Современные требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного доступа специального назначения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Современные требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного доступа специального назначения

Ключевые слова:

беспроводной доступ, Интернет-трафик, стандарт IEEE 80216, сети специального назначения, помехоустойчивость

С каждым годом все большее распространение получают технологии беспроводного доступа городского масштаба, основанные на стандарте 1ЕЕЕ 802.16. Данный стандарт в настоящее время повсеместно применяется для передачи большого количества трафика различного вида, а также для передачи Intemet-трафика. На начальном этапе проектирования сетей беспроводного доступа специального назначения особое значение имеет определение требований к показателям качества информационного обмена данных сетей, которые раскрыты в статье.

Легков КЕ,

научный сотрудник Северо-Кавказского филиала МТУСИ, Ростов-на-Дону, constl@mail.ru Донченко АА,

зам. директора Северо-Кавказского филиала МТУСИ по научной работе, Ростов-на-Дону, risint@mail.ru

Внедрение новых информационных технологий, необходимость передачи различного вида информации на узлах связи специального назначения, определяют повышенные требования к качеству информационного обмена (КИО).

Необходимость во множественном доступе к разделяемым вычислительным ресурсам обусловила создание распределенных систем, которые со временем стали представлять чрезвычайно сложные технические комплексы, состоящие из объединенного в сеть посредством среды распространения и находящегося под управлением сетевой операционной системы, разнообразного оборудования. Однако, со стороны конечного пользователя такая система является не чем иным, как совокупностью сетевых служб, обеспечивающих возможность посылки, получения, обработки и хранения информации или, что то же, доступа к необходимым ему услугам. Естественно, что для выполнения данных функций распределенная система должна не только предоставлять пользователю необходимые услуги и информацию, но и обеспечивать их должное качество — качество ин-

формационного обмена (КИО). В упрощенном виде это сводится к необходимости передачи информации, представленной сигналами речи, данных или видео, строго по назначению, как можно быстрее и, естественно, с высокой надежностью и достоверностью. Последнее подразумевает минимизацию на стороне приема ошибок, определяя тем самым требования к оборудованию и программному обеспечению, непосредственно принимающим участие в передаче. Поэтому, учитывая непрерывное повышение требований пользователей к объему, временным задержкам и скорости передачи информации, на первый план выходит задача обеспечения и поддержания необходимого пользователю КИО, что может быть осуществлено наращиванием, модернизацией или распределением сетевых ресурсов путем соответствующего управления сетью.

Сетевая служба распределенной системы может либо гарантировать соблюдение определенного КИО, либо стремиться повысить его, не гарантируя поддержания в процессе пользования услугой. Применение того или иного подхода, а также определение состава и области допустимых значений показателей качества, устанавливается в соглашении об уровне предоставляемых услуг (Service Level Agreement, SLA) с учетом позиций и пользователя, и сетевых служб распределенной системы. Учитывая данную особенность КИО, а именно необходимость его рассмотрения как с позиций приложений, так и с позиций сети телекоммуникаций, к вопросу контроля качества следует под-

ходить, как к контролю соответствия установленным нормам, например, значениям тех или иньх сетевых параметров и показателей, отражающих это качество.

При оценке КИО как интегрированного показателя необходимо сначала определить требования и критерии оценки к его составляющим, таким как пропускная способность (скорость передачи), помехоустойчивость приема сигналов, вероятность ошибки в радиоканале и т.д.

Согласно [1] основными требованиями к КИО для услуг с коммутацией пакетов являются:

• эффективность полосы пропускания (отношение количества бит пользовательской информации, переданной при сквозном соединении в одном направлении в единицу времени, к классу данного (виртуального) соединения);

• 1?ГО (задержки двусторонней передачи (передачи информации и приема подтверждения));

• доступность услуги;

• количество перерывов в услуге в год.

Очевидно, что используемые средства определения значений параметров производительности сети не обязательно должны охватывать все параметры, а должны включать только те из них, которые имеют отношение к согласованному КИО.

Пользователями используются следующие группы показателей качества:

• показатели качества услуг, предоставляемых службами пользователям системы связи:

своевременность, достоверность, безопасность;

• показатели качества предоставления услуг пользователям.

