Оценка качества пакетной радиосвязи общего назначения GPRS с протоколом TCP Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 693.548

Оценка качества пакетной радиосвязи общего назначения GPRS с протоколом TCP

С.Б. Матвеев, A.C. Пастухов

Произведено исследование GPRS-трафика в сотовой сети связи и проанализировано влияние параметров протокола TCP на пропускную способность GPRS; приведены аналитические и расчетные выражения, описывающие работу GPRS, а также построены графики зависимостей параметров протокола отусловий передачи.

Research of traffic GPRS of cellular communication networks is carried out the given final qualifying work, the analysis of influence of parameters of report TCP on throughput of traffic GPRS is spent; the analytical and settlement expressions describing work GPRS are resulted, and also schedules of dependence of parameters of the report from conditions of transfer are constructed.

Введение. Основной целью внедрения пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS) в глобальную систему связи с подвижными объектами (GSM) является более эффективное использование ресурсов GSM, по сравнению с существующими услугами второго поколения GSM. Она реализована при помощи множества логических связей в однонаправленном канале и мультиплексировании пакетов на физические уровни.

Коммутация пакетов означает, что радиоресурсы GPRS используются только тогда, когда пользователи делают запросы на посылку или получения данных. Более правильным является не выделение радиоканала данных пользователю на фиксированный промежуток времени, а разделение доступного радиоресурса между несколькими пользователями. Фактическое число пользователей зависит от используемого приложения и числа передаваемых данных. При помощи мультиплексирования нескольких логических связей в один или более физических каналов GSM, GPRS достигает гибкого использования каналов для приложений с переменными битовыми скоростями.

Кроме того, такая технология создает возможность использования протокола Internet (IP) в сетях GSM, что в свою очередь открывает доступ к большому числу различных сетей.

Описание модели TCP через GPRS. Передача TCP может быть разделена на три фазы: фаза установки TCP-соединения, медленная стартовая фаза TCP и устойчивая статическая фаза TCP. Результаты исследований [3] показывают, что производительность TCP может быть оценена, если медленная стартовая фаза TCP-соединения невелика по сравнению с общим временем передачи. Однако, из-за небольших размеров файлов и высоких времен обхода (вплоть до одной секунды), в

мобильных сетях пакетной передачи медленная стартовая фаза ТСР часто имеет тот же порядок, что и устойчивая фаза, или даже больше. Поэтому, медленная стартовая фаза включена в эту аналитическую оценку производительности ТСР. Время установки ТСР Ттц может быть добавлено к длительности фазы передачи данных, состоящей из медленной стартовой и устойчивой статистической фаз.

Медленный старт ТСР. В медленной стартовой фазе размер окна во времени возрастает экспоненциально, чтобы достичь доступной пропускной способности. Период полного обхода определен как период между передачей одного или нескольких сегментов и приемом подтверждений для этого пакета сегментов ТСР (рис. 1). После каждого периода полного обхода размер окна перегрузки удваивается. Когда время передачи пакета сегментов ТСР превысит период времени полного обхода, достигается устойчивое состояние.

Рис. 1. Схема последовательности сообщений для медленного старта ТСР и устойчивого состояния

Чтобы охватить реализации ТСР, которые включают задержанные подтверждения, вводится показатель [4], определенный как один плюс обратная величина числа сегментов ТСР, которые подтверждены одним сообщением, т. е.

(1)

N —

1 у отт

1об

Е

М,,

1 - кз,

Ж

1оБ( kSS )

-1

(2)

В течение NRTT периодов полного обхода может быть передано 5ЬТТ байт. Для его определения используются следующее уравнение:

д

ЯТТ

ЖМ

ss

{1 kNRTГ ^

1 ss

1 - к„„

(3)

где Nn - число сегментов ТСР, которые подтверждены одним сообщением (1<кж<2).

Для вычисления длительности передачи медленной стартовой фазы ТСР подсчитываются файлы, которые могут полностью быть переданы в медленной стартовой фазе (Е < Вж) [2]. Для файла размера Е с максимальным размером сегмента М^ и числом периодов полного обхода ^ТТ, выполняется следующее отношение для ТСР-передачи в медленной стартовой фазе:

где Е - размер файла, кбайт, Мда - максимальный размер сегмента, кбайт, Ж - размер окна (сегменты), - показатель, характеризующий число па-

кетов, подтверждаемых одним сообщением.

На рис. 2-4 изображены графики изменения ^ТТ от размера файла Е, максимального размера сегмента М^, размера окна Ж, показателя к^.

