TBS / 332_53_УП_Технологии беспроводных сетей

что приведёт к неограниченному возрастанию длины очереди заявок перед устройствами.

На основе последнего выражения могут быть найдены:

∙ количество устройств N при заданном быстродействии V одного устройства:

Выражение (3.8) можно рассматривать как ограничение, налагаемое на количество устройств с известным быстродействием, обеспечивающее существование установившегося режима в системе. Величина,

определяемая как ближайшее большее целое по отношению к λθ ,

V

представляет собой минимальное количество устройств, необходимое для того, чтобы система справлялась с заданной нагрузкой. Если количество устройств будет меньше минимального значения, то в системе возникнут перегрузки, что приведёт к неограниченному возрастанию длины очереди заявок перед устройствами.

Если количество устройств N задано, то при известной нагрузке (интенсивности поступления пакетов в систему λ и ресурсоемкости обработки или передачи θ ) системы может быть рассчитано минимальное значение быстродействия одного устройства по формуле (3.9).

3.4.5.Модели систем с неоднородной нагрузкой

Втех случаях, когда в процессе построения модели беспроводной сети не удается неоднородный трафик свести к однородному, в качестве модели используется СМО с неоднородным потоком пакетов. Невозможность сведения к однородному потоку пакетов может быть обусловлена разными причинами, в частности, наличием разных требований к обработке и передаче пакетов разных классов, наличием приоритетов между ними, необходимостью дифференцирования характеристик пакетов разных классов (мультимедийных и компьютерных данных), особенно в случае существенного различия длительностей их обработки в системе.

3.4.6.Сетевые модели беспроводных сетей

Вкачестве моделей беспроводных сетей с множеством взаимосвязанных устройств, обрабатывающих проходящие через них пакеты, используются сетевые модели в виде разомкнутых (РСеМО) и замкнутых (ЗСеМО) сетей массового обслуживания. Вид сетевой модели зависит от характера источника пакетов, поступающих в исследуемую систему, и числа циркулирующих в системе пакетов.

101

В том случае, когда пакеты на обработку поступают независимо от состояния системы, т.е. от количества пакетов уже находящихся в системе, обычно используются разомкнутые сетевые модели. Замкнутые сетевые модели используются при наличии в исследуемой системе зависимого источника пакетов, например при построении моделей систем, в которых новый пакет посылается в систему только после того, как передан предыдущий пакет.

Методы проектирования с использованием сетевых моделей базируются на аналитических методах расчета линейных однородных разомкнутых и замкнутых сетей и на имитационном моделировании в случае более сложных моделей.

3.5. Цели и задачи имитационного моделирования беспроводного сегмента транспортной сети

Целью имитационного моделирования является исследование вероятностно-временных характеристик (ВВХ) и оценка показателей качества обслуживания в беспроводном транспортном сегменте корпоративной сети, позволяющих выполнить анализ свойств и выявить закономерности, присущие процессам, протекающим в сети.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

∙выполнить анализ протоколов передачи данных, используемых в беспроводном транспортном сегменте, и выявить наиболее существенные факторы, влияющие на эффективность функционирования сети, которые должны быть учтены в имитационной модели;

∙определить состав и перечень исходных данных, необходимых для построения имитационной модели транспортного сегмента корпоративной сети;

∙сформулировать допущения и предположения, принимаемые при построении имитационной модели беспроводного транспортного сегмента корпоративной сети;

∙разработать концептуальную модель транспортного сегмента корпоративной сети, представляющую собой описание наиболее существенных особенностей структурно-функциональной организации исследуемой системы;

∙разработать имитационную модель и выполнить её отладку и верификацию с целью проверки её адекватности исследуемой системе;

∙выполнить имитационные эксперименты и рассчитать исследуемые характеристики транспортного сегмента корпоративной сети связи для различных вариантов её структурной организации и различных предположениях о характере и величине нагрузки в сети;

∙выполнить анализ результатов имитационного моделирования и сформулировать основные свойства, выявленные в процессе моделирования транспортного сегмента корпоративной сети.

102

Имитационное моделирование проводится в среде GPSS Word, являющейся в настоящее время доступным и наиболее апробированным инструментом моделирования сложных систем с дискретным характером функционирования, в которых протекают случайные процессы, описываемые в терминах математического аппарата теории вероятностей и теории массового обслуживания.

При разработке имитационной модели транспортного сегмента корпоративной сети применен метод декомпозиции, т.е. разбиение задачи моделирования сегмента сети на множество подзадач меньшей сложности и размерности, что применительно к объекту исследования означает раздельное моделирование иерархических подуровней (рис. 3.3). Имитационная модель транспортного сегмента состоит из следующих компонентов:

∙модель мобильной станции;

∙модель базовой станции;

∙модель граничного узла.

