Исследование самоподобия GPRS трафика

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОУ ВПО «МГУС», г. Москва

Исследование самоподобия GPRS трафика

Пастухов А.С.

Матвеев С.Б.

В настоящее время наблюдается бурное развитие сервисных услуг в сотовых сетях связи на базе стандарта GSM (Global System for Mobailcommunition). Одним из направлений развития является внедрение услуги пакетной передачи данных GPRS (General packet radio service) в сотовых сетях.

Основной целью GPRS является доступ к Internet сети с помощью мобильного телефона. Информация, предаваемая по каналу, называется GPRS трафиком, который аналогичен Internet трафику.

Согласно [1] поведение сетевого трафика определяет состояние сети. Зная поведение трафика, можно судить, на сколько данная конфигурация сети сможет выполнять возложенные на нее обязанности, т.е. можно рассчитать задержку, коэффициент потерь и т.д.

Кроме того, понимание структуры GPRS трафика помогает разработчикам при проектирование сетевых технологий будущего, настройки параметров сетей и выбора оптимальной конфигурации.

В данной статье приводится исследование реального GPRS трафика, который взят из сети ЗАО «Шупашкар GSM» г. Чебоксары. Основную часть GPRS трафика составляют TCP и UDP трафики. Экспериментальные данные получены с помощью анализатора телекоммуникационных протоколов Acterna 8630 путём параллельного подключения Gb интерфейсу, как показано на рис. 1.

Описание исследуемой сетевой конфигурации. Существующая сеть GSM, изображенная на рис. 1, не имеет достаточного набора функциональных возможностей, чтобы реализовать услуги на основе пакетной передачи данных.

Рис. 1. Архитектура сети сотовой связи ЗАО «Шупашкар GSM»

Внедрение GPRS в сеть GSM требует дополнения компонентов, которые обеспечивают коммутацию пакетов. Следовательно, архитектура сети GSM согласно рис. 1 состоит из следующих узлов:

1) Входной узел GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) служит интерфейсом сетей передачи данных общего пользования PDN (Packet Data Network) или других общедоступных сетей подвижной связи PLMN (Public Land Mobile Network). Здесь выполняются функции переключения, оценки адресов протоколов данных пакета PDP (Packet Data Protocol) и последующая маршрутизация абонентам.

2) Опорный узел GPRS является центром коммутации SGSN (Serving GPRS Support Node) и аналогичен передвижному коммутационному центру (MSC). Здесь определяются адреса пакетных данных и передаются в международную сеть IMSI (International Mobile Subscriber Identity). SGSN отвечает за маршрутизацию в сети с пакетной радиосвязью, а также за мобильность и управление ресурсами. Кроме того, SGSN обеспечивает аутентификацию и шифрование данных для абонентов GPRS. Связь между SGSN и GGSN, в пределах одного PLMN происходит с использованием PLMN IP версии 6 (IPv6) или IP версии 4 (IPv4) по Gn - интерфейсу при помощи протокола каналообразования GTP (GPRS Tunneling Protocol). По GTP передаются специальные данные, которые используются для управления подвижностью GPRS GMM (GPRS Mobility Management), а также для модификации и удаления каналов. GTP использует пользовательский протокол дейтаграмм UDP для передачи данных в базовой сети. Связь между GGSN и PDN обеспечивает интерфейс Gi в котором осуществляется обмен по базовым протоколам TCP/IP, X.25 и др. По интерфейсам Gb, BSSGP (протокол подсистемы базовой станции GPRS) производится связь без установления логического соединения между BSS и SGSN. Основная задача протокола - управление потоком данных для передачи на LLC PDUs (Logical Link Control) при передачи “вниз”. В случае передачи “вверх”, управление потоком не выполняется. SGSN находиться в режиме ожидания до тех пор, пока не будут приняты все данные, которые были помещены в буфер, при этом ресурсы, выделяемые для соединения, должны быть соизмеримы с объемом данных, во избежании потери данных при передачи “вверх”.

3) Центр коммутации мобильной связи MSC (Mobile Switching Centre) выполняет функции коммутации для мобильной связи. Данный центр контролирует все входящие и исходящие вызовы, поступающие из других телефонных сетей и сетей передачи данных. К данным сетям можно отнести сети данных общего пользования PSDN (Public Switched Data Network ) и корпоративные сети ISDN (Integrated Services Digital Network), а также сети мобильной связи других операторов. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами, формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг).

4) Контроллер базовых станций BSC (Base Station Controller) управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор большой емкости, который обеспечивает такие функции, как хэндовер MS, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый MSC может управлять несколькими BSC. Обмен данными c SGSN происходит через плату PCU (Packet Control Unit) устройство контроля пакетной передачи.

5) Базовая станция BTS (Base Transceiver Station) управляет радио интерфейсом от MS к BS. Базовая станция включает в себя трансиверы (приемо-передатчики), антенные модули и платы управления, которые необходимы для обслуживания каждой соты в сети. Контроллер BSC управляет несколькими BTS.

