування та тарифікації викликів.

8. PCEF, через взаємодію с AGW, перевіряє можливість виконання політики обслуговування викликів, посилає відповідь до PCRF - “успішно” або “не успішно”.

9. PCEF посилає активаційний тригерний запит на термінал через PDP протокол (packet data protocol - пакетний протокол передачі даних та команд до користувача).

10. Термінал користувача посилає запит PDP з підтвердженням готовності початку передачі.

11. Шлюз відповідає - підтверджує активацію PDP запита.

Під час даної процедури важливим є момент прийняття рішення щодо впровадження правил оборки викликів й активації передачі послуги терміналу - п. 8 і 9 процедури. При перевантаженні мережі, важливим є порядок обслуговування викликів, що визначається дисципліною обслуговування.

Проведений аналіз показав, що в системах обробки та тарифікації викликів використовуються значна кількість дисциплін обслуговування на основі значення поля пріоритету або за принципом FIFO (першим надійшов перший обслужений). Загальним недоліком цих дисциплін є неможливість врахування змінних технічних параметрів мережі.

У системах оборки викликів перспективним є підхід до формування пріоритету на основі параметрів, що залежать від поточного стану системи. Такий спосіб впливу дає можливість підвищити ефективності СМО в конкретних умовах, у ситуації, а пріоритет отримав назву “ситуаційний пріоритет”. Такий підхід знаходить все більше застосування на практиці у Центрах обробки даних (ЦОД), в системах АСУ, промислових і транспортних проектах.

З практичної точки зору перспективним є управління СМО по ситуації (стану), при якому процес функціонування об'єкта визначається таблицею рішення, де вхідним рядком є ситуація, що визначається системними (ресурс мережі) та несистемними (інформаційна характеристика послуги) параметрами, вихідним - рішення, щодо вибору обслуговування виклику. Методи оцінки ефективності СМО з пріоритетними дисциплінами приводиться в роботах Лемберг Э.Е., Мова В.В. та ін.

На основі проведених досліджень сформульована актуальна наукова задача удосконалення системи обробки викликів за рахунок введення ситуаційних пріоритетів, що базуються на системних параметрах, зокрема ширині смуги частот, та несистемних параметрах (інформаційній важливості контенту) мереж 4-го покоління, і складається з:

- синтезу нової дисципліни обслуговування, яка б враховувала тариф і ресурс послуги;

- розробки нового методу обробки викликів;

- удосконалення моделі архітектури системи обслуговування викликів і тарифікації.

Другий розділ присвячений синтезу дисциплін для підвищення ефективності обробки викликів, та пошуку математичних моделей їх опису.

Аналіз показав, що дана задача відноситься до класу керованих систем масового обслуговування (КСМО). Теоретичні основи пошуки аналітичних виразів характеристик таких систем розвиваються у двох напрямках: перший - використання теорії оптимального управління, другий - специфічні методи розв'язання таких задач.

Класичні моделі управління транспортними потоками детально описані в роботах Неймана Ю.І., Фетодкіна М.А.. Постановка задач диспетчерського контрою та умови їх вирішення приведені в роботах Рикова В.В, Правоторова Н.А., Рейдман Р.М., інших науковців.

Виходячи з класифікації Рикова В.В., найбільший розвиток отримали системи з керованою дисципліною. Задачею таких дисциплін є оптимізація порядку обслуговування викликів, що відноситься до класу задач оптимального призначення пріоритетів. Для вирішення таких задач можна розширити поняття “пріоритети” шляхом введення поняття “динамічні пріоритети”. У ряді випадків таке розширення не призводить до підвищення ефективності функціонування системи або мережі (Лембрег Е.Е., Ланін М.І, Шварц Л.Б.), в інших випадках можна отримати підвищення ефективності роботи системи (Лембрег Е.Е., Ланін М.І, Шварц Л.Б.).

Аналіз особливостей функціонування систем управління обробки викликів і тарифікації в мобільних мережах з багатостанційним ортогональним частотним доступом показав, що процес рішення щодо вибору обслуговування наступних викликів є не ефективним. Це обґрунтовано тим, що при виборі одночасно не враховуються інформаційна важливість виклику та ресурс радіоканалу(ширина смуги частот), що призводить до ситуації, в якій існує можливість надання послуги абоненту, який отримує весь (більший) ресурс, у той час інші послуги залишаються не обслуговуваними, навіть у випадку, коли виклики мають однаковий пріоритет і потребують менший ресурс.