Показатель к^ выражает число сегментов, которые подтверждаются одним сообщением и при увеличении этого показателя [1] (уменьшение числа сегментов) уменьшается число периодов полного обхода (рис. 2, 3,а). Чем больше длина сегментов, на которые разбивается файл, тем ближе график приближается к идеальному (рис. 2,о, 4).

Размер окна должен быть достаточен, чтобы кадр мог быть отправлен первоначально и передан повторно несколько раз до завершения окна. Из рис. 3 и 4, б видно, что с увеличением размера окна число периодов полного обхода уменьшается, но при излишнем увеличении размера окна наблюдается избыточность, так как ^ТТ < 1. Недостаток наличия большого размера окна - затраты на дополнительную память, а также дополнительные затраты на улучшение оборудования.

При увеличении размера файла требуется больше обходов, как это и представлено на рис. 3,6, 4.

где М^ - максимальный размер сегмента, кбайт, Ж - размер окна (сегменты), к^ - показатель, характеризующий число пакетов, подтверждаемых одним сообщением, ^ТТ - число периодов полного обхода (2).

На рис. 5-7 изображены графики изменения В^Т от размера файла Е, максимального размера сегмента М^, размера окна Ж, показателя к^.

Характер изменения графиков объема переданной информации В^Т (рис. 5-7) совпадает с характером изменения графиков для периода полного обхода в зависимости от Мда, Ж, кж Е

Из выражения (3) определим максимальный размер сегмента

М^ — ^Я-^, (4)

^ Ж (1 - к^ТТ +1)

где Е - размер файла, Ж - размер окна, к^ - показатель, характеризующий число пакетов, подтверждаемых одним сообщением, ^ТТ - число периодов полного обхода (2).

На рис. 8-10 изображены графики изменения Мда от размера файла Е, числа периодов полного обхода ^ТТ, размера окна Ж, показателя к^ .

На рис. 8, 10,а представлены зависимости максимального размера сегмента Мда при заданном числе периодов полного обхода ^ТТ= 1. На рис. 8,а видно, что с уменьшением числа сегментов, подтверждаемых одним сообщением (характеризуется показателем кж) для обеспечения условия ^ТТ=1 требуется меньшая длина самого сегмента, но Мда слабо зависит от показателя кот, а при увеличении размера окна и при ^ТТ= 1 (рис. 8,6) требуется меньший размер сегмента.

Рис. 9, 10,6 показывают, что с увеличением ^ТТ размер сегмента уменьшается. На рис. 9,а видно, что при увеличении размера файла, Мот увеличивается, но при ^ТТ > 5 эта зависимость Мот от Е слабо выражена.

ТСР-соединение находится в медленной стартовой фазе до тех пор, пока скорость передачи не достигнет устойчивой скорости передачи ЛТСР, которая является минимумом пропускной способности радиоканала Лгааю и скорости «узкого места» Мете! Лажэ.

а)

б)

Рис. 2. Г рафики зависимости числа периодов полного обхода от показателя кж при различных значениях максимального размера сегмента Мж (а); при различных значениях размера передаваемого файла Е (б)

' / / , __

\ \,

V £

1 у N

V- 'С"~ -5 1 с

б)

Рис. 3 Графики зависимости периодов полного обхода от показателя кж при различных значениях размера окна Ж (а); при различных значениях размера передаваемого файла Е (б)

Рис. 4. Г рафики зависимости числа периодов полного обхода от максимального размера сегмента (а); при различных значениях размера передаваемого файла (б)

а)

6)

Рис. 5. Г рафики зависимости объема переданной информации Вщт от показателя кж при различных значениях максимального размера сегмента Мж (а); при различных значениях размера передаваемого файла Е (б)

а)

б)

Рис. 6. Г рафики зависимости объема переданной информации ВтТ от показателя кпри различных значениях размера окна Ж

(а); при различных значениях размерапередаваемого файла Е (б)

Г

■

>>. "Ж-

"Ж

о--

а)

б)

Рис. 7. Г рафики зависимости объема переданной информации ВтТ от максимального размера сегмента Мж при различных значениях размера передаваемого файла Е (а); при различных значениях размера окна Ж (б)

а)

б)

Рис. 8. Графики зависимости максимального размера сегмента Мж от размера передаваемого файла Е при различных значениях показателя к^ (а); при различных значениях размера окна Ж (б)

а)

б)

Рис. 9. Графики зависимости максимального размера сегмента Мет от размера передаваемого файла Е (а); от размера окна Ж

(б), при различных значениях числа периодов полного обхода ^ТТ

Рис. 10. Графики зависимости максимального размера сегмента W (а); при различных значениях числа периодов полного обхода

Затем может быть вычислена скорость передачи TCP соединения GPRS

MSS от показателя kSS при различных значениях размерах окна nrtt (б)

R

MSSC

GPRS

t ( F < Bss ) - Nrtt rtt +

(F - BrTT)

RTr'T>

+a

(6)

rtt4p ’ ()

где MSS - максимальный размер сегмента; С - размер кластера; RTT - время полного обхода TCP; р -коэффициент потерь пакетов Internet.