6) Мобильная станция MS (Mobile Station) используется абонентом для осуществления связи в пределах сети и состоит из мобильного телефона и модуля идентификации абонента (SIM). Между MS и BS используется Um интерфейс (или Radio интерфейс) в котором используется методы множественного доступа FDMA и TDMA. В стандартах GSM-900 и DCS-1800 частотное разнесение составляет 45 МГц и 85 МГц соответственно. Физические и логические каналы, применяемые в GPRS, аналогичны каналам в GSM с учетом контроля доступа и получения данных. Однако GPRS не требует фиксированного распределения каналов для пакетных данных PDCH (Packet Data Channel). Пропускная способность канала для GPRS трафика определяется согласно фактическому требованию. Количество фиксированных PDCH по требованию определяются сетевыми операторами.

7) Анализатор телекоммуникационных протоколов Acterna 8630 выполнен на базе ПК c процессором Pentium II, оснащенным небольшим объемом ОЗУ и ПЗУ, ЖК дисплеем и внешней клавиатурой. В сочетании с работой под управлением MS Windows, такая конфигурация прибора позволяет для пользователя обрабатывать сигнальную информацию, поступающей на вход анализатора. Анализатор оснащен внутренними платами с двумя внешними полнодуплексными выходами E1 на каждой. Данный прибор способен анализировать следующие протоколы: ОКС-7, ISDN PRI, GSM, VoIP, GPRS, FTP, HTTP, SMTP, WAP, DNS, DHCP, RADIUS, PPP. Функция анализа протоколов дает возможность обслуживания и корректировки неполадок стационарных сетей и систем подвижной связи.

Проведение измерений. Анализатор телекоммуникационных протоколов Acterna 8630 подключается параллельно к Gb - интерфейсу и анализируется входящий и исходящий трафик в течение 24 часов с разрешением 1 сек., максимальная пропускная способность Gb интерфейса составляет 1088 кбит/с, что соответствует 17 временным слотам. Измерения проводились с 14.03.2007г. (10:00:39) по 15.03.2007г. (09:57:30).

Используемый сетевой анализатор записывает trace файлы, в которых содержится информация о находящихся в потоке данных. Затем данные обрабатываются несложной программой, написанной на Visual Basic, для исследования их фрактальных свойств.

Анализ полученных данных. Полученные экспериментальные данные записывались в течении 24 часов по протоколам IP, TCP и UDP.

Для исследования сети был проведен количественный анализ характеристик трафика полученного при однократном измерении. В табл. 1 приведены основные показатели исследуемых трафиков.

Таблица 1. Основные показатели исследуемых трафиков

Из табл. 1 видно, что входящий IP(DL) трафик в основном определяется TCP(DL) трафиком. Это доказывает анализ объема данных входящих IP(DL) и TCP(DL) трафиков, которые равны 2009950064 бит и 1843558480 бит соответственно, а исходящие IP(UL) и TCP(UL) трафики примерно одинаковы и составляют 751805112 бит и 625773592 бит соответственно, где на 20% преобладает исходящий IP(UL) трафик. Кроме того IP и TCP трафики является ассиметричными, т.к. объем принятых данных больше, чем переданных в 2,67 и 2.94 раза соответственно. Анализ показывает, что UDP трафик в целом симметричен. Входящий UDP(DL) трафик меньше, чем входящие IP(DL) и TCP(DL) трафики в 26,21 и 24,04 раз соответственно, а исходящий UDP(UL) трафик также меньше, чем исходящие IP(UL) и TCP(UL) трафики в 9,01 и 7,50 раз соответственно.

Все виды трафиков были исследованы на самоподобность, т.е. оценены показателем Херста, значения которых представлены в табл. 2. Оценка показателя Херста осуществлялась по всем методам [1] с помощью программы Selfis v0.1b [2].

Таблица 2. Методы оценки Херст параметра, H

Из табл. 1 и 2 видно, что входящий трафики IP(DL) и TCP(DL) наиболее самоподобны, чем исходящие трафики IP(UL) и TCP(UL).

Из табл. 2 видно, что оцененные с помощью различных тестов значение показателя Херста в некоторых случаях сильно отличаются по значению. Это может быть вызвано тем, что рассматриваемый участок трафика был не достаточен по времени, что бы оценить их более точно. Как известно, что каждый метод определения показателя Херста, чувствителен к значению выборки времени и оценка в результате получается не стабильной. Анализируя значения показателя Херста большинство тестов обнаружили самоподобную структуру в исследуемых трафиках. Следовательно, можно применять при моделировании сетей генераторы самоподобного трафика.

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что все трафики в большинстве случаев обладают самоподобностью, т.к. значения показателя Херста находится в диапазоне 0,456…0,971;

Полученный IP трафик в основном определяется TCP трафиком, т.к. UDP трафик на порядок меньше по объёму IP и TCP трафиков;

IP и TCP трафики являются асимметричными, т.к. объём входящих данных в 2,67 и 2.94 раза больше переданных соответственно;

UDP трафик в целом симметричен, т.к. объём входящих и исходящих данных примерно одинаковый;

Наличие самоподобной структуры GPRS трафика позволяет его моделировать с помощью генераторов самоподобного трафика.

Литература

сотовый сеть связь пакетный

1. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. Под ред. Шелухин О.И. - М.: Радиотехника, 2003.- 480 с.

2. http://www.cs.ucr.edu/~tkarag/Selfis/Selfis01b.zip.

Размещено на Allbest.ru