CC BY
112
УДК 004.738.5:621.395.721.5
А С. ПАСТУХОВ, С Б. МАТВЕЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ GPRS ТРАФИКА НА ФРАКТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА В СОТОВОЙ СЕТИ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM
В настоящее время наблюдается 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 о том, насколько 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 проектировании сетевых технологий будущего, настройке параметров сетей и выборе оптимальной конфигурации.
В данной статье рассматривается реальный GPRS трафик, 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 к интерфейсу, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Сетевая архитектура сети сотовой связи ЗАО «Шупашкар GSM»
Описание исследуемой сетевой конфигурации. Существующая сеть GSM не имеет достаточного набора функциональных возможностей, чтобы реализо-
вать услуги на основе пакетной передачи данных. Внедрение GPRS в сеть GSM требует дополнения компонентов, которые обеспечивают коммутацию пакетов, к ним относятся: входной узел GPRS GGSN, опорный узел GPRS SGSN, центр коммутации мобильной связи MSC, контроллер базовых станций BSC, базовая станция BTS и мобильная станция MS. Данная архитектура сети GSM представлена на рис. 1. Рассмотрим эти функциональные узлы:
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 находится 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 избежание 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 GSM. 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) и устройство контроля пакетной передачи.
5. Базовая станция BTS (Base Transceiver Station) управляет радиоинтерфейсом от MS к BS. Базовая станция включает в себя трансиверы (приемопередатчики), антенные модули и платы управления, которые необходимы для обслуживание 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 применялись 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.
Анализатор телекоммуникационных протоколов Acterna 8630 выполнен на базе ПК с 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, поступающую 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 анализируются входящий и исходящий трафики в течение 24 часов с разрешением 1 с, 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 течение 24 часов по протоколам IP, TCP и UDP. Далее были построены графики, которые представлены на рис. 2-7.
I-Id* 2-ICS* 3l{f 4-lrf 5l(f 6-l(f 7-lrf 8-]<? Выборка ito времени (с)
Рис. 2. Входящий трафик IP
Входящий трафик TCP
О I-10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 Й 10
Выборка по времени (с)
Рис. 3. Исходящий трафик IP
Исходящий график TCP
МО4 2-1б* 3 10* 4-ltf 5'lri1 6 id* 7 1 о4
Выборка ito времен» (с)
Рис. 4. Входящий TCP трафик
Входящий трафик UDP
0 МО4 2-ю4 3-l<f 410* 5-I04 6-104 7-104 S-lti*
Выборка по времени (с)
Рис. 5. Исходящий TCP трафик
Исходящий трафик UDP
1 -1<J* 210* 3 l<f 4-Ю4 5 1(f 6-Ю4 7-Ю4 8-Ю4
Выборка по времени (с)
Рис. 6. Входящий трафик UDP
О 110 2 10 310 4 10 5 10 ft 10 7 10 KIO
Выборка по времени (с)
Рис. 7. Исходящий трафик UDP
Для исследования сети был проведен количественный анализ характеристик трафика, полученного при однократном измерении. В табл. 1 приведены основные показатели исследуемых трафиков. Из данной таблицы 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 и 1843558480 бит соответственно, а исходящие IP(UL) и TCP(UL) трафики примерно одинаковы и составляют 751805112 и 625773592 бит соответственно, где на 20% преобладает исходящий IP(UL) трафик. Кроме того, IP и TCP трафики являются асимметричными, так как 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 раза соответственно, а исходящий UDP(UL) трафик также меньше, чем исходящие IP(UL) и TCP(UL) трафики в 9,01 и 7,50 раза соответственно.
Все виды трафиков были исследованы на самоподобность, т.е. оценены показателем Херста, значения которых представлены в табл. 2. Оценка пока-
зателя Херста осуществлялась по всем методам [1] с помощью программы Selfis vO.lb [2].
Таблица 1
Основные показатели исследуемых трафиков _______________________
Исследуемый трафик Число точек Максимальное значение (бит/с) Среднее значение (бит/с) Минимальное значение (бит/с) Объем данных (бит)
IP(DL) 86211 310840 23782 0 2009950064
IP(UL) 86211 86896 10038 0 751805112
TCP(DL) 86203 310840 24474 0 1843558480
TCP(UL) 86203 84808 8759 0 625773592
UDP(DL) 86206 90184 1010 0 76686056
UDP(UL) 86206 65960 1034 0 83392760
Таблица 2
Методы оценки Херст параметра, H______________________________
Вид трафика Методы оценки показателя Херста
Aggregate Variance R/S Periodo- gram Absolute Moments Variance of Residual Abry- Veitch Estimator Whittle Estimator среднее значение
IP(DL) 0,804 0,869 0,875 0,456 0,958 0,596 0,634 0,7417
IP(UL) 0,829 0,818 0,846 0,517 0,877 0,593 0,616 0,728
TCP(DL) 0,822 0,874 0,881 0,476 0,971 0,602 0,639 0,7521
TCP(UL) 0,816 0,819 0,836 0,508 0,875 0,606 0,621 0,7258
UDP(DL) 0,721 0,77 0,812 0,491 0,913 0,737 0,679 0,7318
UDP(UL) 0,81 0,802 0,888 0,577 0,95 0,746 0,696 0,7812
Из табл. 2 видно, что входящий трафики IP(DL) и TCP(DL) наиболее само-подобны, чем исходящие трафики IP(UL) и TCP(UL), оцененные с помощью различных тестов. Значения показателя Херста в некоторых случаях сильно отличаются по значению. Это может быть вызвано тем, что рассматриваемый участок трафика был недостаточен по времени, чтобы оценить их более точно. Как известно, каждый метод определения показателя Херста чувствителен к значению выборки времени, и оценка в результате получается нестабильной. Большинство исследуемых методов обнаружили самоподобную структур в исследуемых трафиках, следовательно, данные сетевые трафики можно применять при моделировании сетей генераторы самоподобного трафика.
Выводы
1. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что все трафики в большинстве случаев обладают самоподобностью, так как значения показателя Херста находится в диапазоне 0,456.. .0,971.
2. Полученный IP трафик в основном определяется TCP трафиком, так как UDP трафик на порядок меньше по объёму IP и TCP трафиков.
3. IP и TCP трафики являются асимметричными, так как объём входящих данных в 2,67 и 2,94 раза больше переданных соответственно.
4. UDP трафик в целом симметричен, так как объём входящих и исходящих данных примерно одинаковый.
5. Наличие самоподобной структуры GPRS трафика позволяет моделировать его с помощью генераторов самоподобного трафика.
Литература
1. Шелухин О.И. Фрактальные процессы в телекоммуникациях: монографиия / О.И. Шелухин, А.М. Тенякшев, А.В. Осин; под ред. Шелухин О.И. М.: Радиотехника, 2003. 480 с.
2. http://www.cs.ucr.edu/~tkarag/Selfis/Selfis01b.zip.
ПАСТУХОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ родился в 1978 г. Окончил Чувашский государственный университет. Старший преподаватель кафедры телекоммуникационных систем и технологий Чувашского университета. Автор более 15 научных работ в области телекоммуникаций, в том числе 1 учебного пособия с грифом УМО.
МАТВЕЕВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ родился в 1983 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры радиотехники и радиотехнических систем Чувашского университета. Автор 3 научных работ в области телекоммуникаций.
