Оцінка параметрів неоднорідного вхідного потоку у телекомунікаційних мережах

 

Логарифмічні діаграми IР-трафіку, розраховані при різних q, дають оцінку показника масштабування τ(q), показану на рисунках г. Нелінійна крива функції масштабування говорить про те, що IР-трафік проявляє мультифрактальну структуру на цих масштабах часу. Отримана оцінка функції масштабування τ(q) на цих рисунках грунтована на функціях розбиття, показаних на малюнках е, і також підтверджує зроблені спостереження відносно мультифрактального масштабування.

При дослідженні рядів даних  для протоколів транспортного рівня  масштабний аналіз показав, що трафік цих протоколів має властивість  ДВЗ, як і говорилося раніше, але  тести на масштабну поведінку  в UDP провалилися. У разі ТСР було виявлено, що його масштабна структура  подібна до масштабної структури IР-трафіку. Оцінені log₂c(q) і т(д) τ(q), показані на рисунках 2.30 і 2.31, мають подібність з тими, що отримані для IР-трафіку. Зроблений висновок, що ТСР-трафік також проявляє мультифрактальне масштабування.

Рисунок 2.30 - Мультифрактальний аналіз трафіка ТСP (UL)

 

 

Рисунок 2.31 - Мультифрактальний аналіз трафіка ТСP (DL)

 

Також був проведений аналіз масштабної структури протоколів рівня програм. Результати масштабного аналізу  НТТР показані на рисунках 2.32 і 2.33. Показник масштабування log₂c(q) і функція масштабування τ(q) є опуклими кривими, що говорить про присутність мультифрактальності. Більше того, оцінена τ(q) є приблизно такою ж, як і для IР- і ТСР-трафіку.

Рисунок 2.32 - Мультифрактальний аналіз трафіка HTTP (DL)

 

Рисунок 2.33 - Мультифрактальний аналіз трафіка HTTP (UL)

 

Результати аналізу трафіку SМТР  показані на рисунках 2.34 і 2.35. Видно, що показник масштабування log₂c(q) і функція масштабування τ(q) є лінійними функціями від q. Отже, вибраний набір SМТР показує явну присутність монофрактальності. Проте відповідно до проведеного раніше обговорення виявлення монофрактальної структури не є загальним висновком стосовно характеристик трафіку, переносимого протоколом FТР. Отримані дані підтверджують результати, представлені в [24-27] і що показують, що WAN-трафік являється ДВЗ. Проте дослідження дозволили доповнити ці результати і показати, що WAN-трафік має складну мультифрактальну структуру не лише на малих, але і на великих масштабах часу. Більше того, аналіз показує, що агрегація складається із складових з масштабною поведінкою (без масштабування, мультифрактальне масштабування, монофрактальне масштабування), що сильно відрізняється.

Рисунок 2.34 - Мультифрактальний аналіз трафіка SMTP (DL)

Рисунок 2.35 - Мультифрактальний аналіз трафіка SMTP (UL)

 

Запропонований метод оцінки мультифрактальних  властивостей трафіку на основі статистичного  реалізацій телекомунікаційного трафіку  і побудови функції розбиття дозволяє реалізувати на практиці оцінку скeйлинговой функції τ(q) і масштабного коефіцієнта c(q), що повністю характеризують мультифрактальний спектр і мультифрактальну розмірність реальних телекомунікаційних трафіків.

 

5.  Оцінка самоподібності трафіку в мережі широкосмугового доступу WiМАХ

Нині безпровідні технології отримують  все більше застосування для передачі інформації сервісів реального часу. Один з таких напрямів технологія безпровідного широкосмугового  радіодоступу WiМАХ (Worldwide Interoperability for Microwave Access) на базі протоколу IEЕЕ 802.16, що забезпечує високошвидкісні з'єднання (до 70 Мбіт/с) на великих відстанях навіть за відсутності  прямої видимості об'єкту. Технологія WiМАХ дозволяє працювати навіть в умовах щільної міської забудови, забезпечуючи високу якість зв'язку і значну швидкість передачі даних.

Сучасні дослідження показують [17, 28], що мережевий трафік в подібних системах має властивість самоподібності, що впливає на параметри якості передачі інформації QoS.

Опис досліджуваної мережі. Структура мережі на основі технології WiМАХ, в якій були проведені експериментальні дослідження вхідного і вихідного трафіків, показана на рисунку 2.36. Досліджувана мережа є сукупністю базових станцій (БС) і приймально-передавальних клієнтських терміналів. Базова станція (БС) є багатопотоковою станцією з високою вихідною потужністю, працююча в повнодуплексному режимі. Вона має централізовану архітектуру організації мережі і управління і призначена для виконання різних сервісів з високою надійністю і доступністю. Базова станція забезпечує усі функціональні можливості, які необхідні для організації з'єднань абонентських терміналів з сервісом провайдера.

