Исследование взаимного влияния полезного и служебного трафика в сетях lte Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Исследование взаимного влияния полезного и служебного трафика в сетях НЕ

Ключевые слова: сети LTE, параметры качества обслуживания - QoS, полезный и служебный трафик, коэффициент взаимного влияния служебного и полезного трафика, метод адаптивной маршрутизации

Возрастающая популярность смартфонов 4G, повышает нагрузку на сегменты LTE беспроводных гетерогенных сетей, развернутых одним или несколькими операторами мобильной связи. Соединения из конца в конец в сетях LTE происходят в соответствии с индивидуальными параметрами качества обслуживания — QoS. Для обеспечения этих параметров трафику в сетях LTE может быть присвоено до 10 приоритетов. Также, введены четыре класса обслуживания CoS1 — CoS4, для которых предоставляется различное качество обслуживания и различные дополнительные виды обслуживания (ДВО). По данным японского оператора LTE Softbank ежегодно происходит удвоение полезного трафика в сетях LTE, однако, при этом служебный трафик растет на 30-50% быстрее. Целью статьи является исследование взаимного влияния служебного и полезного (информационного) трафика в сетях LTE. Для этого ппеден коэффициент — k, который определяется, как отношение среднего числа служебных пакетов, необходимых для установления и поддержания соединения, к среднему числу пакетов, передающих полезную информацию. Этот коэффициент рассматривается как интегральная характеристика сети и косвенно отражает параметры QoS. Предложен метод оптимального распределения служебного трафика в сети LTE на основе введенного коэффициента. В основу метода положена идея равномерного распределения служебной информации через наименее нагруженные элементы управления мобильностью MME. Разработан метод управления информационным и сигнальным трафиком на беспроводном сегменте сети LTE, основанный на использовании разных порогов. Первый порог срабатывает при увеличении числа информационных пакетов и направляет пользовательскую информацию на обходные направления, второй порог срабатывает при увеличении числа служебных пакетов и направляет их на обходные направления. Предложено на основании взаимосвязи процессов, протекающих в информационной и сигнальной сети ввести адаптивные порот, т.е. изменять их значения в зависимости от складывающейся на сети ситуации. С помощью имитационного моделирования показано, что динамическая маршрутизация дает большую загрузку сети, но при перегрузках увеличивает непроизводительную нагрузку. Показано, что коэффициент k отражает глубинные процессы, происходящие в сети.

Антонова В.М.,

аспирантка базовой кафедры Информационных сетей и систем МТУСИ при ИРЭ РАН, xaiH@mail.ru

Маликова Е.Е.,

доцент кафедры Сети связи и системы коммутации, МТУСИ, к.т.н, emalikova@gmail.com

наченных как для работы в сетях Wi-Fi , так и в сетях сотовой связи со второго по четвертое поколение, позволяет обслуживать абонентов с применением разных вариантов доступа. В этой связи в SAE предусмотрены механизмы выбора наиболее удобной инфраструктуры для предоставления услуг, необходимых абоненту.

Важная особенность SAE заключается в том, что пользовательские данные могут пересылаться между базовыми станциями непо-

средственно, причем как с помощью проводной, так и беспроводной связи (интерфейс Х2). Это особенно важно при хендовере, для быстрого бесшовного переключения пользователя между базовыми станциями (БС).

Допустимо также передавать данные между БС и через шлюзы транспортной 1Р-сети. Возможность непосредственной беспроводной передачи данных между БС фактически означает, что в архитектуре БДЕ заложена функциональность те$Ь-сети [7]. Новая архитектура

Введение

Для технологии LTE консорциум 3GPP предложил новую сетевую инфраструктуру SAE (System Architecture Evolution) (рис. 1) [1]. Цель концепции SAE — эффективная поддержка широкого коммерческого использования любых услуг на базе технологии IP и обеспечение непрерывного обслуживания абонента при его перемещении между сетями беспроводного доступа, которые не обязательно соответствуют стандартам 3GPP [2]. В настоящее время, наряду с мобильными сетями, широкое распространение получили высокоскоростные локальные сети стандарта Wi-Fi, разворачиваемые в общедоступных системах торговли, общественного питания, транспорта (кафе, аэропорты, магазины) и т.д. Появление терминалов, предназ-

РИс. 1. Взаимодействие сети радиодоступа E-UTRAN и базовой сети SAE

Рис. 2. Архитектура системы LTE — SAE

позволяет большое количество звонков направлять не в основную сеть, а в пределах смежных сот, что минимизирует взаимодействие с основной сетью.