Під інформаційною важливістю (тарифом) послуги розуміємо значення величини важливості виклику, наприклад, вартість послуги, значення пріоритету тощо. Нехай- і-й виклик, що надійшов у систему за час [0;], де . Тоді виклик характеризується парою значень, - тариф і-го виклику, - ширина смуги, необхідна для обслуговування і-ї послуги (виклику).

Опис моделі мережі. Нехай мережа складається з однієї базової станції (eNodeB), що виступає в ролі обслуговуючих каналів (ОП); блока управління обробкою та тарифікацією викликів (PCC), що виступає в ролі вирішального пристрою, та сервера надання послуг (AS), що є генератором заявок послуг рис. 3.

Рис.3. Модель обслуговування послуг в LTE/PCC з однією БС.

Опис надходження викликів: сервер надання послуг (AS) генерує з інтенсивністю послуги, що надходять на PCC. Після перевірки можливості організації послуг, PCC формує черги на обслуговування послуг, та згідно з дисципліною направляє на базову станція (БС- eNodeB). Припустимо, що умови роботи системи та надходження заявок наступні:

1. AS - джерело, що генерує виклики з інтенсивністю , які відповідають пуасонівському потоку.

2. Нехай на PCC від базової станції оператору надходить стаціонарний пуасоновський потік викликів.

3. PCC розраховує коефіцієнт, що характеризує пріоритет виклику. PCC формує послідовність обслуговування викликів на БС згідно з пріоритетом.

4. БС має n вільних каналів, кожен має фіксовану ємність с, і інтенсивність обслуговування .

5. Для обслуговування виклику необхідно задіяти від 1-го до n каналів з ємністю с.

Запропоновано дисципліну з ситуаційним пріоритетом, що базується на відношенні значення параметру тарифу до ширини смуги і аналітично виражається коефіцієнтом:

(1)

де - значення пріоритету виклику, - тариф і-го виклику, - ширина смуги необхідна для обслуговування і-ї послуги (виклику).

Ширину смуги частот можна виразити , де k - кількість каналів, що необхідно задіяти в БС для надання послуги.

Принцип роботи запропонованої дисципліни «RF» показано на рис. 3.



Рис. 3. Принцип роботи дисципліни «RF»

Формулювання дисципліни обслуговування для моделі «RF» для n- вільних каналів:

1. Якщо за період [0;t] надійшло заявок, в першу чергу обслуговується заявка j, де j =1..k, і для якої справедливо:

(3)

при умові:, де - загальна ширина смуги часто системи, кратна c; в другу чергу , для якої справедливо , де та , і т.д. поки в каналі є місце; інші заявки відкидаються.

2. Якщо за період [0;t] надійшло заявок, і вільна ємність у каналі відсутня, тоді заявки отримують відмову.

3. Якщо за період [0;t] не надійшло заявок, то система чекає час t, після чого перехід до п.1,2 або 3.

Для оцінки ефективності такої дисципліни використаємо критерій інтегральної інформаційної важливості обслужених викликів.

Задачу розрахунку інтегральної ваги обслужених викликів за дисциплінами «RF» та FIFO вирішимо в декілька етапів:

1) Розрахуємо математичне сподівання інтегральної ваги обслужених викликів при дисциплінах обслуговування FIFO і RF, якщо вільно n каналів, при умові, що заявки з різними тарифами займають однакову кількість каналів;

2) Розрахуємо математичне сподівання інтегральної ваги обслужених викликів при дисципліні RF, якщо заявки з різними тарифами займають різну визначену постійну кількість смуг при обслуговуванні.

Розв'язання першої задачі. Нехай сумарна інформаційна вага викликів, що можуть бути обслуговані приймають наступні значення , де - кількість обслуговуючих каналів. Заявки надходять з загальною з інтенсивністю .

Сумарне математичне сподівання інтегральної ваги в системі з n вільними каналами за принципом обслуговування FIFO розраховується за формулою:

(3)

де - вага обслуженої заявки типу j, - інтенсивність надходження заявок типу j,

- сумарна інтенсивність надходження заявок всіх типів, - час за який надійшла заявка типу j, - імовірність, що за період [0;t] звільниться k каналів.

