Методы оценки структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения в сетях подвижной связи 3G

Актуальность проблемы и состояние вопроса. Настоящий этап развития телекоммуникаций характеризуется интенсивной разработкой и внедрением в эксплуатацию систем подвижной связи третьего поколения (3G — Third Generation), которые смогут обеспечить своих пользователей более широким спектром дополнительных услуг по сравнению с сетями предыдущих поколений [4]. Начало разработки спецификаций на системы подвижной связи 3G было положено еще в 80-х годах, когда в рамках Международного союза электросвязи (ITUInternational Telecommunication Union) был сформулирован проект «Перспективной сухопутной мобильной телекоммуникационной системы общего пользования» (FPLMTS — Future Public Land Mobile Telephone System). Спустя десять лет в результате сотрудничества ITU с ведущими мировыми институтами по стандартизации были одобрены технические спецификации для систем подвижной связи 3G как IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Принятые ITU решения определили ряд фундаментальных подходов к реализации проекта IMT-2000. Первая в мире сеть подвижной связи 3G, соответствующая спецификациям IMT-2000, была запущена в коммерческую эксплуатацию в Южной Корее в октябре 2000 года. Дальнейшее развертывание сетей подвижной связи третьего поколения продолжилось в США, Японии и других странах мира. На начало марта 2003 во всем мире в коммерческой эксплуатации находилось уже более 40 сетей подвижной связи 3G, число абонентов которых, превысило 45 миллионов [79,80,81].

Основной задачей подвижных сетей связи третьего поколения, как и любых других телекоммуникационных сетей, является обслуживание абонентов с заданными критериями качества. В соответствии с рекомендациями сектора стандартизации в области телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T — International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector), Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSIEuropean Telecommunication Standars Institute) и партнерского объединения 3GPP (Third Generation Partnership Project) в сетях подвижной связи 3G, для обеспечения возможности своим абонентам пользоваться услугами «домашней» сети находясь за ее пределами — в «визитной» сети, вводится концепция виртуального домашнего окружения (VHE — Virtual Home Environment) [11,49]. Вышеуказанные рекомендации предусматривают множество вариантов структурно-функционального построения концепции VHE.

Поскольку существуют различные варианты структурно-функционального построения концепции VHE, то на этапе ее проектирования и развития возникает задача выбора того или иного варианта — сценария реализации концепции виртуального домашнего окружения. Для решения поставленной задачи необходимо обладать инструментом, позволяющим оценивать варианты структурно-функционального построения концепции VHE.

О важности этой задачи говорит и внимание, уделяемое ей разработчиками оборудования, проектировщиками и операторами подвижной связи, на страницах как отечественных, так и зарубежных печатных и электронных изданий. Но в большинстве публикаций, посвященных данной тематике, чаще приводятся только сами сценарии реализации концепции виртуального домашнего окружения и не делается их анализ [11,13,14,49,50]. В некоторых работах, варианты структурно-функционального построения концепции VHE оцениваются по объему передаваемой сигнальной информации [45]. При этом не уделяется внимание оценке влияния выбора того или иного сценария на качество реализации услуг, а значит и на степень удовлетворения этими услугами конечным пользователем.

Большое число возможных сценариев реализации концепции VHE, их сложность и сложность их аналитического описания, а также необходимость формализации вычислительных процедур требуют разработки методов оценки вариантов структурно-функционального построения концепции VHE.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка методов оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения в подвижных сетях связи третьего поколения, которые позволяют определить рациональный вариант структурного и функционального построения концепции VHE по критерию качества реализации услуг и заданных исходных данных. Основными задачами при этом являются: разработка модели структурно-функционального построения концепции VHEразработка методов оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружениярасчет параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE.

Научная новизна работы заключается в постановке задачи и новизне предмета исследования. При этом новыми результатами являются: модель структурно-функционального построения концепции VHE, отражающая взаимосвязь компонент подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации этой концепции, и различные варианты распределения функций процесса реализации услугкритерий оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окруженияметод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE, который позволяет определить интенсивность потока заявок на каждую компонентуматематическая модель реализации услуг в рамках концепции VHEметод оценки времени, затрачиваемого на передачу заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, которые участвуют в реализации концепции VHEметод оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окружения подвижных сетей связи третьего поколения.