Ядро сети SAE включает в себя следующие элементы:

— модуль управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME), который обеспечивает хранение служебной информации об абоненте, авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи и общее управление мобильностью абонентов;

— сетевой элемент управления передачей данных пользователя (User Plane Entity, UPE), который отвечает за установление нисходящего соединения, шифрование данных, маршрутизацию и пересылку пакетов.

Основным элементом сети SAE является ядро пакетной сети (Core Network), которое соединяется с базовыми станциями через пограничные шлюзы (Edge Router) как показано на рис. 2. Ядро пакетной сети содержит также шлюз обслуживания SGW (Serving Gateway), основная задача которого заключается в обеспечении мобильности пользователей, он является основной границей между сетью радиодоступа и ядром сети и транслирует данные между станцией eNB и шлюзом связи к другим общедоступным сетям. Шлюз PGW (Public Data Network Gateway) обеспечивает взаимодействие абонентских терминалов с внешними сетями передачи данных, а также с другими мобильными сетями. Также имеется блок, осуществляющий функции сетевой политики и правил тарификации PCRF (Policy and Charging Rules Function), который следит за тарифной политикой. Сервер абонентских данных (HSS), хранящий информацию о домашних абонентах, подключается к ядру пакетной сети по интерфейсу, основанному на протоколе Diameter [2].

Таким образом, создается новая радиосеть

доступа, которая значительно увеличивает скорость передачи данных для мобильных терминалов, обеспечивает приемлемые характеристики при передаче в реальном масштабе времени и уменьшает время установления соединений. При этом общее ядро сети позволяет поддерживать мобильные услуги не только определенной технологии мобильных сетей (от GSM до 3GPP), но также и по другим радиотехнологиям (Wi-Fi, WIMAX, CDMA2000 и др.) [6].

Характеристики качества

обслуживания в LTE

В мобильных сетях четвертого поколения действует концепция QoS (качества обслуживания), основанная на понятии класса услуги [7].

Структура базовой сети SAE передает информацию с помощью двух виртуальных взаимодействующих сетей: информационной (ИС, соединяющей элементы UPE), по которой передается полезная информация пользователей, и служебной (СС, соединяющей элементы ММЕ), по которой передается служебная информация, в частности сигнализация для установления соединений и информация для предоставления ДВО с заданным качеством. При этом часто изменяется структура взаимодействия абонентов с узлами UPE. Согласно [1] ежегодно происходит удвоение полезного трафика в сетях LTE, однако, служебный трафик в некоторых разворачиваемых сетях LTE значительно превышает полезный трафик. Находящиеся рядом абоненты могут обслуживаться разными базовыми станциями eNB, при этом возможна передача информации непосредственно между eNB сети (mesh), а также через ядро сети. Таким образом, возникает ряд задач, связанных с управлением маршрутами полезной и служебной нагрузки в изменяющихся условиях на мобильных сетях.

В данной работе предлагается ввести критерий оценки на сетевом уровне взаимного влияния полезного и служебного трафика — к. Он вводит границу, разделяющую ресурсы сети на информационные и служебные, и определяется как отношение среднего числа служебных пакетов, необходимых для установления и поддержания соединения, к среднему числу пакетов, непосредственно передающих информацию. Этот критерий можно рассматривать как некоторую интегральную характеристику, косвенно отражающую качество обслуживания QoS в сети. При повышении качества обслуживания в сети, в частности использования различных схем резервирования ресурсов, этот коэффициент должен увеличиваться.

Одной из первьх работ по совместному управлению информационной и служебной нагрузкой является [3]. Здесь для решения поставленной задачи предложен метод адаптивной маршрутизации в ИС с учетом времени установления соединения в СС, основанный на игровом методе.

В данной работе предлагается метод оптимального распределения служебной нагрузки в базовой сети SAE. В основу предлагаемого метода положена идея равномерного распределения служебной информации через элементы MME. При этом коэффициент к адекватно отражает загрузку служебной сети, а именно: изменяется в соответствии с изменением служебной нагрузки на тех или иных маршрутах. Поэтому, он может быть использован в качестве критерия маршрутизации служебной нагрузки между элементами сети.