3.5.1.Исходные данные для имитационного моделирования транспортного сегмента корпоративной сети

Целью моделирования является исследование возможностей сетей мобильной связи WiMax для доставки информации Triple Play и возможности использования ресурсов данных сетей для построения сегментов корпоративной сети.

При построении концептуальной модели и проведении имитационного моделирования приняты следующие предположения и допущения.

1 Транспортный сегмент корпоративной сети связи основывается на применении технологии Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005).

2.Устройства сбора аудиовизуальной информации и данных (далее по тексту - Устройства) подключаются к мобильным станциям с использованием интерфейса 10/100 Ethernet Base-T или USB 2.0.

3.Устройства взаимодействуют с центром обработки данных. Непосредственное взаимодействие между Устройствами отсутствует.

4.Устройство обеспечивает кодирование и сжатие аудио потока с использованием алгоритма AAC (Advanced Audio Coding).

5.Устройство обеспечивает кодирование и сжатие видео потока с использованием алгоритма MPEG-4/H.264 Part 10.

6.Устройство не производит действий с трафиком данных реального времени, за исключением инкапсуляции в пакеты TCP.

7.Устройства обеспечивают передачу трех различных типов трафика

сиспользованием стека протоколов, представленного на рис. 3.1, в направлении мобильной станции.

103

Рис. 3.1. Стек протоколов при передаче трафика, формируемого Устройствами, при взаимодействии с мобильной станцией

8.Для обслуживания трафика, формируемого Устройствами, в сети Mobile WiMAX используются два класса. Соответствие типа передаваемого трафика и используемого его класса обслуживания в сети Mobile WiMAX представлено ниже:

∙для передачи данных реального времени – UGSкласс;

∙для передачи потокового аудио- и видео – rtPSкласс.

9.Каждая мобильная станция формирует несколько соединений, имеющих уникальные идентификаторы (CID) с ассоциированными идентификаторами служебных потоков (SFID), определяющих классы качества, при передаче потоков трафика (PDU), поступающего от устройств (рис. 3.2).

10.Требования к показателям сетевого качества обслуживания при передаче трафика представлены в Таблица 3.1.

Рис. 3.2. Соединения мобильной станции при передаче трафика Устройств

104

корпоративной сети постоянны и имеют минимальные значения временных характеристик – задержка, вариация задержки.

Процесс сжатия заголовков (PHS) позволяет улучшить временные характеристики передачи, однако из-за существенной сложности его реализации и незначительного влияния на конечный результат моделирования, в модели этот процесс не отображается.

При управлении rtPS-потоками всегда посылаются запросы пропускной способности (BW_REQ) агрегированного типа. В стандарте IEEE 802.16e-2005 предполагается, что запросы могут быть также инкрементного типа, однако исключение их из рассмотрения мало влияет на процесс передачи данных.

При моделировании мобильных станций используется общая буферная память для пакетов всех типов. Разным типам пакетов сопоставляются разные приоритеты. Используется дисциплина обслуживания с относительными приоритетами.

Кадры физического уровня на всех базовых станциях генерируются синхронно. Эта ситуация практически невозможна в реальной сети, однако ее допущение никак не сказывается на характеристиках передачи данных.

Потоки одинаковых типов, идущие из разных устройств, считаются идентичными. Если некоторое устройство передает один управляющий поток (данные), один аудиопоток и один видеопоток, то и все остальные устройства могут передавать только три потока таких же типов.

Время распространения радиосигнала не учитывается, т.к. в рассматриваемых условиях является существенно более малым, чем задержка передачи в узле.

Мобильные станции, подключенные к некоторой общей базовой станции, имеют одинаковую скорость подключения к этой базовой станции. Однако мобильные станции, подключенные к другой базовой станции, могут иметь другую скорость подключения. В модели каждая из мобильных станций может взаимодействовать только с одной базовой станцией.

Накладные расходы при передаче данных между мобильной станцией и граничным узлом не учитываются, т.к. данный сегмент сети не является узким местом и почти не вносит вклад в общие временные задержки. По той же причине не учитываются накладные расходы при передаче данных между граничным узлом и корпоративной пакетной сетью связи.

Поток управляющих UGS-данных, идущих в направлении DL, не моделируется, т.к. он, во-первых, не оказывает никакого влияния на остальные потоки (идущие в направлении UL) и, во-вторых, временные характеристики его пакетов будут заведомо лучше, чем у потока управляющих UGS-данных, идущих в направлении UL.

Предполагается, что отсутствуют сбои в работе сети (не моделируется процесс повторной передачи потерянных данных).

106

3.5.3. Концептуальная модель транспортного сегмента корпоративной сети связи

В качестве основы для проведения имитационного моделирования транспортного сегмента корпоративной сети связи на базе технологии Mobile WiMAX используется структурная модель сегмента сети доступа с учетом функциональной архитектуры, определенной в спецификациях

WiMAX Forum (рис. 3.3).