Оперативно-тактические показатели качества функционирования системы связи предназначены для оценки оперативно-технических возможностей сети по обеспечению выполнения требований пользователей к качеству услуг (своевременность, достоверность, безопасность). К ним относят следующие показатели системы связи: пропускная способность, готовность, устойчивость, живучесть, мобильность, разведзащищенность, крипто — и имитостой-кость.

Номенклатура существенных характеристик качества функционирования сетей и служб системы связи формируется на основе их существенных свойств и подходов, установленных в Концепции характеристик сети, определенной в [2].

В [3] определены основные характеристики КИО:

• производительность сети (пропускная способность);

• надежность;

• параметры доставки пакетов IP;

• классы QoS и приложения.

Основной характеристикой телекоммуникационной сети системы связи, отражающей цели создания и функционирования, является ее способность обслуживать поступающий трафик с заданной интенсивностью при заданном КИО, определенным техническим состоянием и оперативными условиями применения, т.е. пропускная способность. Она зависит от ряда других ее характеристик: надежности, достоверности передачи, готовности, устойчивости и имеющихся ресурсов и возможностей [2].

В настоящее время разработаны требования к двум видам показателей цифровых каналов и трактов — показателям ошибок и показателям дрожания и дрейфа фазы. Показатели ошибок цифровых каналов и трактов являются статистическими параметрами и нормы на них определены с соответствующей вероятностью их выполнения. Для показателей ошибок разработаны следующие виды эксплуатационных норм:

— долговременные нормы;

—оперативные нормы.

Долговременные нормы определены в [4]

— для каналов 64 кбит/с и в [5] — для трактов со скоростью от 2048 мбит/с и выше.

Классификация норм на показатели ошибок приведена на рис.1.

Нормы на показатели фазового дрожания (джиттер) и дрейфа фазы (вандер) включают в себя следующие виды норм:

— сетевые предельные нормы на иерархических стыках;

— предельные нормы на фазовое дрожание цифрового оборудования (в том числе характеристики передачи дрожания фазы);

— нормы для фазового дрожания цифровых участков.

Эти показатели не относятся к статистическим параметрам, и для их проверки не требуется длительных измерений.

Показатели КИО должны определяться с учетом особенностей каждого сетевого протокола и характера переносимого трафика пользователя. Мультисервисные сети цифровой системы связи и ее пакетные сети последующих поколений базируются на 1Р-протоколе. Показатели КИО на третьем уровне ЭМВОС называют сетевыми показателями качества на интерфейсе "пользователь-пользователь".

Как уже говорилось выше, пропускная способность является основополагающим показателем КИО, который оказывает главное влияние на эксплутационные качества, воспринимаемые конечным пользователем.

Пользовательские приложения задают требования к пропускной способности сети. Показатели пропускной способности определяются во взаимосвязи с рабочими характеристиками сети.

Стандарты рабочих характеристик передачи пакетов уровня 1Р [3,6] включают следую-

щие параметры: задержка при односторонней передаче, изменения задержки и потеря пакетов. Эти параметры должны быть отображены на прикладном уровне для адекватной оценки влияния на оценку КИО пользователем.

Требования сетевых показателей качества, используемых при передаче данных пользователя для общих служб 1Р следует формулировать в терминах параметров технических характеристик уровня 1Р, которые определены в [6]. Сводная информация по требованиям к сетевым показателям качества и соответствующих им классов качества приведена в табл. 1 вместе с соответствующими общими понятиями, все значения являются постоянными.

Классы обеспечивают установление соответствия значений показателей качества функционирования сетей требованиям пользователей к качеству типовых услуг и качеству обслуживания. Установленные значения параметров рабочих характеристик (показателей) по классам поддерживают широкий перечень приложений, включая следующие: голосовую телефонию, мультимедийные конференции, цифровое видео и интерактивную передачу данных.

Для других приложений могут потребоваться новые или пересмотренные классы, но любая потребность в новых классах должна быть сопоставлена с требованиями осуществимости реализации, также следует учитывать, что количество классов должно быть небольшим для реализации масштабирования в глобальных сетях.