Сумарне математичне сподівання інтегральної ваги в системі з n вільними каналами за принципом обслуговування RF розраховується за формуло:

(4)

Знайдені аналітичні вирази інтегральної ваги обслугованих заявок для дисциплін FIFO та “RF”, при умові, що виклик при обслуговувані займає один канал. Відмітимо, що моделі “RF” і “Priority” (з пріоритетами) мають однакові вирази для розрахунку математичного сподівання інтегральної ваги обслугованих заявок.

Вирішимо задачу в загальному випадку. Постановка задачі. Нехай на систему надходить пуасонівський потік викликів , де k=1…N, N - загальна кількість викликів, що надійшли за період [0;t]. Виклик характеризується наступними параметрами: , де , - інформаційна вага виклику, - наперед відома велична, яка визначає кількість каналів, необхідних для обслуговування i-го типу виклику, i=1....m, де m - кількість типів викликів; - інтенсивність надходження викликів і-го типу.

Нехай виклик більш пріоритетний ніж виклик , якщо , к,l=1....m. Дисципліна обслуговування “RF” полягає в тому, щоб в першу чергу відправляти на обслуговування виклики з коефіцієнтом потім і т.д, поки є канали.

Задача: розрахувати математичне сподівання середньої ваги від обслужених викликів , за час . Задача вирішується в два етапи:

– вирішуємо допоміжну задачу: припущення, що надходить один тип викликів, який займає фіксовану кількість каналів;

– вирішуємо основну задачу: надходить m типів заявок, кожний тип заявок займає фіксовану кількість стільниць при обслуговуванні.

Допоміжна задача. Розглянемо випадок коли надходить тільки один вид викликів , які при обслуговуванні займають фіксовану кількість каналів с: . Загальна кількість обслуговуючих каналів (ОК) дорівнює .

Ймовірність надходження k заявок даного типу виклику розраховується за формулою:

(6)

Розрахуємо ймовірність, що буде оброблено k заявок за час . Припустимо, що . Тоді ймовірність того, що буде оброблено k заявок за час , якщо вільноканалів:

(7)

де - інтенсивність надходження викликів 1-го типу; - загальна кількість каналів для обслуговування; - необхідна кількість каналів для обслуговування даного типу викликів.

Математичне сподівання інтегральної ваги обслужених викликів одного типу, якщо вільно каналів і , розраховується:

(9)

де - ймовірність, що буде вільно g обслуговуючих каналів.

Вирішення основної задачі. Розрахунки аналогічні (9) можна провести для будь-яких . Розглянемо наступний випадок і будемо вирішувати задачу з кінця.

Нехай - інтегральна вага від викликів типу k, k+1,..,n, якщо вільно j ОК, j=1.. , де - максимальна кількість ОК. Розраховуючи з кінця, спершу знайдемо , що розраховуються аналогічно формулі (9):

(10)

де - ймовірність, що буде вільно j обслуговуючих каналів, c_k - кількість ОК, що займає k-й виклик; - ймовірність, що надійде і викликів типу k.

розраховується аналогічно формулі (7):

(11)

У даному випадку математичні сподівання інтегральної ваги і пов'язані формулою:

(12)

Алгоритм розрахунку наступний:

1) розраховуємо і ;

2) розраховуємо , j=1…g;

3) розраховуємо і т.д. до .

Сумарне математичне сподівання обслуговування N заявок розраховується за виразом:

(13)

де - математичне сподівання середньої інтегральної ваги обслужених викликів 1,2,3…n, якщо вільно j каналів; - імовірність, що вільно j каналів з g.

Таким чином, знайдено аналітичний вираз розрахунку математичного сподівання інтегральної ваги обслужених викликів при дисципліні обслуговування «RF». Розрахунки інтегральної ваги обслужених викликів при дисциплінах «RF» з FIFO, Priority наведено в 4-му розділі дисертаційної роботи.

У третьому розділі дисертаційної роботи пропонується метод оборки викликів і тарифікації послуг із застосуванням ситуаційних пріоритетів, що враховує ширину смуги і тариф послуги в процесі її надання.