На рис. 11, 12,о, 13 представлены графики скорости передачи Rint в зависимости от параметров: MSS, W, kSS, F и они имеют схожий характер изменения, что и зависимости MSS от тех же параметров (рис. 10).

На рис. 12,6 показаны зависимости скорости передачи от времени полного обхода TCP (RTT) и Mss . При увеличении RTT скорость уменьшается, а при увеличении MSS, Rgprs увеличивается. При больших значениях RTT зависимость Rgprs слабо выражена.

На рис. 14,о,б представлены зависимости скорости передачи от размера кластера и от параметра потерь. С увеличением размера кластера растет скорость, но при увеличении параметра потерь, скорость снижается.

Предполагая, что радиоканал представляет собой узкополосную связь, можно вычислить время, необходимое для передачи объекта размером F в режиме медленного старта, используя радиоканал доступа с пропускной способностью RTCP, как число полных RTT (NRTT), добавлены ко времени, необходимому для передачи остальных байтов файла и добавленных к фиксированной сквозной задержке .Dlch для одного сегмента; ^LCH - сквозная задержка, состоящая из задержки распространения в воздушной среде и задержки в ядре сети и в Internet

где Е - размер файла; Длт - объем переданной информации; ^ЬТТ - число периодов полного обхода (2); ЛТТ - время полного обхода ТСР; ЛТСР -пропускная способность радиоканала; Д^Сн -сквозная задержка, состоящая из задержки распространения в воздушной среде и задержки в ядре сети и в Шете!

Характер изменения общего времени передачи от М55, Ж, £ж, Е (рис. 15-19) схож с характером изменения ^11 от этих же параметров, а зависимость времени передачи от ЯТТ выражается просто: с увеличением ЯТТ увеличивается и время передачи.

Устойчивая фаза ТСР. Для того чтобы вычислять длительность передачи файлов с размером больше размера файла, который может быть передан в фазе медленного старта (Е > Дж), должны быть учтены как медленная стартовая, так и устойчивая фазы.

Уравнение (6) может использоваться для ТСР-передачи, пока скорость передатчика не достигнет скорости устойчивой фазы ЛТСР (см. рис. 1). Это в том случае, когда время для передачи пакета сегментов ТСР после периодов ЯТТ превысит следующий период ЛТТ:

Rtt <

WmtMss

rt

kXSS-1

ss

log

{ r r ^ TCP TT

Wnt Mss

log( kss )

+1

Это условие для перехода в устойчивое состояние может быть решено для Х55. Теперь число ЛТТ-периодов %Я, в течение которых соединение остается в фазе медленного старта, и число байт,

Размер файла F, кбайт

а)

б)

Рис. 11. Графики зависимости скорости передачи трафика GPRS Rgprs от размера передаваемого файла F при различных значениях показателя kSS (а); для нескольких значений размера окна W (б)

Рис. 12. Графики зависимости скорости передачи трафика GPRS Rgprs от размера передаваемого файла F при различных значениях числа периодов полного обхода NRTT (а); от максимального размера сегмента MSS для нескольких значений времени полного обхода TCP RTT (б)_________________________________________________________________________________________________

а)

б)

Рис. 13. Графики зависимости скорости передачи трафика GPRS Rgprs от показателя kSS при различных значениях размера окна W (а); при различных значениях числа периодов полного обхода NRTT (б)

а)

ь -Л- / И

У

/ А

/ S а

/ У Z0

у

/

/с 'X

Л

'У

б)

Рис. 14. Графики зависимости скорости передачи трафика GPRS Rgprs от максимального размера сегмента MSS: при различных значениях размера кластера C (а); при различных значениях параметра потерь (б)

Показатель к~~

а)

б)

Рис. 15. Графики зависимости общего времени передачи Г от показателя кж при различных значениях максимального размера сегмента Мж (а); для нескольких значений размера передаваемого файла Е (б)

а)

б)

Рис. 16. Графики зависимости общего времени передачи Г от максимального размера сегмента Мж при различных значениях размера окна Ш (а); времени полного обхода ТСР ЯТТ (б)

Размер окна Ш, сегментов

а)