Рис. 1. Классификация норм на показатели ошибок

Параметр рабочей характеристики сети

Параметр рабочей характери стики сети Сущность требования к рабочей характеристике сети Классы качества

Класс 0 Класс 1 Класс 2 Класс 3 Класс 4 Класс 5 Неопреде ленный

IPTD Верхнее ограничение значения 1РТО (Примечание 1) 100 мс 400 мс 100 мс 400 мс 1с Н

IPDV Верхнее ограничение для 1-10" квантиля значения 1РТР за вычетом минимального значения 1РТО (Примечание 2) 50 мс (Приме чание) 50 мс (Приме чание) Н Н Н Н

IPLR Верхнее ограничение для вероятности потеои пакета 1 х Ю" (Приме чание) 1 х 10-’ (Приме чание) I х 10 3 1 х 10 "5 1 х 10"’ Н

IPER Верхнее ограничение 1x10 (Примечание) Н

Примечания общие:

Требования применяются к сетям ІР общего пользования, входящим в состав объединенной цифровой системы связи специального назначения. Полагается, что требования могут быть достижимыы на обычных реализациях сети ІР Обязательство поставщика сетевых услуг перед пользователем заключается в попытке доставки пакетов способом, обеспечивающим соблюдение всех примененных требований Подавляющее большинство каналов ІР с заявленным соответствием Рек. МСЭ-Т У1541[3] должно удовлетворять данным требованиям.. Для некоторых параметров рабочие характеристики на более коротких и/или менее сложных путях могут быть значительно лучше.

Для параметров ІРЮ, ІРйУ и ІРІЯ предполагается интервал оценки — 1 минута, в любом случае интервал должен быть записан с отслеживаемым значением. Любой отрезок времени в одну минуту должен удовлетворять этим требованиям.

Отдельные постав.щики сетевых услуг могут предлагать соглашения о рабочих характеристиках с лучшими значениями параметров, чем данные требования.

"Н" обозначает "неопределенный" или "неограниченный". Если рабочие характеристики, относятся к конкретному параметру, значение которого равно "Н", МСЭ-Т не устанавливает требований для данного параметра и любые требования, установленные по умолчанию У. 1541, могут быть проигнорированы. Если требования для параметра равны значению "Н", рабочие характеристики по отношению к дан-

ному параметру могут временами произвольно ухудшаться.

Примечание 1. Слишком длительное время прохождения приведет к невыполнению требований низкой сквозной задержки. В данных и некоторых других обстоятельствах требования к !РЮ в классах 0 и 2 не всегда могут быть выполнены. Все поставщики сетевых услуг сталкиваются с этими обстоятельствами, и диапазон требований к!РТО в табл. 1 представляет достижимые классыI качества как альтернативные варианты/. Требования к значению задержки для класса не запрещаютпоставщикам сетевых услуг предлагать обслуживание с соглашениями, оговаривающими более короткие значения задержки. В соответствии с определением параметра 1РТЭ в Рек:. МСЭ-ТУ. 1540 время вставки пакета включено в требование к !РТО. Для оцен-

ки дрнных требований этой Рекомендацией предполагается максимальный размер информационного поля пакета равный 1500 байт.

Примечание 2. — Определение требования IPDV (указанного в Рек. МСЭ-Т Y.1540) является двухточечной Вариацией задержки пакета IP См. Рек. МСЭ-TY. 1540 и Дополнение II для получения более подробной информации о сущности этого требования. Для целей планирования ограничение для значения IPTD может быть получено из верхнего ограничения минимального значения IPTD, поэтому ограничение для 1 — 1х10-3 квантиля можно получить путем добавления значения IPTD и значения IPDV (например, 150 мс в классе 0).

Каждый класс создает определенную комбинацию ограничений для значений рабочих характеристик и рассматривается по пути переноса пакета приложения, для которого был определен этот класс. Это сетевой показатель качества функционирования сети между интерфейсами "пользователь — пользователь".

Основные требования к составляющим показателя КИО для сетей с коммутации пакетов описаны в [1]. Проанализировав все показатели качества информационного обмена получим таблицу соответствия чувствительность различных приложений к сетевым характеристикам (табл. 2).