Корректировку планов распределения потоков полезной и служебной информации предполагается производить на основании постоянных наблюдений за предложенным критерием к, который косвенно отражает складывающуюся на сети ситуацию. Эта корректировка, в частности, может происходить на основе игрового метода [4], который по своей природе является довольно инерционным. Поэтому в работе предлагается осуществлять коррекцию планов распределения служебной и полезной информации не для каждого соединения, а для группы соединений, для которой система управления вычисляет различные средние характеристики. Размер группы обслуживаемых соединений определяется индивидуально для каждой сети LTE и зависит, в основном, от средней длительности соединения (среднего числа пакетов полезной нагрузки на одно соединение) и процентного соотношения (спектра) предоставляемых основных и дополнительных услуг (табл. 1).

Объектом моделирования в данной работе

Примеры служб и соответствующие им классы обслуживания (CoS)

Таблица 1

Примеры служб Характеристики качества Поле в заголовке Класс Ширина

обслуживания IP-пакета, обслужи- полосы

Прио- Задержка Доля указы вающее вания пропус-

ритет пакетов в мс потерянных пакетов его приоритет (DSCP) (CoS) кания

Информация - - - CS7(56> CoSI

управления 10%

Сигнализация 1 100 10"' CS6(48) CoS I

подсистемы IMS

Диалоговый режим 2 100 10" EF(46) C'oS2

Игры ы реальном 3 50 10-^ CS5(40) CoS2

масштабе времени

13идео в реальном 4 150 ю-3 AF42(36) CoS2 50%

масштабе времени

Потоковое видео 5 300 ю-6 АР4Ц34) CoS2

Потоковое видео 6 300 10"* AF3I(26) CoS3

по протоколу TCP

Речь, видео. 7 100 10"® AF22(20) CoS3

интерактивные 35%

игры

Потоковое видео 8 300 10" AF2I(18) CoS3

по протоколу ТС Р 9 300 I)"6 CSQ{0) CoS4 5%

Информация об - - - AF12(12) CoS4

эксплуатации

и управлении

являлась мобильная сеть четвертого поколения, топология которой изображена на рис 3. Моделируемая сеть состоит из двух транзитных узлов ММЕ/иРЕ в базовой сети БДЕ и семи базовых станций еЫВ. Маршрутизация полезной и служебной нагрузки осуществлялась по кратчайшему пути (наименьшему числу транзитных участков на маршруте). При наличии нескольких маршрутов с одинаковым числом транзитных участков, использовался маршрут, проходящий через ММЕ/иРЕ.

Проведено моделирование участка сети при равномерном распределении абонентов по территории обслуживания станций.

Предполагается, что информационная и служебная нагрузка рассчитаны заранее с помощью заданного коэффициента к. Задана структура потоков, для которых служебная информация должна совпадать с соответствующими информационными потоками, это потоки первого рода.

Другая часть потоков служебной информации, в частности информация о межсетевом ро-уминге, аутентификации, хендовере и т.д., не имеющая корреляции с информационной нагрузкой, может, в случае перегрузки, быть передана по обходным путям. Это служебные потоки второго рода.

Рис. 3. Структура сети, для которой проводилось исследование

Процессы, протекающие в ИС и СС, требуют введения двух порогов управления информационной и служебной информацией:

• первый порог срабатывает при перегрузке ИС и направляет пользовательскую информацию на обходные направления;

• второй порог ^>2 срабатывает при перегрузке СС и направляет на обходные направления служебную информацию второго рода.

При этом необходимо задавать минимальное и максимальное значение каждого порога. Таким образом, образуется двухуровневая система управления. Устройства динамического управления представляются в виде коллектива конечных автоматов с переменной структурой, функционирующих в случайной среде. Для управления каждым порогом введен стохастический автомат с переменной структурой с двумя входами а, и а2. Состояние входа а, соответствует отсутствию свободных информационных ресурсов, при котором соединение должно быть перемаршрутизировано на другую базовую станцию еЫВ, или получить отказ в обслуживании, назовем штрафом и обозначим г,. Состояние входа а2, при котором время установления соединения, или предоставления услуг превышает заданное, назовем также штрафом и обозначим

При поступлении штрафа г, повышается граница т.е. уменьшается размер буфера для приема служебных пакетов, соответствующих установлению новых соединений. При поступлении штрафа ^ повышается граница

соответствующая перемаршрутизации служебной информации второго рода, не связанной с установлением информационных соединений. Кроме событий штрафов на входы автомата а, и а2 могут поступать сигналы, соответствующие событиям успешного установления соединения в заданные сроки. При наступлении этих событий автомат поощряется. Такие состояния и

Ц2 названы поощрениями. Величины штрафов и поощрений для каждого порога могут иметь различный характер.