б)

Рис. 17. Графики зависимости общего времени передачи Г от размера окна Ш при различных значениях размера передаваемого файла Е (а); для различных значений показателя кж (б)

а)

б)

Рис. 18. Графики зависимости общего времени передачи Г от показателя кж (а); размера окна Ш для нескольких значений времени полного обхода ТСР ЯТТ (б)

Рис. 19. Графики зависимости общего времени передачи Г от размера файла Е для нескольких значений времени полного обхода ТСР ЯТТ

которые возможно передать в течение фазы медленного старта может быть вычислено формулой

Nss = Xss - l; wlth BSS = WnitM

1 1 N

l - kcr

l-k

log

^ R R ^

ЛТСРЛТТ

N. =-

WM

SS

Bss = WMSS

1 - kNss 1 SS

l — k„r.

(8)

Графики, изображенные на рис. 25-29 показывают, что передаваемая информация Бж изменя-

ется прямо пропорционально изменениям RTCP , RTT и обратно пропорционально W, MSS, kSS. Также можно отметить, что BSS резко меняется при изменении kSS от 1,1 до 1,3.

Теперь может быть вычислено общее время передачи. Это время медленной стартовой фазы, добавленной к длительности передачи остальных байтов в течение устойчивого состояния и к фиксированной сквозной задержке DLCH.

t(F > Bss ) = NssRtt +

(F - Bss )

RTr'T>

+ D

(9)

V /

Число ЯТТ периодов ^33, в течение которых соединение остается в фазе медленного старта определяется как

, (7)

log(kss )

где RTCP - пропускная способность радиоканала, кбайт/с; MSS - максимальный размер сегмента, кбайт; W - размер окна (число сегментов); kSS -показатель, характеризующий число пакетов, подтверждаемых одним сообщением, RTT - время полного обхода TCP, с.

По графикам, показанным на рис. 20-24 можно сделать следующие выводы: при увеличении скорости передачи и времени периода полного обхода, число периодов полного обхода также увеличивается. Но при больших значениях этих параметров (RTT > 0,5 с, RTCP > 25 кбайт/с) изменение числа периодов полного обхода уменьшается, т.е. эти параметры мало влияют на NSS; при увеличении размера окна NSS уменьшается (большое изменение NSS возникает при изменении 1 < W < 3); с увеличением MSS требуется меньшее число сегментов, а следовательно умень-шается и NSS.

Число байт, которые возможно передать в течение фазы медленного старта может быть вычислено по формуле

На рис. 30-34 показаны графики изменения времени передачи, характер изменения которых совпадает с характером изменения графиков Б55. Установка ТСР соединения. Для трехстороннего подтверждения соединения две восходящие и одна нисходящая длительности установления ТББ (19,5 периодов), три радиоблочных периода для трех блоков данных КЬС, половина радиоблочного периода для начального выжидания и два радио блочных периода для задержки обработки, после приема радиоблока, предположительно составят 500 мс. Для запроса клиента принято 200 байтовых сегментов ТСР, сегментированных на восемь блоков данных КЬС и передающихся за два радио блочных периода. Вместе с начальным временем ожидания для канала произвольной выборки и установки восходящего канала ТББ, длительность передачи запроса клиента оценена в 220 мс. Отсюда, общее время установки ТСР (Е1ш1), включая трехстороннее подтверждение соединения с учетом результата запроса клиента, составляет 780 мс.

• С увеличением размера окна число периодов полного обхода уменьшается, но при его большем увеличении наблюдается избыточность, так как число периодов полного обхода становиться меньше единицы (^яТТ < 1), наличие большого размера окна приводит к затратам на дополнительный объем памяти. Результаты исследований показывают, что производительность ТСР может быть оценена, если медленная стартовая фаза ТСР-соединения невелика по сравнению с общим временем передачи, а из-за небольших размеров объемов файлов и высоких времен обхода (вплоть до одной секунды), в мобильных сетях с пакетной передачей медленная стартовая фаза ТСР часто имеет тот же порядок, что и устойчивая фаза. При увеличении скорости передачи ТСР и времени периода полного обхода RTT, число

а)

Скорость передачи трафика ТСР ЛТСр, кбайт/с б)______________________________________________

Рис. 20. Графики зависимости числа периодов полного обхода от скорости передачи трафика ТСР ЯТСР при различных значениях времени полного обхода ТСР ЯТТ (а); при различных значениях размера окна Ш (б)

-Ь- 1 1111

щ

/ ^-5

ІҐ і*

а)

б)

