CC BY
46
4 декабря 2011 г. 1:02
ТЕХНОЛОГИИ
Методика управления качеством информационного обмена в современных системах беспроводного широкополосного доступа специального назначения
Юпочевые€
Беспроводной широкополосный доступ, структура трафика, пропускная способность канала, самоподобный телетрафик.
В настоящее время технологии беспроводного доступа горсдасого масштаба, основанные на стандарте 1ЕЕЕ 802.16, нашли свое применение в системах связи специального назначения. Данный стандарт применяется для передачи большого количества трафика различного вида. Как осуществлять эффективное управление качеством информационного обмена в данных системах Ответ на эти вопросы раскрыт в настоящей статье.
Легкой К.Е.,
Научный сотрудник
Северо-Кавказского филиала МТУСИ, [email protected]
Проведенные эксперименты по анализу структуры трафика сетей беспровсдоого широкополосного доступа [ 1 ] выявили, что иссле-дуемьй трафик имеет отчетливую структуру УВ!? (уапоЫе Ьй г а»е) типа, то есть интенсивность передав информа^и значительно изменяется во времени, в результате чего трафик имеет высокую па челюсть. Как следствие, статическое задание пропускной способности канала (методы типа шейпинга и полисинга), применяемое в современной аппаратуре специального назначения, приводит к большим потерям информации и низкой утилизами канала. Первое обстоятельство ухудшоет характериспеси качества обслуживания, а второе сказывается на неэффективности использования ресурсов
нала с потенциально достижимой пропускной способностью Q, организовано два логических (актуальных) канала VC (virtual channels) со статически заданными пропускными способностями С. и с2 соответственно, гричем С^- = С, + (^(см. рис. 1). В первом из них передается информация реалыюго времени, чувствительная к задержкам и потерям (/утя системы видеоконференцсвязи, например), а во втором — второстепенная информация (данные www, ftp и другая информац ия, не чувствительная к задержкам и потерям).
шшш
Решетем данной проблемы является использование метода динамического управления пропускной способностью канала, основанного на прогнозировании самоподобного сетевого трафика, который не является новым, в настоящее время существует некоторое количество работ, касающихся проблемы прогнозирования самоподобного телетрафика (2,3,4). Однако до настоящего времени практически не проводились исследования, посвященные изучению возможностей адагтвного распределения пропускной способности на основе прогнозирования применительно к самоподобному телетрафику бесгухэвсдоых широкополосных сетей доступа специального назначения.
В качестве возможного варианта применения схемы с пропюз^хэванием рассмотрим простой частный пример: для физического ка-
Рис. 1. Стапмеское распределение пропускной способности физического канала между двум* логичеоси**»
Возникает задача наиболее эффективного способа разделения общей пропускной способности Су_ физического канала между двумя логическими. Поскольку в первом виртуальном канапе передается критичная к потерям информация, необходимо увеличивать пропускную способность С, этого канала Однако при этом уменьшается его утилизам и доступная гро-пускная способность для второго канала, поскольку^- -С. В результате ресурсы физического канала расходуются неэффективно. Более того, чем вьаие пачечность трафика в первом канале, тем ниже эффективность системы
В этом случае может схема с прогнозно ванием позволяет решить эту задачу. В этом случае с помоиью предсказателя система заранее получает информац ию о требованиях к пропускной способности канала с приоритетной информацией (первого канала) в некоторый момент времени I в бгижсмием будущем.
2 Динамическое распределение пропускной способности физического канала между дву»-* логическими
Поэтому к наступлению момента времени I система выделяет для первого канала требуе-мьм ресурс пропускной способности С., распределив при этом второму каналу всю оставшуюся доступную пропускную способность С2я С^-С. Как можно видеть из рис 2 метод динамического управления пропускной способностью в данном примере увеличивает утилизацию в первом канале и предоставляет бо/ъше ресурсов для второго канала.
Идея предлагаемого метода динамического управления состоит в модификации рассмотренных выше методов управления трофтом (полисинга и шейпима), служащих для реали-эскии функций о6еслече»1я качества информационного обмена с помощью введения дополнительного модуля, прогнозирующего на некоторое время вперед необходомое значение В( в соответств^ с изменением интенсивности поступающих пакетов. При этом пропускная способность системы подстраивается под профиль трафика, уменьшая при этом потери и увелич»«ая использование выделенных ресурсов, а не трафик выравнивается под заданный наперед профиль
Приник! работы метода динамического управления пропускной способностью с прогнозированием, основанный на механизме "корзина маркеров*, изображен на рис 3.