Имитационная модель включает в себя узлы, выделенные зеленым цветом.

3.6. Описание имитационной модели

3.6.1. Модель мобильной станции

Рассмотрим схему работы мобильной станции в имитационной модели (рис. 3.4). Сплошными прямоугольниками задается перечень действий соответствующего этапа обработки пакетов. Пунктирными прямоугольниками задаются счетчики, используемые моделью (но не обязательно используемые в реальных реализациях WiMax-сетей).

Считывание счетчика указано исходящей пунктирной стрелкой, модификация значения счетчика показана входящей пунктирной стрелкой. Сплошные стрелки обозначают продвижение блоков данных (пакетов, кадров) от одного этапа обработки к другому. Подписи этих стрелок указывают, какой тип имеют эти блоки данных. От устройства поступает три типа пакетов:

∙управляющие пакеты (пакеты данных), которым необходим класс качества UGS;

∙аудиопакеты (АП) – класс качества RTPS;

∙видеопакеты (ВП) – класс качества RTPS.

При поступлении пакета от базовой станции, прежде всего, проверяется, умещается ли он в буферную память (БП). Если не умещается, то отброшенный пакет (ОП) инициируют сбор статистики потерь и далее в работе модели не участвуют. При этом если суммарная заполненность буфера (СЗБ) больше размера буфера (РБ), то будет отброшен любой пришедший пакет. Если заполненность буфера мультимедийными пакетами (ЗБМП), т.е пакетами аудиоили видеопотоков, больше некоторой заданной величины (ЗВ), то будет отброшен только вновь пришедший мультимедийный пакет. Если задать ЗВ < РБ, то появляется возможность защитить управляющие потоки от потерь при высокой нагрузке. При высокой нагрузке потери будут происходить по вине видеопотока, поэтому при ЗВ < РБ видеопакеты будут отбрасываться еще до полного заполнения буфера, а остальным пакетам будет предоставлена оставшаяся часть буферной памяти в их распоряжение. На рис. 3.4 опущено представление процесса модификации этих трех счетчиков. Предполагается, что они изменяют свои значения при поступлении новых пакетов в БП и при удалении старых пакетов из БП.

107

Выпустить из БП число пакетов, КФУ ФП укладывающихся в разрешенную квоту

физического уровня

Рис. 3.4. Модель мобильной станции

Если управляющие пакеты (УП) сразу попадают в буфер ожидания передачи, то каждый мультимедийный пакет (МП) предварительно инициирует создание специального пакета-запроса (ЗПРС) для получения нужной пропускной способности. В единственное управляющее поле этого пакета записывается значение счетчика ЗБМП. Это значит, что данный запрос является агрегированным и не различает АП и ВП (так оба типа

109

пакетов обслуживаются по классу RTPS). ЗПРС не передается сразу, а ожидает вместе со всеми другими пакетами появления квоты на передачу.

При появлении разрешения на передачу из БП выпускается ровно столько пакетов, сколько умещается в выданную частную квоту на передачу (значение счетчика квоты при этом уменьшается). Последний из этих пакетов может умещаться в квоту лишь при его разбиении на два пакета. При этом, не уместившаяся часть, обозначенная на рис. 3.4 как фрагмент пакета (ФП), попадает обратно в БП. Приоритет ФП должен быть выше приоритета других МП и УП, т.к. он должен быть передан их, чтобы не увеличивать время ожидания.

3.6.2. Модель базовой станции

На рис. 3.5 представлена модель базовой станции. Обозначения стрелок и прямоугольников имеют тот же смысл, что на рис. 3.4.

Обработка запроса – это увеличение соответствующего счетчика общих квот на величину, указанную в его управляющем поле ЗПРС. Счетчик общих квот (СОК) задает число байт, разрешенных для передачи каждой из МС в данный момент времени. Указанное число байт должно быть передано в ближайших КФУ, чтобы выполнялись требования по обеспечению QoS. При этом счетчик частных квот (СЧК) указывает, сколько байт может быть передано каждой из r МС в текущем КФУ.

Таким образом, счетчики частных квот всегда меньше либо равны счетчика общих квот. СОК МП модифицируется как при поступлении ЗПРС, так и при поступлении управляющих запросов первого типа (УТ1), которые поступают с периодичностью, примерно совпадающую с периодом поступления МП.

При поступлении УТ1 СОК МП увеличиваются на число байт, равное размеру ЗПРС. Цель этого – периодически разрешать МС передавать ЗПРС.

СОК УП увеличивается только при поступлении УТ2, периодичность поступления которых примерно совпадает с периодом поступления УП.

При появлении УТ2 соответствующий счетчик увеличивается на такое число байт, чтобы скорость такого увеличения совпадала со скоростью поступления УП.

110