Розробка методу включає:

1) модифікацію протоколу перевірки ресурсу мережі доступу з метою отримання параметрів попередньої конфігурації смуги ресурсу в каналі вниз і вверх для організації обслуговування послуги мережі. Зміни роботи сигнального протоколу GTPv2-С реалізовані за рахунок розширення поля даних в повідомленні «Відповідь на створення сесії» (Create Session Response), що включає ширину смуги, кількість піднесущих, які були визначені процедурою встановлення радіо з'єднання для реалізації передачі послуги в мережі LTE.

2) удосконалення процедури управління правилами обробки і тарифікації викликів за рахунок адаптації протоколу Diameter для передачі додаткових параметрів в блок прийняття рішень та блок тарифікації щодо надання послуги, і створення нового інтерфейсу та протоколу обміну інформацією між блоком прийняття рішень PCRF і блок он-лайн тарифікації OSC.

На рис. 4 представлені процедури методу управління правилами обробки і тарифікації викликів, що удосконалюється в дисертаційній роботі. Модифіковано дві процедури - процедуру перевірки наявності ресурсу в мережі доступу, RRC (Radio Resource Connection) - А7.1-А7.6, і процедуру активації послуги, що включає новий блок прийняття рішення щодо надання послуги і взаємодію з OSC (A8.1, A8.2). Введено нову дисципліну “RF” активації послуг в блоці впровадження політик обслуговування (A8.3).

Рис. 4. Модифікована схема послідовності процедур реалізації PCC

Опис запропонованого методу обробки викликів і тарифікації.

Крок А7. PСRF відправляє запит Re-auth request по Diameter протоколу на перевірку можливості виконання політики обслуговування і тарифікації виклику, що включає перелік параметрів AVP, в тому числі новий розроблений композиційний AVP [10415: 450], який включає 14 параметрів: ширину смуги, кількість піднесущих, які необхідні для передачі послуги тощо.

Крок А7.1. PСEF приймає повідомлення RAR, Diamеter протоколу, і на базі композиційного AVP [10415: 450] формує запит щодо створення радіоканалу до AGW.

Крок А7.2. AGW формує повідомлення-запит на встановлення радіоканалу - Create Session Request з параметрами [Request accepted, - ширина смуги вниз,- кількість піднесущих вниз,- ширина смуги вверх, - кількість піднесущих вверх] на базі модифікованого формату кадру протоколу GTPv2 до e-NodeB.

Крок А7.3 і А7.4. Не змінні -процедура вибору піднесущих і тестування каналу RRC.

Крок А7.5. E-NodeB формує повідомлення у відповідь Create Session Response з параметрами преконфігурації піднесущих зверху вниз і знизу вверх - [Request accepted, ,,].

Крок А7.6. AGW транслює повідомлення Create Session Response прозоро в PCEF.

Крок А8. PCEF формує відповідь AAR поверх Gx інтерфейсу, що містить данні нововведеного композиційного AVP, передає відповідь до PCRF.

Крок А8.1. PCRF отримує інформацію про підтвердження можливості організації радіоканалу з параметрами ширини смуги вверх і вниз. PCRF формує запит RTI (Request tarif information), і за допомогою запропонованого протоколу DMShort та інтерфейсу Ty передає до OSC.

Крок А8.2. OSC отримує інформацію про сесію із нового композиційного AVP і, за допомогою вбудованої rating функції, розраховує тариф послуги. OSC формує повідомлення ARP (Answer for tarif request), що включає тариф надання послуги, і пересилає до PCRF.

Крок A8.3 Рішення щодо активації послуги. PCRF приймає рішення щодо активації послуг і посилає повідомлення - активацію до PCEF. PCEF створює послідовність обслуговування викликів з використанням запропонованої дисципліни “RF”.

У дисертації запропоновано формалізувати тарифікацію мультимедійної послуги за допомогою представлення її як набору простих послуг на рівні прикладної програми.

Модифікований аналітичний опис послуги на рівні прикладної програми, яка надає мультимедійну послугу, включає набір субпослуг , , якими користується абонент в різні моменти часу:

(4)

де - субпослуга типу, що входить до складу прикладної програми,

- період часу користування субпослугою,

-необхідна смуга частот для надання i -ї послуги

- вага субпослуги, , - кількість субпослуг в мультимедійній послузі;

Особливістю виразу (14) є врахування смуги частот субпослуги в процесі обробки виклику і тарифікації.