Сот поено данной схемы входящий поток пакетов адновреме»ею с поступлением в систему попадает на схему агрегирования по вре-
T-Comm #3-2010
35
ТЕХНОЛОГИИ
Ввод ИД
В:/х <п) - Ат 'п -1)
X 'П ♦ 1)
С -1)
оценка пропускной способности
потерянные
пакеты
установка - най - яперед
В = С 'Я ♦ 1) Г
Алгоритм корзины маркеров в режиме шейпинга
Конец
Вс. 3. Принцип роботы метода д^амического управлении пропускной способностью с грогноэи-рованием
менным интервалам Д. После чего л последеих отсчетов палучюшегося временного рада поступают на предсказатель, который выдает прогносту«ескую оценку следующего отсчета х(л 1) агрегированного ряда х на время Д вперед Исходя ю требований к величие возможных потерь, оцрнивоется пропускная способность системы С|п+ 1). При этом, как показано на рис 3, с помощью обратной связи может учитываться статистика потерянных пакетов. В результате размер буфера маркеров ус-I В(-=С|гт+1) на время Д вперед
Таким образом, значение Вс (а вместе с ним и С/К) будет меняться каждый интервал \, отслеживая динамику изменения интенсивности трафика. Г^эи той же ссмюй (в среднем) пропускной способности системы, в режиме д ина мичесхого улравпе»*1я пропускной способностью с прогнозированием удается достиг луч-аих показателей потерь и использования чем в случое реализации классического полисинга.
Аналогичным образом, с помощью введе-мя прогнозирующего модуля можно модкфи-1*ровать метод шейпуига. При этом отброс пакетов из-за несовершенства предсказателя будет сьижен за счет увеличения задержек. Схема фумсцион>фоеания такого метода фактически будет соответствовать приведенной на рис. 3, в которую дополмлельно введен буфер для поступаюицх в систему пакетов.
Эксперимент по исследовсиию возможностей /метода динамического управления пропускной способностью канала проведем с помо-ц**о следующего алгоритма (рис. 4):
— в исходном д искретном временном ряде соответствующем трафику выделим участок Т фиксированной дгины 17;
— изучая характеристики ряда на данном тре**1рово,*юм участке (оценивая параметры прогностической модели), формируем прогноз С(») (на один шаг вперед) ко значения ряда х(1с), следующего за концом участка;
— фиссируем получившуюся абсолютную ошибку прогноза е{!\;
— сдвигаем учосток 7 длины 17 на один шаг вперед считая, что к наступившему моменту времени нам уже стало известно действите/ъ-ное значение только, что слрогнозфоеаююго отсчета/;
— осуществляем фогноз следующего значения и тд
Для того чтобы оценить вьмгрыш от испогъ-эоеания динамического распределения пропускной способности по сравнению со статическим способом, а также для выбора наиболее подходящего способа прогнозировав рас-
смотрюд оденки улучшения качества обслужи-
4 Эксперимент по прогнозированию трофика
(II
!>;,(■)- О,-^) (2)
(, )=ЛАУС,' {/)- ЛА (,)
(3)
которые фактически предгтовляот собой разности между соответствую и*ули оценками для статического метода распределения и выбранного динамического метода изменения пропускной способности. При этом, чем вьаш значения оценок (1 -3), тем выше значение вьигрыша в качестве обслуживс**1Я для выбранного метода динамического распределения по отношению к методу статического задания пропускной способности.
Заметим, что вьигрыши в коэффициентах недооценки (1) и переоценки (2) для рассматриваемых методов прогнозирования фактически совпадают, поэтому далее будем изучать лишь одно из соотношежй (1). Все оценки вьк игрына больше нуля |6, 7], что означает преимущества алгоритмов д^ео^ческсго распределения полосы по сравнению со статическим способом. Обратим внимание на тот факт, что при увеличена Ы выигрыш в использовании д июмического способа уменьшается и стремиться к нулю.
С точки зрения улучшения КОЭффи1#1еНТОв О и О- лучшие характеристики получаются при прогнозировании с помощью простого предсказателя, так при статумеском способе зодсп*1Я полосы в точке Ы_погт = 1 коэффициент недооценки 0^ ~ 0,2433. Эго означает потерю 24,33% всей информации, переносимой трафисам х(/с). В то же время с помощью простого предсказателя (рис. 6) (при том же самом среднем значении полосы пропускания С, то есть при Ы_псхт = 1) потери недооценки удается уменьшить до 6,4% (0*псл<, = 0,064).
Таким образом, вьмгрыш в О*- и О- при использовании простого предсказателя (в точсе Ы_г>огт = 1) составил -18% от всего объема информации (см. рис. 6). В то же время выигрыш в показателе $N1^ для простого гредска-эателя соответствует - 54%.
Оценим некоторые количественные показатели для конкретного случая. Как правило, для обеспечения удовлетворительного функционирования системы видеоконференцсвязи, например, считается, что величина потерь не должна превышать 1-2% от всего обьема транслируемой информации. По графику на
36
Т-Сотт #3-2010
ТЕХНОЛОГИИ
на и распределение трофжа в сети, состав и топология сети, технические отказы и тл.) условиях функционирования, зода^ оптимизации характеристик и режимов работы отдельных элементов и системы в 1^лом должны решаться совместно на всех уровнях ЭМВОС исходя из едокхо критерия.
