Исследование вопросов дифференциации качества обслуживания в цифровых сотовых сетях GSM

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию вопросов дифференциации и управления качеством услуг (Quality of Service — QoS) и тарифами в сетях мобильной связи 2-го поколения (2G) стандарта GSM (Global System for Mobile Communication). Данное научное исследование сочетает в себе новые маркетинговые подходы на рынке сотовой связи, архитектуру сети, адаптированную к управлению качеством услуг, и алгоритмы дифференцированного обслуживания (Differentiated Service — DiffServ) пользователей сетей мобильной связи.

В конечном итоге суть концепции дифференциации и управления качеством услуг сводится к внедрению процедур динамического управления параметрами качества сервиса и градуированными тарифами. Последние предполагают введение алгоритмов приоритетного обслуживания, благодаря которым абонентам выделяются сетевые ресурсы в зависимости от текущего состояния сети и с учетом гарантированных показателей качества услуг для каждого приоритетного класса мобильных абонентов.

Следует отметить, что всестороннее исследование и дальнейшее практическое применение технологии дифференциации и управления качеством услуг и тарифами приведет к существенному расширению рынка мобильной связи путем вовлечения максимального количества пользователей (от элитарных до массовых), поддержанию конкурентоспособности сетей 2G, увеличению суточного трафика нагрузки и полезного использования ресурсов сети.

Актуальность выбранной темы.

Понятно, что на сегодняшний день наибольшее число пользователей мобильной связи — это пользователи стандарта 2-го поколения GSM, и такая тенденция будет сохраняться еще ближайшие несколько лет, хотя постепенно внедряются сотовые сети промежуточного (2,5G) и третьего (3G) поколений.

Наметившийся переход к сетям следующего поколения может быть рет волюционным или эволюционным. Революционный переход подразумевает полную замену существующих сетей 2G на 3G и сопряжен с большими капитальными затратами и высоким коммерческим риском. Эволюционный переход означает «мягкое» приближение сетей 2-го поколения к сетям 3G за счет постепенного внедрения возможностей и услуг сетей сотовой связи следующего поколения на эксплуатируемых сетях. Одной из таких возможностей является управление качеством услуг, на чем основана разрабатываемая в диссертационной работе технология дифференциации и управления качеством услуг. Предлагаемая технология позволяет продолжить эксплуатацию сетей GSM и в то же время приблизить их возможности к возможностям сетей следующих поколений.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена социальной значимостью и теми тенденциями, что наблюдаются в области мобильной связи. Также, актуальность подчеркивается существующей достаточно узкой направленностью компаний-операторов сотовой связи на клиентов с определенным уровнем доходов, на экстенсивный захват новых рынков, территорий лишь путем дифференциации тарифных планов без учета предлагаемого качества услуг и обслуживания.

Цель диссертационной работы.

Развитие технологий улучшения качества обслуживаниярасширения абонентской базыповышения эффективности использования канальных ресурсов сетей мобильной связи, а также приближение мобильных сетей 2-го поколения к мультисервисным сетям мобильной связи 3-го поколения по качеству, управляемости и гарантированности предлагаемых голосовых услуг путем осуществления в мобильных сетях 2-го поколения дифференциации и динамического управления качеством услуг (QoS).

Задачи диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи:

1. Анализ текущего состояния проблемы качества услуг мобильной связи.

2. Обоснование и разработка показателей качества и дифференциации услуг мобильной связи для сетей 2-го поколения.

3. Исследование и разработка алгоритмов управления качеством услуг, основанных на приоритетном обслуживании пользователей сети мобильной связи.

4. Разработка математической модели сети мобильной связи с дифференциацией и управлением качества услуг.

5. Экспериментальная проверка разработанных алгоритмов управления качеством услуг на имитационной модели соты сети мобильной связи.

6. Исследование вопросов внедрения и апробации технологии дифференциации и управления качеством услуг на реальной сети мобильной связи 2-го поколения стандарта GSM.

Методы исследования.

В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученных с использованием элементов теории вероятностей, теории массового обслуживания, цепей Маркова, приоритетного обслуживания, планирования эксперимента, имитационного моделирования, методов математической статистики.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается обоснованностью и корректностью применения аппарата Марковских процессов, массового обслуживанияпостроения имитационной моделиудовлетворительным совпадением полученных при аналитическом моделировании результатов с результатами имитационного моделирования.

Научная новизна.

В процессе разработки темы диссертации были получены следующие новые научные результаты:

1. Предложены и обоснованы показатели дифференциации и управления качеством услуг мобильной связи для сетей 2-го поколения стандарта GSM.

2. Предложены и разработаны алгоритмы управления качеством услуг, основанные на приоритетном обслуживании пользователей сети мобильной связи:

— «Обслуживание с прерыванием», отличающийся введением дифференцированного остаточного времени до прерывания обслуживания;

— «Обслуживание с адаптацией», отличающийся введением дифференцированной динамической доли доступных каналов трафика в соте.