Остановимся на особенностях некоторых характеристик сетей стандарта IEEE 802.16. В сетях широкополосного доступа IEEE 802.16 определены 5 классов качества, определяющих уровни временных приоритетов данных

1. Класс передачи данных с постоянной скоростью (Unsolicited Grant Service — UGS) разработан для поддержки передачи потоков

Таблица 2

Тип трафика Уровень чувствительности к сетевым характеристикам

Полоса пропускания Потери Задержка Джиттер

Голос Очень низкий Средний Высокий Высокий

Электронная коммерция Низкий Высокий Высокий Низкий

Транзакция Низкий Высокий Высокий Низкий

Электронная почта Низкий Высокий Низкий Низкий

Telnet Низкий Высокий Средний Низкий

Поиск в сети «от случая к случаю» Низкий Средний Низкий

Постоянный поиск в сети Средний Высокий Высокий Низкий

Пересылка файлов Высокий Средний Низкий Низкий

Видео конференция Высокий Средний Высокий Высокий

Мульти кастинг Высокий Высокий Высокий

Параметры качества функцноннров ании УСЛУГИ в сетях WiMAX

Интерактивные игры Речь Потоковое медиа Данные Вндео

С корость передачи 50Кбит/с- 85Кбнт/с 4Кбит/с- 64Кбнт/с 5Кбит/с- 384Кбит/с 0.01Мбит/с-100Мбит/с > 1 Мбит/с

Вид поддерживаемой услуги Интерактивные игры VoIP Музыка, речь. Видео клипы Web поиск, е-mail. ИМ, telnet, загрузка файлов 1РТУ, загрузка фильмов, совмесгное одноуровневое вндео

Поток трафика В реальном масштабе времени В реальном масштабе времени Изменяемый, пакетами Non-real time, bursty Изменяемый

Потери пакетов Нет <1% <1% для аудио; <2% для видео Нет < 10-8

Изменение времени задержки Время задержки Не приемлемо < 50 мсек-150 мсек < 20 мсек < 100 мсек <2 сек < 250 мсек Не приемлемо Г ибкое < 2 сек < 100 мсек

данных в реальном масштабе времени, которые на периодической основе генерируют пакеты данных фиксированной длины, такие как T1/E1 и VoIR

2. Класс передачи данных в реальном времени с опросом на передачу (The real-time polling services (rtRS)) разработан для поддержки передачи потоков данных в реальном мас-

штабе времени, которые на периодической основе генерируют пакеты видео данньх MPEG (Motion Pictures Experts Group).

3. Класс передачи данных без поддержки реального масштаба времени с опросом на передачу (The non-real-time polling services (nrtPS)).

4. Класс передачи данных без гарантий требуемого качества ("по возможности" — the

best-effort service (BE)).

5. Расширенный класс передачи данных в реальном времени с опросом на передачу (the extended real-time polling service (ertRS)).

Для управления качеством в сетях связи используются два пересекающихся множества: параметры качества функционирования сети (Network Reifomances) и параметры КИО. Для управления КИО в сетях широкополосного доступа используется так называемый служебный поток данных (Service Flow).

Служебный поток данных является транспортной службой MAC уровня предоставляемой для передачи трафика в линии "вверх" (UL) и в линии "вниз" (DL) и является ключевым в элементах архитектуры сети, поддерживающих КИО. Каждому служебному потоку данных соответствует свой уникальный набор параметров NR и качества, таких как задержка пакетов, стабильность задержки пакетов и относительное число ошибочно принятых пакетов, которые определяют сетевые возможности и затраты ресурсов.

Требования к параметрам качества функционирования для различных классов услуг в сети WiMAX приведены в табл. 3, 4 и они являются определяющими для параметров КИО.

В соответствии с общей практикой, услуги с сильно различающимися требованиями к качеству, такие как VoIR Web browsing, e-mail, и ин-

Таблица 4

Параметры

КИО для различных классов приоритета графика в сети WiMax

Вид услуг потока трафика__________

Параметры, определяющие КИО

Примеры услуг

Услуга с постоянной скоростью передачи (UGS)

Максимальная поддерживаемая скорость передачи пакетов

Допустима максимальная задержка пакетов Стабильность задержки пакетов____________________

Voice over IP (VoIP) без подавления пауз

Услуга в режиме реального времени с опросом на передачу (rtPS)

Минимальная резервируемая скорость передачи пакетов

Максимальная поддерживаемая скорость передачи пакетов

Допустима максимальная задержка пакетов Уровень приоритета трафика_______________________

Потоковое аудио и видео, передача кодирование данных MPEG (Motion Picture Experts Group)

Услуга не требующая режима реального времени с опросом на передачу _______(пПРБ)________

Минимальная резервируемая скорость передачи пакетов

Максимальная поддерживаемая скорость передачи пакетов

Уровень приоритета трафика

Передача данных FTP

Услуга без гарантии качества (ВЕ)