Рисунок 2.36. Мережева архітектура мережі широкополосного доступу WiMAX

Клієнтський термінал складається  із зовнішнього ODU (OutDoor Unit) і внутрішнього IDU (InDoor Unit) модулів. Зовнішній модуль виконує функцію високочастотного тракту, працюючого в діапазоні від 2 до 11 ГГц, а також містить усі активні компоненти і плоску інтегровану антену з високим коефіцієнтом посилення. Внутрішній модуль виконує наступні функції: передачу Ethernet-даних, управління системою, мультиплексування і маршрутизацію потоків, а також подання живлення на зовнішній блок.

Брандмауер (FireWall) забезпечує захист внутрішньої мережі від зовнішньої дії з боку Інтернету, а також блокує невживані з'єднання і пакети, забезпечуючи захист на прикладному рівні. Комутатор розподіляє отриманий трафік між двома мережами LAN і WiFi, які контролюються сервером. Реєстрація даних здійснювалася за допомогою маршрутизатора мережі WiМАХ в напрямах downlink і uplink. На рисунку 2.37 представлені кореляційні функції трафіку WiМАХ при різних розширеннях. З графіків видно, що кореляційна функція убуває досить повільно при різних розширеннях, що побічно свідчить про наявність самоподібності.

Рисунок 2.37 - Кореляційні функції трафіку WiMAX при різнихрозширеннях

Як показують численні дослідження, найбільш перспективним способом обробки  експериментального трафіку з метою  оцінки міри самоподібності є використання вейвлет-аналізу.

Як приклад на рисунку 2.38 представлені результати обробки вихідного трафіку з розширенням 10 с, отримані за допомогою алгоритму автоматичного визначення меж масштабування [28]. На рисунку 2.38,а показана реалізація трафіку, отримана в результаті вимірів. На рисунку 2.38,б представлені результати роботи алгоритму автоматичного визначення нижньої межі масштабування. Суцільною лінією показана зона стрімкого зростання, а пунктиром — зона нульової рівноваги. Оскільки при обчисленні функції Q для початкових масштабів j = 1,2,3 були отримані дуже маленькі значення, то їх логарифми були усічені до -10. Горизонтальні лінії відповідають Q = 0,01; 0.05 і 0.1.

Рисунок 2.38 - Результати обробки вихідного трафіку з розширенням 10 с

 

Зафарбованим ромбом на графіках відмічена  знайдена в результаті роботи алгоритму  точка початку області масштабування . По цій точці можна судити про знаходження "межі розділу" між короткочасними і довготривалими кореляціями в даних. Оскільки при оцінці показника Херста враховуються тільки довготривалі кореляції, а наявність сильної короткочасної складової може тільки спотворити оцінку, то точка вибиралася в якості початкової при апроксимації логарифмічної діаграми.

На рисунку 2.38,в показані оцінки показника Херста по вейвлет-коефіцієнтам на усій області масштабування в діапазоні j = 1,2,..., 11, а на рисунку 2.38,г — в діапазоні j = 7,... 15, знайдені по алгоритму автоматичного визначення нижньої межі масштабування.

У таблиці 2.12 представлена зведена інформація про оцінки показника Херста вхідного і вихідного трафіку, знайдені як без, так і з урахуванням вибору початкової межі масштабування для діапазонів масштабування 0,1, 1, 10 і 100 секунд з 95%-вими довірчими інтервалами. У таблиці для порівняння приведені оцінки, виконані на усій області логарифмічної діаграми і в зоні масштабування, початок якої визначений відповідно до автоматичного алгоритму.

Таблиця 2.10 – Результати оцінки степені само подібності вхідного та вихідного трафіка для різних діапазонів масштабування

Метод оцінки показника Херста	Рівень розширення, с
	0,1	1	10	100
Повний діапазон j Оцінка показника Херста для вхідного трафіка	1…18 0,0605±0,002	1…15 0,965±0,005	1…11 0,93±0,017	1…8 1,013±0,067
Повний діапазон j Оцінка показника Херста для вихідного трафіка	1…18 -0,011±0,02	1…15 1,0017±0,005	1…11 1,103±0,017	1…11 1,103±0,017
Автоматичний вибір діапазона  j Оцінка показника Херста для вхідного трафіка	8…18 0,54±0,02	2…15 0,929±0,008	7…11 0,695±0,2	7…11 0,775±0,038
Автоматичний вибір діапазона  j Оцінка показника Херста для вихідного трафіка	9…18 0,74±0,028	7…15 0,838±0,047	7…11 0,651±0,05	7…11 0,735±0,037

 

Результати, представлені в таблиці, підтверджують, що якщо робити оцінку по усіх доступних масштабах, то оцінка показника Херста буде схильна до сильного впливу короткочасних кореляцій (Н > 1). Але як тільки при оцінці враховувалася знайдена межа розділу між короткочасними і довготривалими кореляціями, то показник Херста набував значень в діапазоні 0,54...0,93.