Таким чином, з'являється можливість враховувати обсяг частотного ресурсу, який використано послугою і визначити його вплив на тариф послуги, а також на методи контролю стану рахунку абонента.

У четвертому розділі дисертаційної роботи наведена удосконалена модель архітектури управління правилами обробки і тарифікації викликів PCC системи IMS і числові приклади роботи запропонованого методу і дисципліни.

Удосконалена модель архітектури PCC системи IMS з мережею доступу LTE наведена на рис. 5. Архітектуру удосконалено за рахунок:

- нового інтерфейсу Ty і протоколу DMShort, який запропоновано для он-лайн розрахунку тарифу виклику, на базі введених характеристик AVP [10415: 450], а також для перевірки стану рахунку і передачі тарифу в блок PCRF для прийняття рішення щодо подальшого обслуговування послуги;

- удосконалення інтерфейсу Gх за рахунок введення додаткового комплексного універсального AVP в протокол Diameter для передачі в систему OSC інформації про споживання ресурсів.

Рис. 5. Модифікована модель архітектури PCC системи IMS для рішення операторського класу з мережею доступу LTE

- модифікації інтерфейсу Gy за рахунок введення параметру ширини в протокол Diameter для передачі в систему OSC;

- модифікація блоку PCEF, що використовує дисципліну “RF” для передачі викликів на обслуговування;

- протоколу резервування смуги частот в радіо підсистемі GTP-Cv2 з метою отримання параметрів: кількості піднесущих і ширини смуги частот, у відповідь на запит “преконфігурації і перевірки каналу” для передачі інформації.

Обслуговуючий шлюз AGW виконує роль управління радіомережею, включаючи резервування/модифікацію радіо ресурсу і IP мережі. АGW включає функцію PCEFs яка реалізує політику обслуговування послуги в радіомережі LTE. Функція PCEF отримує політики виконання з вузла PCRF за допомогою Diamеter протоколу.

Функція `Reporter' збирає звітності, щодо активації послуг, формує результати аналізу даних для оператора. За допомогою аналізу оператор визначає політику обслуговування і тарифікацію послуг. База даних SPR містить політики обслуговування послуг і тарифікаційну базу даних. SPR може бути реалізована разом з HSS в одній захищеній базі даних за рахунок введення додаткової інформації (розширенням бази даних), яка визначає політику обслуговування послуги і метод тарифікації користувача.

У рамках пілотного проекту була модифікована програмна структура PCRF блоку, рис. 6, що дало змогу запровадити нову дисципліну обробки викликів в блоці PCEF. Нова дисципліна реалізує пріоритетну політику обслуговування на базі коефіцієнту w. Даний параметр розраховується як відношення тарифу послуги до ширини радіосмуги, необхідної для надання послуги.

Нова програмна архітектура відрізняється від існуючої тим, що взаємодіє з модулем розрахунку тарифу системи он-лайн тарифікації. Даний програмний модуль враховує смугу частот при формуванні тарифу для он-лайн послуг. Тарифікаційна функція в даному випадку може бути записана:

(15)

де - ширина смуги частот - ресурс, необхідний для передачі послуги в мережі доступу, - тип послуги, - ідентифікатор користувача, що впливає на тарифікацію послуги.

Графіки залежності математичного сподівання ефективності системи обробки викликів оператора при обслуговуванні викликів в залежності від часу очікування та кількості каналів для дисциплін обслуговування FIFO та RF приведені на рис. 7.

(а) (б)

Рис.7. Математичне сподівання інтегральної ваги обслужених викликів в залежності від часу та від кількості каналів: а)дисципліна FIFO б)запропонована дисципліна “RF”

З рис.7 видно, що має місце залежність інтегральної ваги обслуговування викликів від часу сподівання та кількості каналів: чим більше кількість обслуговуючих каналів (ширина смуги), тим більше викликів можна обслужити та отримати більшу сумарну інформаційну вагу.

У той же час ефективність запропонованого методу вища при менший кількості каналів. Відносне порівняння математичного сподівання сумарної інформаційної ваги дисциплін «RF» з FIFO та «RF» з пріоритетами наведено на рис.8.

