Оцінка параметрів неоднорідного вхідного потоку у телекомунікаційних мережах

Рисунок 1.5 - Оцінка показника Херста за допомогою періодограмного методу

 

Основний  недолік методу полягає у високих  вимогах до обчислювальних ресурсів.

 

2. ФРАКТАЛЬНИЙ І МУЛЬТИФРАКТАЛЬНИЙ АНАЛІЗ ТРАФІКУ МЕРЕЖ РУХОМОГО ЗВ'ЯЗКУ

 

2.1 Трафік мобільних програм

Розвиток стандарту глобальної системи мобільного зв'язку (GSM) для цифрових стільникових радіомереж у кінці 1980-х років привів до виникнення нового масового ринку послуг з декількома мільйонами абонентів в усіх країнах світу. Нині відбувається технологічний розвиток GSM : розроблені і стандартизовані нові послуги і програми. Хоча головне застосування GSM — мобільна телефонія, мобільні послуги даних стають усе більш популярними. Паралельно з еволюцією GSМ розвиваються і інформаційні програми, що надаються користувачам мобільного зв'язку.

На першій фазі еволюції послуг СSD (Circuit-Switched Data) і GPRS (General Packet Radio Service) домінуватимуть програми, грунтовані на WAP, які працюють в смартфонах і кишенькових комп'ютерах.

Починаючи з 2001 р. стали впроваджуватися  послуги з комутацією пакетів, грунтовані на GPRS, завдяки чому сьогодні па ринку  пропонуються мобільні програми даних  з піковими швидкостями аж до 117 кбіт/с  і швидкістю передачі даних у  звичайного користувача до 25...64 кбіт/с. Щоб реалізувати великі швидкості  передачі, European Telecommunications Standards Institute (ETSI) розробив стандарт Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE). Частина Enhanced General Packet Radio Service (EGPRS), що відноситься до пакетів, пропонує максимальну бітову швидкість до 384 кбіт/с включно і швидкість передачі даних типового користувача 40...100 кбіт/с, яка досягається шляхом модифікації модуляції, кодування і проміжних схем доступу.

У міру оптимізації GPRS, впровадження технології EDGE і відповідних послуг пакетної передачі вдосконаленого GPRS (ЕGPRS) зростає популярність передачі відео- і аудіопрограм.

Послуга пакетної радіопередачі GPRS/ЕDGE на базі стандарту GSM. Для збільшення швидкості передачі даних в GSM фазі 2+ використовуються нові основні послуги, які можна порівняти зі швидкостями ISDN :

HSCSD — високошвидкісна передача даних з комутацією каналів;

GPRS — узагальнені послуги пакетної радіопередачі;

EDGE — підвищені швидкості передачі для еволюційного розвитку стандарту GSM.

Високошвидкісна передача даних з комутацією каналів HSCSD. HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data) використовується для програм з більш високою пропускною спроможністю і послідовним потоком даних, тобто для мультимедії або відеотелефонії. Більш висока пропускна спроможність досягається поєднанням 1-8 фізичних каналів для одного абонента. Більше того, кодек передачі даних був підданий змінам, і тепер максимальна швидкість на фізичний канал складає 14,4 кбіт/с замість 9,6 кбіт/с. Таким чином, HSCSD теоретично дозволяє здійснити передачу даних на швидкості до 115,2 кбіт/с. Для того, щоб реалізувати HSCSD, необхідно просто змінити програмне забезпечення в GSM-PLMN. Проблема залишається у великому об'ємі необхідних ресурсів.

За допомогою GPRS можливе поєднання 1-8 фізичних каналів на одного користувача, так само як і в HSCSD. Різні нові схеми кодування зі швидкостями  передачі даних до 21,4 кбіт/с на фізичний канал теоретично дають можливість використання до 171,2 кбіт/с. На відміну  від HSCSD, GPRS є пакетною комутацією, що означає, що той же самий фізичний канал може бути використаний для  різних абонентів. GPRS дуже ефективний для короткотимчасових програм, що вимагають великих швидкостей передачі даних (приміром, доступ в  Інтернет, електронна пошта...). GPRS також  дозволяє використати передачу "точка-багатокрапка" і тарифікацію залежно від переданого об'єму. Для реалізації GPRS потрібно розширення GSM мережі і архітектури протоколів.

EDGE здатний вийти на швидкість  до 69,2 кбіт/с на фізичний канал,  незважаючи на зміну процедури  модуляції GSM (8PSK замість GMSK). Теоретично  швидкість передачі може досягти  553,6 кбіт/с (відповідаючи ЗG вимогам)  завдяки комбінуванню 8 каналів.  Можливо, комбінація GPRS і EDGE зможе  надати оптимальне використання  Інтернету і Интранета, забезпечуючи  велику економію у використанні  частотних ресурсів одночасно.