3. Предложена математическая модель сети мобильной связи с дифференциацией и управлением качеством услуг на основе цепей Маркова с вытеснением и дифференцированным остаточным временем до прерывания обслуживания.

4. Предложена и разработана имитационная модель соты сети мобильной связи с дифференциацией и управлением качеством услуг, позволившая экспериментально оценить эффективность разработанных алгоритмов управления качеством услуг сети мобильной связи.

5. Показано, что внедрение алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг на основе приоритетного обслуживания позволяет повысить среднесуточную нагрузку, создаваемую абонентами мобильной связи, а, следовательно, повысить уровень использования канальных ресурсов и доходы компаний-операторов.

6. Рассмотрены общие принципы построения и требования к сети мобильной связи GSM 2-го поколения при внедрении технологии дифференциации и управления качеством услуг.

Практическая ценность.

1. Разработаны алгоритмы дифференциации и управления качеством услуг.

2. Установлена и оценена техническая и экономическая эффективность внедрения технологии дифференциации и управления качеством услуг и тарифами на сети мобильной связи.

3. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для дальнейшего развития и внедрения технологии дифференциации и управления качеством услуг на сетях мобильной связи 2-го поколения стандарта GSM.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались, представлялись и обсуждались на:

• Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 2000, 2001, 2002 гг.);

• IEEE Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON'2003, г. Томск).

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс показателей качества и дифференциации услуг мобильной связи для сетей 2-го поколения.

2. Алгоритмы дифференциации и управления качеством услуг, основанные на приоритетном обслуживании пользователей сети мобильной связи.

3. Марковская модель сети мобильной связи с вытеснением и дифференцированным остаточным временем до прерывания обслуживания.

4. Инвариантное соотношение для регулирования и распределения ресурсов каналов трафика, обеспечивающее высокую эффективность полезного использования ресурсов канала и одновременно — гарантированные значения показателей качества.

5. Результаты исследования эффективности разработанных алгоритмов управления качеством услуг сети мобильной связи посредством имитационной модели.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, которые приведены в конце списка литературы.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Основной материал изложен на 105-и страницах, включает в себя 33-и рисунка, 8-мь таблиц и 4-е приложения.

Список литературы

содержит 82-а наименования.

3.1.7. Выводы.

1. При имитационном моделировании сети мобильной связи с различными алгоритмами дифференциации и управления качеством услуг удалось воспользоваться всеми преимуществами, которые предлагает имитационное моделирование. А именно: возможность экспериментировать с моделируемой системой, изменяя не только входные параметры и проверяя чувствительность системы, но и внутреннюю структуру смоделированных алгоритмов управления качеством услугвозможность многократного прогона имитационной модели для получения требуемой точности результатов.

2. Установлено, что наилучшие результаты по объему обслуженной нагрузки, доли отказанных вызовов и среднесуточного дохода показал алгоритм управления качеством услуг «Обслуживание с прерыванием» в связи с тем, что данный алгоритм позволяет принимать на обслуживание низкоприоритетные вызовы наравне с высокоприоритетными.

3. Установлено, что значение остаточного времени до прерывания обслуживания должно удовлетворять требуемым значениям вероятности блокировки и быть инвариантно поступающей нагрузке. Для проведенных экспериментов оптимально время в диапазоне 0.11 /ц. — 0.22/ ц для 2−4-го приоритетных классов.

4. Алгоритм «Обслуживание с резервированием» не удовлетворяет требуемым показателям качества и поэтому не рассматривается как перспективный для внедрения на реальной сети мобильной связи.

5. Установлено, что увеличение вероятности блокировки в радиоканале в ЧНН для 3-го и 4-го приоритетных классов позволяет увеличить обслуженный среднесуточный трафик и, следовательно, среднесуточный доход.

6. Моделирование показало, что алгоритм управления качеством услуг «Обслуживание с адаптацией» обладает способностью подстраиваться к входной приоритетной нагрузке и изменяющимся условиям на сети мобильной связи. При увеличении входной нагрузки доля отказанных вызовов от общего числа поступивших вызовов в процентах для алгоритма «Обслуживание с адаптацией» практически не меняется по сравнению с данными табл. 3.1. В то время как при обслуживании по алгоритму «Обслуживание с прерыванием» этот параметр в среднем увеличивается на 12,8%, при обслуживании по алгоритму «Обслуживание с резервированием» — на 48,1%.

Таким образом, при дисциплине «Обслуживание с адаптацией» система близка к стационарному состоянию, когда параметры качества услуг не меняются при изменении входной нагрузки, в то время как увеличение последней при внедрении других алгоритмов влечет за собой резкое ухудшение параметров качества услуг сети мобильной связи.

7. В качестве алгоритмов управления качеством услуг, которые могут быть рассмотрены, как алгоритмы для внедрения на реальной сети мобильной связи, автором рекомендуются алгоритмы «Обслуживание с прерыванием» и «Обслуживание с адаптацией», показавшие хорошие результаты и по объему обслуженной нагрузки, и по значению доли отказанных вызовов.