а) б)

Рис. 8. Відносне порівняння математичного сподівання інформаційного ваги обслужених викликів при дисциплінах в залежності від часу очікування: а) - «RF» до FIFO, б) - «RF» з Priority

З рис. 8 видно:

- запропонована дисципліна «RF» дає виграш порівняно з дисциплінами FIFO та Priority відповідно на 13.% та 5.4% відсотки при обслуговуванні з часом очікування [0; 5] с;

- швидкість росту виграшу зменшується зі збільшення часу очікування, виграш суттєво залежить від інтенсивності надходження викликів і середнього часу їх обслуговування.

На рис. 9. показана діаграма практично отриманих результатів сумарної кількості балів обслужених викликів.



Рис. 9. Діаграма значення сумарної вартості обслужених викликів

З рис. 9 видно, що запропонована дисципліна «RF» дозволяє за визначений період обслужити заявки з більшим значенням сумарної вартості.

Таким чином, ефективність запропонованого методу та дисципліни підтверджується результатами практичних вимірів, що дозволяє зробити висновок про адекватність отриманих виразів та ефективність роботи системи в цілому.

мобільний мультиплексування канал інформаційний

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язана актуальна науково-практичної задача - удосконалення системи обробки викликів за рахунок введення ситуаційних пріоритетів, що базуються на системних параметрах, зокрема ширині смуги частоти, та несистемних параметрах (інформаційній важливості контенту) мереж 4-го покоління.

У дисертаційній роботі отримані наступні теоретичні результати:

1. 1.Аналіз стану та проблем при наданні послуг в мережах мобільного зв'язку показав, що визначальними характеристиками послуг для систем обробки викликів та тарифікації є: смуга пропускання, ширина смуги частот, якість надання, тарифікація, адаптація та інформаційна важливість контента, можливість вираховування яких виявлено при обробці послуг та їх тарифікації в мережах LTE/IMS для підвищення технічної та економічної ефективності системи обробки викликів та гнучкості механізмів тарифікації мобільних операторів зв'язку.

2. Уперше запропоновано метод обробки викликів і тарифікації, який відрізняється тим, що враховує технічні параметри функціонування мережі (ширину смуги частот, кількість піднесущих), і за рахунок модифікації протоколів та створення нових інтерфейсів, дозволяє отримати більш гнучку систему обробки викликів та тарифікації, і збільшити ефективність функціонування системи: підвищити інтегральну вагу обслугованих заявок на 15% без зниження середньої якості обслуговування.

3. Запропоновано дисципліну обслуговування викликів в системі обробки викликів та тарифікації, особливістю якої є введення ситуаційного пріоритету - відношення тарифу послуги (значення інформаційної ваги) до ширини смуги радіочастотного ресурсу при наданні персоналізованих послуг, що дозволяє обслуговувати в першу чергу заявки, які мають найбільше значення коефіцієнту.

4. Запропоновано удосконалену архітектуру системи обробки викликів і тарифікації в системі IMS, яка включає модифікований протокол Diameter, новий інтерфейс Ty і протокол DMShort, що дозволило передати параметри ширини смуг з метою їх врахування при тарифікації послуги.

5. Розроблено рекомендації щодо зміни програмних компонент блоку рішення, а також політики обслуговування та тарифікації послуги (PCRF) системи IMS на основі удосконаленої системи обробки викликів та тарифікації, модифікованої процедури їх надання, відповідних протоколів, що дозволило впровадити дані рішення в обладнання компанії Huawei Technologies Co. Ltd. та підвищити ефективність функціонування системи обробки викликів на 10-15% під час перевантаження мережі.

6. Виконано впровадження в компанії МТС удосконаленої системи обробки викликів та тарифікації в мережах мобільного зв'язку, що дозволило підвищити ефективність роботи системи в мережі оператора до 10% під час перевантаження мережі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Глоба Л.С., Доровських Д.А., Дяденко О.М., Скулиш М.А.. Визначення „вузьких місць” та аналіз їх впливу на якість обслуговування в системах GPRS// Науково-технічний вісник ”Безпека дорожнього руху України”. - 2005. - № 1-2. - 2005. - С. 127-136.

Здобувачем досліджено втрати при обробці пакетів послуг. Побудована імітаційна модель в прикладному пакеті Maple, що дозволила кількісно оцінити ймовірності обслуговування заявок в мережах мобільного зв`язку.

2. Глоба Л.С., Доровских А.В., Дяденко А.Н., Лунтовский А.О.. Оценка соотношения «производительность-стоимость» для беспроводных широкополосных сетей Wimax.// Электроника и связь, Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.2, - 2006. - С.105-111.