Показано, что метод дает результаты! даже при двукратном увеличении полезной нагрузки. Для устранения случайных колебаний предложено вводить определенную инерцию с учетом величины запаздывания. Созданная модель отображала процессы передачи служебной и полезной информации в сети с учетом механизмов буферизации, механизма контроля перегрузки описанного выше (с порогов и гп^).

Топология сети задавалась с помощью матриц, определяющих количество информацион-

t3(0TH, ед.)

О ш п H О ак 50 0 г вые/ и / ра зн Ь! е

по рс Г i

1 lí1 1 I ¡C6 1 1С7

Число пакетов

Рис. 4. Среднее время занятия ресурсов при одинаковых и различных значениях порогов в зависимости от поступающего потока сигнальных сообщений второго рода

ньх (полезных) и сигнальных пакетов между станциями eNB. Узлы характеризовались временем передачи полезной и служебной информации, размерами буферов ожидания в каждом направлении и величинами порогов. При моделировании не учитывались механизмы, обеспечивающие безошибочную передачу информации, предполагалось отсутствие искаже-

k

100-т----—i i i i--

90 ' i—_

ний или потерь информации в каналах. Отдельно задавалась матрица тяготения служебной нагрузки, не связанной с установлением соединений.

В алгоритме работы программы моделирования сначала задавались исходные данные: структура сети, параметры поступающих потоков полезной и служебной информации, вре-

менные и другие характеристики системы, а также обнулялись либо заполнялись значениями по умолчанию переменные и массивы, необходимые для работы программы. После определения начальных значений всех переменных, запускался процесс моделирования. Моделирование временньх процессов было организовано по аналогии с [5].

При расчете величины выборки, необходимая относительная погрешность результатов принималась равной 0,01 с достоверностью 0,95. После окончания работы программы моделирования, основными выходными данными являлись следующие: для каждой пары еЫВ; общее количество посланных служебных сооб-щзний, среднее время установления соединения и среднее время занятия информационной сети. Для каждого звена сети определяется: процент отказов (из-за отсутствия информационных или служебных ресурсов). По вышеперечисленным данным, полученным в ходе процесса моделирования, рассчитывался коэффициент k для соединений между каждой парой УК. Затем рассчитывались интегральный коэффициент k для всей сети, а также доля задержки для всех поступивших на сеть вызовов.

Механизм контроля перегрузки основывался на мониторинге уровня заполненности буферов в каждом узле. Вводились понятия о порогах возникновения и снижения перегрузок. На рис. 4 и 5 представлены зависимости, полученные при моделировании сети без и при маршрутизации служебной нагрузки, не связанной с установлением соединений.

Рисунок 4 наглядно демонстрирует уменьшение среднего времени занятия одним соединением сети сигнализации при использовании разных порогов, из чего напрямую следует возрастание качества работы сети. На рисунке 5 показано изменение коэффициента k при одинаковых и различных значениях порогов в зависимости от поступающего потока сообщений второго рода. В случае различных порогов, значение коэффициента k оказывается несколько выше, что означает более качественную работу сети. Дальнейшие исследования необходимо производить для различных классов обслуживания абонентов (CoS).

Выводы

Разработан метод управления информационными и сигнальными потоками на беспроводном сегменте сети LTE, основанный на использовании разных порогов. Первый порог срабатывает при перегрузке ИС и направляет пользовательскую информацию на обходные направления, второй порог срабатывает при

Рис. 5. Коэффициент к при одинаковых и различных значениях порогов в зависимости от поступающего потока сигнальных сообщений второго рода

перегрузке СС и направляет на обходные направления служебную информацию второго рода. Предложено на основании взаимосвязи процессов, протекающих в ИС и СС ввести адаптивные пороги, т.е. изменять значения т, и

в зависимости от складывающейся на сети ситуации. С помощью имитационного моделирования показано, что динамическая маршрутизация дает большую загрузку ИС и СС, но при этом коэффициент к меньше — сеть больше загружена, но в ней за счет роста времени установления соединения происходит увеличение непроизводительной нагрузки. Показано, что коэффициент к отражает глубинные процессы, происходящие в сети.