Рис. 21. Графики зависимости числа периодов полного обхода от скорости передачи трафика ТСР ЯТСР при различных значениях (а); для нескольких значений показателя (б)

а)

б)

Рис. 22. Графики зависимости числа периодов полного обхода от времени полного обхода ТСР RTT при различных значениях размера окна (а); для нескольких значений максимального размера окна М33 (б)

а)

б)

Рис. 23. Графики зависимости числа периодов полного обхода от времени полного обхода ТСР Яп- от максимального размера сегмента (а); для нескольких значений показателя (б)

: [ \

\

\

; С \

: < \ ч

\ \

N >

а)

б)

Рис. 24. Графики зависимости числа периодов полного обхода от размера окна Ш при различных значениях максимального размера сегмента М33 (а); для нескольких значений показателя кж (б)

¡1111 ш 7 1

5—

/ / >

/

/ у / > / ✓ /

' / /

' У > > У

: [ с • <•

а)

б)

Рис. 25. Графики зависимости объема переданной информации от скорости передачи трафика RTCp при различныхзначениях размера окна Ш (а); при различных значениях времени полного обхода ТСР RTT (б)

: 5 ■ л * ‘

* 7“

4

*

А /

Л А > <

: 1 X < <

а)

б)

Рис. 26. Графики зависимости объема переданной информации от скорости передачи трафика RTCP при различных значениях максимального размера сегмента М33 (а); при различных значениях показателя кж (б)

: —1- =: А 4 \

$ 7

$

— _

//

*/

а)

б)

Рис. 27. Графики зависимости объема переданной информации от времени полного обхода RTT при различных значениях размера окна Ш (а); при различных значениях максимального размера сегмента (б)

I

а)

б)

Рис. 28. Графики зависимости объема переданной информации отвремени полного обхода RTT (а); от максимального размера сегмента Мж при различных значениях показателя кж (б)

а)

б)

Рис. 29. Г рафики зависимости объема переданной информации от размера окна Ш при различных значениях максимального размера сегмента Мж (а); при различных значениях показателя кж (б)

Рис. 30. Графики зависимости времени передачи от скорости передачи трафика RTCP при различных значениях времени полного обхода RTT (а); при различных значениях размера окна Ш (б)

Рис. 31. Графикизависимостивремени передачи Г от скорости трафика RTCP при различныхзначениях максимальногоразме-ра сегмента (а); при различных значениях показателя к(б)___________________________________________________

Рис. 32. Графики зависимости времени передачи Г от времени полного обхода RTT при различных значениях размера окна Ш (а); при различных значениях максимального размера сегмента Мж (б)

Рис. 33. Г рафики зависимости времени передачи от времени полного обхода RTT (а) от максимального размера сегмента MSS (б), при различных значениях показателя kSS

: [ Ч

\

; L ч

: с \ ч \

\ \

J____I___I___L

I I I t

1 1 1

х 3-Е

\

\

- \ £— ) (■ • S

?

б)

Рис. 34. Г рафики зависимости времени передачи от размера окна та Мж (а); при различных значениях показателя кж (б)

периодов полного обхода также увеличивается, но при увеличении этих значений ^тт>0,5 с, RTCP>25 кбайт/с) число периодов полного обхода уменьшается, т.е. эти параметры мало влияют на количество периодов полного обхода в устойчивой фазе А55. При увеличении размера окна Ш количество периодов

Ш при различных значениях максимального размера сегмен-

полного обхода в устойчивой фазе уменьшается, большое изменение возникает при изменении размера окна в диапазоне [1-3], а с увеличением максимального размера сегмента требуется меньшее общее число сегментов, а следовательно и уменьшается период полного обхода в устойчивой фазе А55.

ЛИТЕРАТУРА

1. Traffic Engineering Concepts for Cellular Packet Radio Networks with Quality of Service Support; Univer-sit”atsprofessor Dr. Petri M”ah”onen;Tag der m”undlichen Pr”ufung:23.Juni 2003.

2. 3GPP TSG GERAN. General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2. Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project, April 2002.

3. 3GPP TSG GERAN. General Packet Radio Service (GPRS); Base Station System (BSS) -Serving GPRS Support Node (SGSN); BSS GPRS Protocol (BSSGP).

Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project, July 2002.

4. T. Laksman and U. Madhow The Performance of TCP/IP for Networks with High Bandwidthdelay Products and Random Loss. IEEE/ACM Trans. Networking, Vol. 7, No. 5, 1999.

5. 3GPP TSG GERAN. General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2 (3GPP tS 43.064 version 5.0.0 Release 5). Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project, April 2002.

Поступила 20. 01. 2008 г.