Побудована модель оцінки відношення «продуктивність-вартість» розгортання широкосмугових мереж стандарту 802.16а, яка дозволяє оцінити середню швидкість передачі та загальні витрати на побудову мережі.

3. Глоба Л.С., Зінченко О.О., Дяденко О.М., Попова І.М. Послуги в сучасних мобільних мережах України.// Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии», ч. 2. - 2009. - С. 291-296.

Здобувачем проведений детальний аналіз характеристик параметрів послуг та виділено шість їх характеристик. Зроблений висновок, що мережі LTE/IMS є найбільш перспективними, тому що враховують більшість характеристик послуг.

4. Глоба Л.С., Доровских А.В, Дяденко А.Н. Сравнительный анализ технических характеристик стандартов 802.16А и 802.11А.// Труды пятой международной конференции «Современные информационные и электронные технологии» (СИЭТ 2005).- Одесса: ОНПУ. - 2005.- С. 184.

Здобувачем проведений порівняльний аналіз технологій, що використовуються в широкосмугових безпроводових мережах, який показав перевагу мереж на базі OFDMA технологій.

5. Globa L.S., Dyadenko A.N., Luntovskiy A.O. ““Performance-Cost” -Ratio Estimation by WiMAX/802.16 Networks Deployment".//17-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2007). - Севастополь: 2007 г.: Вебер, 2007. Т.1, стр. 418-419.

Здобувачем проведений порівняльний аналіз розгортання широкосмугових мереж стандарту 802.16/WIMAX, що показав перевагу стандартів на базі OFDMA доступу.

6. Globa L., Dyadenko A., Luntovskyy A., Dietbert Gьtter. “IMS implementation for extended personal services”// "Polish J. of Environ. Stud ", Vol. 17, No. 4C (2008), p.263-268.

Здобувачем проведений детальний аналіз IMS системи надання послуг в мобільних мережах 3-го і 4-го покоління, який виявив наступні переваги: забезпечення якості обслуговування в режимі «з кінця в кінець», ефективну обробку викликів і тарифікації, уніфікацію доступу до платформ послуг.

7. Дяденко О.М.; Кирилков В.В. «IP Multimedia Subsystem в составе платформы Microsoft Connected Services Framework»//Наукова-технічна конференція «Проблеми телекомунікацій»: Збірник тез. К.: НТУУ «КПІ», 2009. - С. 126

Здобувачем досліджені шляхи подальшого удосконалення IMS системи, зокрема, запропоновано удосконалення системи обробки викликів із застосуванням ситуаційних пріоритетів, що враховують системні і несистемні параметри..

8. Globa L., Dyadenko A., Reverchuk A.. “The charging problems in mobile service deployment”.// Portal IEEE, Digital Library, May, 2009, EUROCON 2009 The IEE Region 8 Conference devoted to 150 Anniversary of Alexander Popov, May 19-23, 2009, St.-Petersburg, Russia, ISBN: 978-1-4244-3860-0, p: 2016 - 2022.

Здобувачем проаналізовано тенденцію розвитку конвергентних систем обробки викликів та тарифікації, понять тарифікації в телекомунікаційних мережах та Інтернеті, висвітлено різницю між ними.

9. Дяденко А. Н., Реверчук А. В., Попова И. М. «Проблемы тарификации услуг в сетях мобильных операторов связи».// Материалы 19-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Крымико' 2009). - Севастополь, Вебер 2009. - С.365-366

Здобувачем висвітлено проблеми обробки викликів і тарифікації в мережах мобільних операторів, показані шляхи подальшого удосконалення IMS системи: модифікація архітектури обробки викликів та тарифікації за рахунок введення он-лайн інтерфейсів і протоколів для розрахунку тарифу.

10. Globa L., Dyadenko A., Luntovskyy A.. Enhanced call processing discipline for policy control and charging in 4G network, ACS-AISBIS'2010 International Conference on Advanced Computer Systems, Szczecin, Poland, 13-15 Oct. 2010, in Polish Journal of Environmental Studies, Measurements, Automation and Monitoring (MAaM, in polish PAK), PAK vol. 56, nr. 1/2010, 7 p.

Размещено на Allbest.ru