Литература

1. Тихвинский В.О. LTE World Summit - 2012: требуется ускорение развития LTE // Электросвязь, №7, 2012. - С. 15-16.

2. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика — М.: Спорт и Культура-2000, 2012. — 864 с.

3. Лазарев В.Г, Гончаров Е.В. Метод адаптивной маршрутизации с учетом задержек передачи управляющих сообщений. Тр.VI Международной конференции по Информационным Сетям и системам ISINAS — 2000, Спб. 2-7 октября 2000. Спб.: 2000. — С. 320-330.

4. Лазарев В.Г, Лазарев Ю.В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи. — М.: Радио и связь, 1983. — 235 с.

5. Лазарев Ю.В. Методы анализа систем связи с учетом особенностей структуры коммутационной техники социалистических стран. Учебное пособие. М.: ВЗЭИС, 1987. — 85 с.

6. Stefania Sesia, Issam Touk, Matthew Baker. LTE — The UMTS Long Term Evolution From Theory lo Practice. John Wiley & Sons, Ltd 2011.

7. H. Ekstrom, "QoS control in the 3GPP evolved packet system," IEEE Communications Magazine, Vol 47, Issue 2, pp. 76-83, Feb. 2009.

The research of the influence of the service and the information traffic on each other in LTE networks

Veronika Antonova, Moscow technical university of communications and informatics, graduate student of Information Networks and Systems MTUCI,

xarti@mail.ru

Elena Malikova, Moscow technical university of communications and informatics, Associate Professor of Communication Networks and Switching Systems,

Ph.D., emalikova@gmail.com

Abstract

The growing popularity of 4G smartphones increases the load on the segments of wireless heterogeneous LTE networks, deployed by one or more mobile operators. Connections in LTE networks occur in accordance with the individual parameters of quality of service — QoS. To ensure these parameters traffic in LTE networks can be assigned to 10 priorities. Four classes of service CoS1 — CoS4 which provided with a different quality of service and various additional services are also introduced. According to the Japanese LTE operator Softbank an annual payload traffic doubling in LTE networks occurs. However, the service traffic is grows at 30-50% faster. The goal of the article is to study the influence of the service and the information traffic on each other in LTE networks. For this purpose the coefficient k is introduced. It is defined as a ratio of the average number of service packages that are required to establish and maintain connections to the average number of packets which transmit useful information. This coefficient is an integral characteristic of the network and it indirectly reflects QoS parameters. The paper proposes a method of optimal service load allocation in the SAE core network based on the introduced coefficient. This method is based on the idea of the uniform distribution of service information through the least-loaded control elements of the MME mobility. The simulation results are shown.

Keywords: LTE network, QoS parameters, information and service traffic,

coefficient of the influence of the service and the information traffic on each other, the adaptive routing method. References

1. Tikhvinsky V.O. LTE World Summit 2012: LTE development acceleration requires / Electrosvyaz', No7, 2012. Pp. 15-16.

2. Skrynnikov V.G. Radio subsystems UMTS/LTE. Theory and Practice. Moscow, 2012. 864 p.

3. Lazarev V.G., Goncharov E.V. Adaptive routing method, which takes into account the transmission delays of control messages. VI International Conference on Information Systems and Networks ISINAS 2000 / S. St. Petersburg. 2000. Pp. 320-330.

4. Lazarev V.G., Lazarev Y.V. Dynamic flow control in communication networks. Moscow, 1983. 235 p.

5. Lazarev Y.V. Methods of communication systems analysis, taking into account the structural features of switching equipment of socialist countries. Textbook. Moscow, 1987. 85 p.

6. Stefania Sesia, Issam Touk, Matthew Baker. LTE — The UMTS Long Term Evolution From Theory to Practice / IEEE Communications Magazine, No3, 2011. Pp. 95-99.

7. H. Ekstrom. QoS control in the 3GPP evolved packet system / IEEE Communications Magazine, No2, 2009. Pp. 76-83.