Таким критерием может быть максимизация пропускной способности системы гри заданных ограничениях на другие показатели эффективности. В качестве такою критерия может использоваться и обеспечение требуемого качества обслуживания приоритетных пользователей при максимизацкв* количества обслуживаемых неприоритетных абонентов и др. Впрочем, выбор критерия также может динамически изменяться в зависимости от цели и сложившихся на данный момент условий функционирования системы. А система должна распределять "усилия' по адаптации на всех уровнях для достижения требуемой цели
Следовательно, усовершенствованный метод динамического управления пропускной способностью с применением простого тред-сказателя при заданных ограничениях на другие показатели качества информационного обмена и порядок его работы в системах беспроводного широкополосного доступа специального назначения могут рассматриваться как основные состаеляоице методики управления качеством *«формационного обмена, которую можно представить в виде следующей последовательности действий
1. Оценка качества информационного обмена в системах беспроводного доступа военного назначения как интегрального показателя для всех видов предоставляемого обмена
п — число показателей КИО.
2. Огределение эффективности системы беспроеодоого доступа специального назначв-
(6)
о
где А — коэффициент, число значений которого определяется‘♦слом урсвней КИО лг ія т* 1;
К — весовой коэффициент, определяющий зна'имостъ показателей КИО.
показатель, характеризуй ПИЙ возможность системы беспроводного доступа военного назначения обеспечить требуемое качество информационного обмена для всех должностных лиц системы;
О — расчетное значение КИО полученное по приведенной рсмее метод ике;
— требуемое значение КИО в системе.
3. При W < 1 повышение качества информационного обмена в системе беспроводного доступа специального назначения с6еспеч*«о-ется путем повышения пропускной способности с примднеьчом метода дтамическаго управления с применением прогнозироеожя при заданных ограничениях на другие показатели эффективности
4. При недостаточюй эффективности применяемых методов, а также для дальнейшего повышения качества информационного обмена применяются pcwee разработанные алгоритмы рационального распределения выделенного для системы частотного ресурса беспроводных сетей (изменение сигнал|ио-кодовых конструкций), в зависимости от цели и сложившихся на данный момент условий функционирования сетк
— для неприоритетного обслуживания;
— согласно приоритета пользователей;
— формирование под каналов одинаковой impwbi частотного спектра, либо обеспечение одинаковой скорости передачи в подканалах.
Таким образом, в настоящей статье проведен анализ современных методов и методик, применяемых для обеспечения качества информационного обмена, показана их неэффективность для применения в сетях беспроводного доступа специального назначения. Пред-
ложена метрдека управления качеством информационного обмена, которая ввиду относительной простоты и при достаточной степени корректности может применяться в системах беспроводного широкополосного доступа специального назначения
Литература
1 Латкой ICE, Кислжов МА Эксперимент по сбору трафика в сети беспроводного широкополосного доступа стандарта IEEE 802.16е-// Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009 — С 49-55
2. GhodaH М. On the Relevance of Setf-Similarily in Ne+woHc Traffic ftetfcfan, 2003. ht£>://wwwawo-ter)oo.ca/cA-archive/CS-2003/28/TR-CS-2003-28.pdf.
3. Traffic Modeling Based on FARIMA Models. Xuc F„ Liu J, Shu Y, Zhang L, Ya>g O.WW // CCECE99 Proceed. — May 1999. — R 162-167
4. Chen B, Peng S., Wang K. Traffic Modeling, Predkfcr, and Congesfon Control for High-Speed Networks A Fuzzy AR Approach // IEEE Trans. On Fuzzy Systems Vol. 8. — 2000. — N*5.
5 O*wolu G, Sanlcar R., Ranganaiwn N. Adap*ve VBR Video Traffic Management for Higher UAztfion cf ATM Networks// ACM SIGCOMM, Vol-28, Issue 3. - July 1998. - R 27-40.
6 Легкое ICE, Данченко AA Анализ существу-•сицих алгоритмов распределения частотного ресурса беспроводных сетей специального назначения //Сборник трудов ОСФ МТУСИ — 2009 Ростов-на-Дону. СКФ МТУСИ, 2009. - С 50-52.
7 Демченко АА,Лвпсов1СЕ Анализ эффектув-ности применения алгоритмов динамического управления пропускной способностью канала сети беспроводного широкополосного доступа//Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009, Ростов-на-Дриу СКФ МТУСИ, 2009 - С 69-72.
8 Легкое ICE, Дэнч®«о М А Требовав к показателям качества информационного обмена в сетях беспроводного широкополосного доступа// Сборник трудов СКФ МТУСИ — 2009. Ростов+ю-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. - С 59-64.
38
T-Comm #3-2010