Методи кодування. В цілях підвищення гнучкості передачі і пропускної спроможності в системі GPRS/EDGE можуть використовуватися наступні схеми кодування даних : CS1-СS4 і МСS1-МСS9 (рисунок 2.1). Для управління роботою радіолінії в режимі пакетної передачі розроблений спеціальний протокол RLS (Radio Link Control), який забезпечує її адаптивне налаштування, програмну перебудову частоти і управління потужністю. Адаптація радіолінії включає вибір тієї або іншої схеми кодування (CS1-СS4 або МСS1-МСS9) залежно від виду передаваної інформації, характеристик радіоканалу і рівня перешкод. У режимі GPRS/EDGE кожному абонентові надається від 1 до 8 канальних інтервалів. Під час пакетної передачі ресурси ліній зв'язку "вгору" і "вниз" можуть виділятися незалежно один від одного, тобто в системі допускається реалізація асиметричного режиму передачі.

Рисунок 2.1 - Схеми кодування в GPRS/EDGE

Технологія UWC-136 — EDGE, в якій використовується новий метод модуляції MCS (Modulation Coding Scheme), дозволяє передавати більшу кількість інформації в одному тимчасовому слоті (ТS) за той же час.

Структура трафіку, який передається. Для передачі як абонентських даних, так і сигнальної інформації на усіх інтерфейсах GSM/GPRS використовують багаторівневу систему протоколів, грунтовану на принципах 7-рівневої моделі взаємодії відкритих систем. Багаторівневу структуру протоколів, використовувану для передачі абонентських даних, прийнято називати площиною передачі (Transmission Plane), а для передачі сигнальної інформації — сигнальною площиною (Signalling Plane).

Протоколи передачі повідомлень призначені для передачі інформації для користувача  у вигляді IP або Х.25 дейтаграм (пакетів) від мобільної станції (МS) до зовнішніх  мереж і назад. Структура цих  протоколів представлена на рисунку 2.2. Вона включає також процедури управління, пов'язані з передачею інформації, наприклад управління потоком, виявлення і виправлення помилок.

Розглянемо різні мобільні програми і представимо моделі трафіку, що відповідають їм, які грунтовані на добре відомих і модифікованих  для використання в проектуванні моделях трафіку стільникових радіомереж пакетної передачі. Особливу увагу  приділимо таким часто використовуваним програмам, як WWW, e-mail, FTP, WAP.

Рисунок 2.2 - Призначений для користувача рівень GPRS/EDGE

 

WWW-програми. Інтернет є найбільшою існуючою глобальною мережею (WAN), що пропонує широкий спектр інформаційних ресурсів у формі технічних документів, інформації про продукти, програмному забезпеченні, малюнків, аудіо- і відеоджерел і служб електронної комерції. Популярність використання цих ресурсів серед численних груп користувачів стимулювалася впровадженням WWW. У WWW діють глобальні угоди про використовувані найменування, протоколи і формати об'єктів. Об'єкт може бути текстовим файлом, аудіоджерелом, файлом зображення або навіть кодом програми, який може інтерпретуватися і запускатися на машині користувача (Java- аплети). Графічні інтерфейси користувача (GUI - Graphical User Interface), так звані WWW-браузери, дозволяють користувачеві переміщатися по WWW, передавати і відображати WWW- об'єкти. Окрім використання WWW як загальнодоступний Інтернет, концепція WWW знаходить все більше застосування в корпоративних мережах. З впровадженням таких локальних мереж очікується реалізація високої прозорості процесів компанії, простота використання корпоративних баз даних, а також оптимальна взаємодія з клієнтами.

WWW-браузер відображає WWW-сторінки (рисунок 2.3), які складаються з одного або декількох WWW- об'єктів (текст і зображення). Усередині однієї сторінки можуть бути визначені посилання, які містять ідентифікатор WWW-ресурсу — URL (Unified Resource Locator). Коли користувач вибирає посилання, відображається новий об'єкт або сторінка. Шляхом безпосереднього введення URL в текстове поле WWW-браузеру користувач може вибрати певну сторінку або об'єкт. Кожен об'єкт в WWW має унікальний URL.

Рисунок 2.3 - Структура WWW-сторінки

 

WWW-сторінка описується на мові HTML. У HTML-файлі зберігається її представлення і посилання на об'єкти, що містяться в сторінці. HTML-сторінка також може містити текст, який відображається в певних місцях сторінки. HTML-сторінка сама по собі є об'єктом, яка аналізується браузером. Крім того, WWW-об'єкти  включаються в HTML-файл як складові частини прошеної і передаваної сторінки.