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории массового обслуживания, теории телетрафика, теории графов, а также работы В. И. Данилова, Н. С. Чагаева и некоторых других авторов, посвященные исследованию вопросов оценки качества обслуживания вызовов в стационарной телефонной сети. Экспериментальные исследования производились на основе метода имитационного моделирования на ЭВМ. Практическая ценность работы заключается в следующем: разработанные аналитические методы оценки сценариев реализации концепции VHE доведены до форм, пригодных для практического использованияполученные вероятностно-временные характеристики сценариев реализации концепции VHE могут быть использованы при реальном проектировании сетей подвижной связи 3Gразработанные имитационные модели дают возможность, наряду с аналитическими методами, производить оценку сценариев реализации концепции VHE.

Вклад автора в решение проблемы. Основные научные положения, теоретические и практические исследования, выводы и рекомендации получены автором самостоятельно. К ним относятся: метод оценки сценариев реализации концепции VHEмодель структурного и функционального построения концепции VHEкритерий оценки сценариев реализации концепции виртуального домашнего окруженияметод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHEматематическая модель реализации услуг в рамках концепции VHEметод оценки времени, затрачиваемого на передачу заявок между компонентами подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHEимитационные модели исследования вариантов структурного и функционального построения концепции VHE в сетях подвижной связи 3G.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (2002, 2003 гг.), международных телекоммуникационных симпозиумах «Белые ночи в Санкт-Петербурге» (2002, 2003 гг.). Имеются акты использования результатов диссертационной работы.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в материалах научно-технических конференций, международных симпозиумов, форумов и журналов — всего 12 работ.

К защите представлены следующие тезисы: задержка времени реализации услуги зависит от выбранного варианта структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окруженияпри оценке качества реализации услуг необходимо учитывать структуру сетей, участвующих в реализации концепции VHE, распределение функций процесса реализации услуг между компонентами этих сетей, интенсивность потока заявок на каждую услугу, интенсивность потока заявок на каждую компоненту, дисциплину обслуживания заявокреализация разработанных методов, для которых получены аналитические выражения и составлены имитационные модели, позволяет выбирать сценарий реализации концепции VHE по заданному критериюпри оценке конкретного варианта структурно-функционального построения концепции VHE возможно использование аналитических методов, метода имитационного моделирования, а также их сочетания.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и одного приложения. Работа содержит 164 страницы текста, включая 37 рисунков, 10 таблиц и библиографический список из 92 наименований.

Выводы.

1. На основании проведенного анализа функционирования сетей подвижной связи 3G разработана имитационная модель оценки времени реализации услуг в рамках концепции VHE.

2. Разработанная имитационная модель позволяет оценивать различные варианты структурно-функционального построения концепции VHE по критерию качества реализации услуг.

3. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов показывает, что при оценке вариантов структурно-функционального построения концепции VHE возможно использование аналитических методов, метода имитационного моделирования, а также их сочетания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании теоретических и экспериментальных исследований в работе:

1. Произведен анализ структурно-функционального построения сетей подвижной связи 3G.

2. Разработана модель структурно-функционального построения концепции VHE в виде древовидного графа, которая позволяет исследовать концепцию VHE с учетом подчиненности и взаимосвязи подсистем и компонент подвижных сетей 3G, участвующих в ее реализации.

3. Определен критерий оценки вариантов структурно-функционального построения концепции виртуального домашнего окружения — качество реализациии услуг.

4. Разработан метод расчета параметров нагрузки подвижных сетей связи третьего поколения, участвующих в реализации концепции VHE, позволяющий определить интенсивность потока заявок на каждую компоненту.

5. Разработана математическая модель реализации услуг в рамках концепции VHE.

6. Получены выражения для функции распределения времени реализации услуги и его среднего значения, что позволяет производить выбор варианта структурно-функционального построения концепции VHE, обеспечивающего заданное качество реализации услуг.

7. Получены выражения для оценки среднего времени, затрачиваемого на доставку заявок между компонентами подвижных сетей связи 3G, участвующих в реализации концепции VHE.

8. На основании полученных результатов может быть сделан выбор в пользу того сценария реализации концепции VHE, который бы при прочих равных условиях удовлетворял нормам ITU-T и обеспечивал наименьшую задержку времени реализации услуг. В случае, если необходимо привести какой-либо из исследуемых сценариев реализации концепции VHE в соответствие с этими нормами, полученные результаты также позволят выработать рекомендации по изменению соответствующих характеристик компонент таким образом, чтобы заданное качество реализации услуг было достигнуто. 9. Разработаны и реализованы на ЭВМ имитационные модели реализации услуг в рамках концепции виртуального домашнего окружения, позволяющие наряду с аналитическими методами выбирать сценарий реализации концепции VHE по критерию качества реализации услуг.