Таким чином, порівняльний аналіз знайдених  оцінок показника Херста показує, що спостережуваний трафік має властивості  самоподібності на різних інтервалах розширення, що свідчить про мультифрактальний  характер досліджуваного трафіку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ В GPRS-МЕРЕЖІ

 

3.1 Досліджувана мережева конфігурація

Розглянемо результати експериментальних  досліджень фрактальних властивостей GPRS-трафіку протоколів мережевих рівнів на мережі GSM, архітектура якої складається з наступних вузлів (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Мережева архітектура мережі стільникового зв'язку

 

1. Вхідний вузол GPRS GGSN (Gateway GPRS Support Node) служить інтерфейсом мереж передачі даних загального користування PDN (Packet Data Network) або інших загальнодоступних мереж рухливого зв'язку PLMN (Public Land Mobile Network). Тут виконуються функції перемикання, оцінки адрес протоколів даних пакету PDP (Packet Data Protocol) і подальша маршрутизація абонентів.
2. Опорний вузол GPRS є центром комутації SGSN (Serving  GPRS Support Node) і аналогічний пересувному комутаційному центру MSC (Mobile Swithing Centre), тут визначаються адреси пакетних даних і передаються в міжнародну мережу IMSI (International Mobile Subscriber Identity). SGSN відповідає за маршрутизацію в мережі з пакетним радіозв'язком, а також за мобільність і управління ресурсами. Крім того, SGSN забезпечує аутентифікацію і шифрування даних для абонентів GPRS. Зв'язок між SGSN і GGSN в межах одного PLMN відбувається з використанням PLMN IР версії 6 (IРv6) або IР версії 4 (IРv4) по Gn-інтерфейсу за допомогою протоколу каналоутворення GТР (GPRS Tunneling Protocol). По GТР передаються спеціальні дані, які потрібні для управління рухливістю GPRS GММ (GPRS Mobility  Management), а також для модифікації і видалення каналів. GТР використовує призначений для користувача протокол дейтаграмм UDP для передачі даних у базовій мережі. Зв'язок між GGSN і PDN забезпечує інтерфейс  Gi, в якому здійснюється обмін по базових протоколах ТСР/IР, Х.25 та ін. По інтерфейсах Gb, BSSGP (протокол підсистеми базової станції GPRS) робиться зв'язок без встановлення логічного з'єднання між BSS і SGSN. Основне завдання протоколу — управління потоком даних для передачі на LLC PDUs (Logical Link Control) при передачі "вниз". У разі передачі "вгору" управління потоком не виконується. SGSN знаходиться в режимі очікування до тих пір, поки не будуть прийняті усі дані, які були поміщені у буфер, при цьому ресурси, що виділяються для з'єднання, мають бути соизмеримы з об'ємом даних, щоб уникнути втрати даних при передачі "вгору".
3. Центр комутації MSC виконує функції комутації для мобільного зв'язку. Цей центр контролює усі виклики, що входять і витікаючі, поступають з інших телефонних мереж і мереж передачі даних. До цих мереж можна віднести мережі даних загального користування PSDN (Public Switched Data Network) і корпоративні мережі ISDN (Integrated Services Digital Network), а також мережі мобільного зв'язку інших операторів. MSC забезпечує маршрутизацію викликів і функції управління викликами, формує дані, необхідні для виписки рахунків за надані мережею послуги зв'язку, накопичує дані по розмовах, що відбулися, і передає їх в центр розрахунків (біллінг).
4. Контроллер базових станцій BSC (Base Station Controller) — управляє усіма функціями, що відносяться до роботи радіоканалів в мережі GSM. Це комутатор великої місткості, який забезпечує такі функції, як хэндовер МS, призначення радіоканалів і збір даних про конфігурацію сотів. Кожен MSC може управляти декількома BSC. Обмін даними з SGSN відбувається через плату PCU (Packet Control Unit) — облаштування контролю пакетної передачі.
5. Базова станція BTS (Base Transceiver Station) управляє радіоінтерфейсом від МS до ВS. Базова станція включає трансивери (приймачі), антенні модулі і плати управління, які потрібні для обслуговування кожній стільники в мережі. Контроллер BSC управляє декількома BTS.
6. Мобільна станція MS (Mobile Station) використовується абонентом для здійснення зв'язку в межах мережі і складається з мобільного телефону і модуля ідентифікації абонента (SIM). Зв'язок між MS і ВS здійснюється за допомогою Um-інтерфейсу (чи Radio-інтерфейсу), в якому реалізовані методи множинного доступу FDMA і ТDМА. У стандартах GSM - 900 і DCS-1800 частотне рознесення складає 45 і 85 Мгц відповідно. Фізичні і логічні канали, вживані в GPRS, аналогічні каналам в GSM з урахуванням контролю доступу і отримання даних. Проте GPRS не вимагає фіксованого розподілу каналів для пакетних даних PDСН (Packet Data Channel). Пропускна спроможність каналу для GPRS-трафіку визначається згідно з фактичною вимогою. Число фіксованих РDСН на вимогу визначаються мережевими операторами.