Для WWW характерна клієнт-серверна архітектура. WWW-браузер є клієнтом, який посилає  запити WWW-серверу, просячи передачу WWW-об'єктів, що зберігаються на цьому  сервері. З'єднання між клієнтом і сервером контролюється прикладним протоколом НТТР, що використовує протокол управління передачею (ТСР) з кінця в кінець. У первинній версії НТТР клієнт передавав запит для кожного об'єкту сервера, і нове ТСР-з'єднання встановлювалося для кожного об'єкту, який було запрошено. Запит містить URL об'єкту, параметри форматів даних і параметри контролю доступу. Сервер обробляє цей запит і пересилає прошений об'єкт клієнтові. Потім ТСР-з'єднання розривається. У нових версіях НТТР (наприклад, в НТТР версії 1.1) ТСР-з'єднання може використовуватися подальшими об'єктами (постійні ТСР-з'єднання), і декілька ТСР-з'єднань можуть бути встановлені паралельно для конвеєрної передачі декількох різних об'єктів (конвеєрні ТСР-з'єднання). Рисунок 2.4 відображає послідовність WWW-сесій.

Рисунок 2.4 - Послідовність і параметри WWW-сервісу

 

Адаптована мозаїчна модель WWW. WWW-сесії складаються із запитів набору сторінок. Ці сторінки складаються з безлічі об'єктів певних розмірів. Іншим характерним параметром є затримка між сторінками, яка залежить від поведінки користувача при переміщенні по Web. У таблиці 2.1 приведений огляд параметрів мозаїчного WWW-трафіку. Мале число об'єктів на сторінці (2,5 об'єкту) і малі розміри об'єктів (3700 байт) були адаптовані на основі ETSI.

Таблиця 2.1– Параметри моделі пристосованого мозаїчного WWW-трафіку

Параметри WWW	Розподіл	Середнє	Дисперсія
Сторінки за сеанс	Геометричний	5,0	20,0
Інтервали між сторінками, с	Від'ємний експоненціальний	12,0	144,0
Об’єкти на сторінці	Геометричний	2,5	3,75
Розмір об’єкта, байт	Эрланга	3700	4,67*109

Характеристики трафіку WWW-моделі ілюструються функціями розподілу розмірів об'єктів. На рисунку 2.5 показані гістограми розмірів об'єктів і тривалості сесій. Вони отримані в ході стохастичних імітацій моделей трафіку через стек ТСР/IР і моделі вузькосмугового каналу для передачі генерованих ТСР-пакетів з фіксованою швидкістю передачі в 89,6 кбіт/с (типова швидкість для користувача EDGE/UMTS), затримкою IР-пакету в 10 мс і без втрат в Інтернеті.

Рисунок 2.5 - Характеристики трафіку WWW: а – розмір об'єкту;                             б – тривалість сеансу

 

Поведінкова модель для Web-трафіку. Поведінкова модель [1] є зразком для переміщень по мережі, що виконуються з персональних комп'ютерів (РС), приєднаних до Інтернету. Ця модель характеризується великими розмірами об'єктів і WWW-сторінок в порівнянні з мозаїчною моделлю. Оскільки продуктивність мобільних мереж на перших кроках еволюції GSM менша, ніж у мереж фіксованого доступу, модель менш придатна для проектування GPRS-трафіку. Подібна модель трафіку являється On/Off-моделлю з фазами генерації пакетів і очікування (рисунок 2.6), що чергуються.

Рисунок 2.6 - Модель поведінки

 

On-фаза починається після успішного  прийому запиту. Впродовж цієї  фази запрашуються об'єкти WWW-сторінки. Off-фаза є періодом простою  після прийняття усіх об'єктів.  Таким чином, On- і Off-фази — це періоди завантаження і читання сторінки відповідно.

Впродовж On-фрази об'єкти сторінки завантажуються. Розглянемо два типи об'єктів : основний об'єкт, НТМL-код  документу, що містить, і вбудовувані  об'єкти, такі як об'єкти посилання, малюнки  або Java-аплети. Щоб прийняти усі вбудовувані  об'єкти, сучасні браузери відкривають  декілька паралельних ТСР-з'єднань після успішного завантаження основного  об'єкту.

У таблиці 2.2 приведені випадкові змінні, використовувані моделлю вибору для опису розмірів об'єкту, числа вбудованих об'єктів і тривалості часу перегляду.

 

 

Таблиця 2.2 – Параметри моделі WWW-трафіку

Параметр WWW	Розподіл	Середнє	Дисперсія
Час просмотру, с	Вейбулла	39,5	8,57*103
Число вбудованих об'єктів  на сторінці	Гамма	5,55	130,0
Розмір головного об'єкту, кбайт	Логормальний	10	625,0
Розмір вбудованих об'єктів, кбайт	Логнормальний	7,7	1,59*104

Величина даних S, згенерованих впродовж On-фази, задається рівнянням

 

і є комбінацією  трьох випадкових змінних. Випадкова  змінна S є корисним навантаженням, яке буде передане протоколом НТТР.