3.2. Сравнение результатов аналитического и имитационного моделирования алгоритма управления качеством услуг «Обслуживание с прерыванием».

Используем имитационную и математическую модели сети сотовой связи с дисциплиной обслуживания «Обслуживание с прерывание» и сравним результаты моделирований при следующих входных данных:

1. Время работы системы V в секундах, изменяется от 0 до 86 399, что соответствует суткам от 0:00 до 23:59:59.

2. Число каналов трафика в соте сети мобильной связи т=14.

3. Вероятность блокировки вызова в час наибольшей нагрузки (ЧНН) Pbj=0,l%, Pb2=l%, Pb3=3%, РЪ4=5%.

4. Суточная интенсивность поступления вызовов от абонентов 1−4-го приоритетных классов, рассчитанная исходя из кривых эластичностей спроса по схеме 3) (гл. 1, п. 1.3).

5. Время обслуживания вызовов различных приоритетов случайно и подчиняется показательному закону с параметром ji = 1 /г, где т = 90 с.

6. Остаточное время до прерывания обслуживания.

5.1 Tpi = Tp2 = Tp3 = Тр4 = 0;

5.2 Тр, = 0- Тр2 = Тр3 = Тр4 = 0.1/ju;

5.3 Тр, = 0- Тр2 = Тр3 = Тр4 = 0.2/ju;

5.4 Тр, = 0- Тр2 — Тр3 = Тр4 = 0.5//л.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На сегодняшний день при эксплуатации сетей GSM возникли определенные трудности, а именно: ограниченность частотного GSM-pecypca и «насыщение» сотовых сетей: когда темпы аппаратного развития сети не соответствуют темпам роста удельной нагрузки, создаваемой мобильными абонентами, сконцентрированными в разных частях многомиллионных мегаполисов. В таких условиях необходимо либо держать запас сетевой инфраструктуры по отношению к набираемой абонентской базе, либо искать пути перехода к дифференцированию и управлению качеством услуг мобильной связи. Проведенное в работе исследование текущего состояния проблемы качества услуг мобильной связи подтвердило, что существующие сети GSM 2-го поколения, в отличие от сетей 3G, не обеспечивают дифференциацию и управление качеством услуг, что снижает их конкурентоспособность и сокращает период эксплуатации.

В диссертационной работе для технологии дифференциации и управления качеством обслуживания были предложены и обоснованы показатели качеством услуг, которые позволяют дифференцировать пользователей сети мобильной связи и управлять уровнем предлагаемого абонентам качества услуг. Самым важным показателем дифференциации и управления качеством услуг считается вероятность блокировки вызовов — Рь.

Разработаны алгоритмы дифференциации и управления качеством услуг: «Обслуживание с прерыванием», «Обслуживание с резервированием» и «Обслуживание с адаптацией», основанные на введении приоритетного обслуживания пользователей сети мобильной связи и управлением показателями качества услуг: остаточное время до прерывания обслуживания — Тргдоля зарезервированных каналов в соте — Yrвероятность блокировки в радиоканале в час наибольшей нагрузки (ЧНН) — Pbr и динамическая доля доступных каналов в соте — Zr.

Предложена математическая модель сети мобильной связи с дифференциацией и управлением качеством услуг на основе цепей Маркова с вытеснением и дифференцированным остаточным временем до прерывания обслуживания, позволяющая рассчитывать основные характеристики качества обслуживания — вероятности отказа и прерывания вызовов для каждого из приоритетных классов в зависимости от остаточного времени до прерывания обслуживания.

Имитационным моделированием подтверждена эффективность разработанных алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг: показано, что введение дифференциации и управления качеством услуг и соответствующих качеству дифференцированных тарифов позволяет увеличить суточный трафик нагрузки и полезное использование ресурсов сети на 30%, а среднесуточные доходы компании-оператора — больше чем на 30% .

Основываясь на результатах имитационного моделирования, к внедрению на реальной сети мобильной связи рекомендуются алгоритмы дифференциации и управления качеством услуг: «Обслуживание с прерыванием» и «Обслуживание с адаптацией».

Также были исследованы вопросы внедрения и апробации концепции дифференциации и управления качеством услуг на реальной сети мобильной связи 2-го поколения стандарта GSM: показано, что внедрение принципов дифференциации и управления качеством услуг на реальной сети мобильной связи предполагает введение на сети GSM дополнительного Узла Приоритетного Обслуживания, который без необходимости модификации существующих GSM протоколов позволит реализовать алгоритмы дифференциации и управления качеством услуг и тарифами.

Таким образом, результаты диссертационной работы подтверждают целесообразность внедрения алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг на сети мобильной связи: развитие и внедрение технологии дифференциации и управления качеством услуг и тарифами на основе моделей приоритетного обслуживания является эффективным путем поддержания конкурентоспособности сетей GSM 2-го поколения по сравнению с мультисервисным сетями 3-го поколения.