Услуга расширенного режима реального времени с опросом на передачу (ЕПР5)

Минимальная резервируемая скорость передачи пакетов

Уровень приоритета трафика

Минимальная резервируемая скорость передачи

пакетов

Максимальная поддерживаемая скорость передачи пакетов

Допустима максимальная задержка пакетов

Стабильность задержки пакетов

Уровень приоритета трафика_______________________

Web поиск, передача данных

VoIP

с подавлением пауз

№ Название элементов служебного потока Описание элементов служебного потока данных

1 Идентификатор служебного потока данных (Service flow ID-SFID) Идентификатор принципиальный для служебного потока данных формируемого в сети. Служебный поток данных имеет по меньшей мере SFID для соответствующей линии связи.

2 Идентификатор логического соединения (Connection ID-CID) Определяется для SFID и существует только тогда, когда выполненное соединение уже IIмеег допустимый служебный поток или действующий служебный поток данных.

3 Параметр предоставленного QoS (Provisioned QoS Parameter set) Этот параметр устанавливается средствами за пределами сети охватываемой стандартом IEEE 802.16, например системой управления сетью (NMS).

4 Параметр допустимого QoS (AdmittedQoSParamSet) Устанавливает параметры, по которым БС, а также АС резервирует ресурсы сети. Важнейшим резервируемым ресурсом является пропускная способность канала. Этот параметр включает дополнительную память или ресурс, изменяемый во времени и требующий в последствии активации потока данных

5 Параметр действующего QoS (ActiveQoSParamSet) Устанавливает параметры QoS определяют услугу действительно предоставляемую служебным потоком данных. Только активированный служебный поток данных может передвигать вперед потоки данных.

6 Модуль ивторишции Логическая функция, реализованная внутри БС, которая вносит и отменяет все изменения заданные в QoS параметры и осуществляет классификацию в соответствии с данными служебного потока данных. По существу она определяет набор параметров, которые ограничивают значения параметров AdmittedQoSParamSet и ActiveQoSParamSet.

терактивные игры, являются обычно соответственно связанными с различающимися классами служебных потоков данных, как показано в табл.5.

Таким образом, в настоящей статье мы определили современные требования к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного доступа специального назначения и выяснили, что основная задача по разработке методики оценки данного показателя тесно взаимосвязана с оценкой всех показателей его составляющих, таких как пропускная спо-

собность (скорость передачи), помехоустойчивость приема сигналов и вероятность ошибки в радиоканале.

Литература

1. Засецкий А.В., Иванов А.Б., Постников СД, Соколов И.В. Контроль качества в телекоммуникациях и связи. Часть 2. — М.: Сайрус системс, 2001.

2. ITU-T Recommendation I.350. Directory Services Architecture for Multimedia Conferencing.

3. ITU-T Recommendation Y1541. Network Performance Objectives for IP-Based Services.

4. ITU-T Recommendation G.821. Error performance of an international digital connection operating at a bit rate below the primary rate and forming part of an integrated services digital network.

5. ITU-T Recommendation G.826 Corrigendum 1 — Error performance parameters and objectives for international, constant bit rate digital path at or above the primary rate.

6. ITU-T Recommendation Y1540. IP packet transfer and availability performance parameters.

Yota защищает своих абонентов

Компания Yota, российский разработчик и поставщик мобильных сервисов на основе технологии 4-го поколения Mobile WiMAX, получила комплект лицензий на предоставление услуг по шифрованию информации.

В комплект входят три лицензии ФСБ: на предоставление услуг по шифрованию информации в радиоканале, распространению шифровальных (криптографических) средств и на их техническое обслуживание. Лицензии действуют на всей территории РФ.

Криптографическая защита в сети Yota базируется на международном стандарте AES с длиной ключа 128 бит и его пери-

одической сменой, что обеспечивает более высокий уровень защиты по сравнению с мобильными сетями других стандартов связи. Шифрование информации в радиоканале обеспечивает защищенность абонента от перехвата данных в эфире и от контроля злоумышленниками его связей и направлений коммуникаций.

Компания Yota первой среди операторов сетей стандарта Mobile WiMAX получила лицензии ФСБ. Их наличие дает возможность предоставлять корпоративным клиентам Yota дополнительные сервисы безопасного обмена данными.