ВВЕДЕНИЕ
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 каче- ством 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 революционным 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 поколе- ний.
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 обслуживания; расширения абонентской базы; повышения эффективности использования канальных ресур- сов сетей мобильной связи, а также приближение мобильных сетей 2-го поколения к мультисервисным сетям мобильной связи 3-го поколения по качеству, управляемости и гарантированное™ 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 обслуживания; построения имитационной модели; удовлетворительным совпадением полученных при аналитическом моделировании резуль-татов 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
3. Првдогоекена 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 ре-
сурсов и доходы компаний-операторов.
6. Рассмотрены общие принципы построения и требования к сети мобильной связи GSM 2-го поколения при внедрении технологии дифферен-
ф циации 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
ф 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.
Ф 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.
В Приложении 1 на 1-ом листе приведены результаты расчета математической модели; в Приложении 2 на 3-х листах - результаты имитационного моделирования алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг; в Приложении 3 на 1-ом листе - результаты имитационного моделирования алгоритма «Обслуживание с прерыванием»; в Приложении 4 на 5-и листах - расчет среднеквадратического отклонения величин вероятности отказа и вероятности прерывания при разных значениях остаточного времени до прерывания обслуживания.
Краткое содержание работы
Во введении рассматриваются следующие вопросы: актуальность темы, цель и задачи работы, методы исследования, научная новизна, практическая
10
ценность проделанной работы и основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
В первой главе анализируется современное состояние вопросов качества услуг в области сетей мобильной связи. Проводится анализ показателей качества услуг, определенных на текущий момент. Предлагаются и обосновываются показатели качества технологии дифференциации и управления качеством услуг мобильной связи.
Во второй главе кратко излагаются основные дисциплины и алгоритмы приоритетного обслуживания, существующие на текущий момент; дается описание предложенных и разработанных алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг; предлагается Марковская модель сети мобильной связи с 4-мя классами приоритетного обслуживания и дисциплиной с дифференцированным остаточным временем до прерывания обслуживания.
Третья глава содержит описание имитационного моделирования разработанных алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг. Приводятся сравнительные характеристики исследуемых алгоритмов; оценка их эффективности; сравнение полученных при аналитическом моделировании результатов с результатами имитационного моделирования; рекомендации по практической реализации принципов технологии дифференциации и управления качеством услуг на реальных сетях мобильной связи 2-го поколения стандарта GSM.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
В приложениях приведены результаты математического и имитационного моделирований.
11
ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ УСЛУГ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
1.1. Обзор проблемы качества услуг мобильной связи в сетях 2-го поколения
В соответствии с задачами диссертационной работы в данной главе будет проведен анализ текущего состояния в области мобильной связи с точки зрения качества предоставляемых услуг, дано описание основных положений концепции дифференциации и управления качеством услуг и комплекса показателей качества.
Качество услуг сотовой связи определяется Рекомендацией Е.800 ITU-T и понимается как суммарный эффект от параметров обслуживания, который определяет степень удовлетворения пользователя услугами связи [8]. Услуга понимается в самом широком смысле, то есть не только передача голоса, но и данных, коротких сообщений и т.д. С точки зрения показателей, характеристик и норм качество услуг цифровых сетей мобильной связи 2-го поколения стандарта GSM, должно соответствовать рекомендациям Е.430, Е.771, Е.800,1.350 и Х.641 ITU-T [18].
В рекомендации ITU-T серии Е.771 определяются следующие показатели качества связи для 2G сетей GSM [39]:
1. Время ответа станции.
2. Время ответа вызываемого абонента.
3. Длительность задержки разъединения соединения.
4. Вероятность блокировки в радиоканале.
5. Вероятность блокировки на участке PSTN (ТфОП) - PLMN (СПС).
6. Вероятность разрыва соединения из-за неудачного handover'а.
В [39] отмечается, что время ответа станции - один из наиболее важных параметров сотовой сети общего пользования. Его величина определяется ти-
12
пом звонка (фиксированный - мобильный, мобильный - мобильный, мобильный - фиксированный), а также зависит от архитектуры сети.
Самым главным параметром качества считается вероятность блокировки, которая в сотовых сетях определяется вероятностью блокировки в радиоканале и вероятностью блокировки в каналах между сотовой сетью и телефонной сетью общего пользования. Рекомендации ITU-T устанавливают следующие нормы на показатели вероятности блокировки [39]:
- вероятность блокировки в радиоканале - менее 1 %;
- вероятность блокировки в каналах между сотовой сетью и телефонной сетью общего пользования - менее 0,5 %;
Численная величина результирующей вероятности блокировки будет зависеть от типа звонка и трафика, обусловленного мобильностью абонентов, то есть handover трафика [39].
Для российских сотовых сетей допустимые величины вероятности блокировки в радиоканале и вероятности блокировки в каналах между сотовой сетью и телефонной сетью общего пользования устанавливаются в соответствии с [6] и принимаются на уровне менее 5% и менее 1%, соответственно.
В 2002 г. российским Институтом сотовой связи были разработаны «Нормы на показатели качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний», которые определяют показатели удовлетворенности абонентов обслуживанием, технические показатели качества услуг, программы и методики проведения оценочных испытаний показателей качества услуг сети сотовой связи. Номенклатура показателей качества основных услуг следующая [41]:
1. Доля неуспешных вызовов от общего числа вызовов, в том числе:
1.1 при установлении соединения с абонентом подвижной сети;
1.2 при установлении соединения с абонентом фиксированной сети (участок СПС).
13
2. Доля вызовов, не удовлетворяющих нормативам по качеству передачи речи.
3. Доля вызовов, окончившихся разъединением установленного соединения не по инициативе абонента.
4. Доля вызовов, не удовлетворяющих нормативам по величине времени задержки сигнала ответа.
5. Задержка сигнала ответа.
6. Коэффициент восстановления связи.
7. Время восстановления связи.
8. Доля неправильно тарифицированных соединений.
9. Показатель удовлетворенности организационными аспектами обслуживания.
Ю.Показатель удовлетворенности техническими аспектами обслуживания. На данный момент согласно этим методикам проводится сертификация услуг, предоставляемых компаниями-операторами сотовой связи: оцениваются технические характеристики сети и характеристики обслуживания пользователей.
Если говорить о разрабатываемых и внедряемых в настоящее время сетях 2,5/3 поколений, то для них определено следующее понятие «Система управления качеством услуг связи», что означает систему мер, обеспечивающую соответствие качества услуг связи установленным требованиям, а именно [8]:
- системный подход к качеству;
- контроль и проверка предоставления услуг;
- проведение испытаний и измерений качества услуг и т.д. Дополнительно для сетей 2,5/3G разработана международная система
управления качеством, основанная на концепции TQM (Total Quality Management), которая отражена в стандартах ISO 9000-9004, 9011. Данные стандарты, в частности, стандартизируют показатели качества, определяют их количест-
14
венные значения, обязывают компании-операторов сотовой связи публиковать количественные значения показателей, достигнутых и гарантируемых операторами.
Показатели качества в сетях 3G обусловлены наличием четырех классов качества услуг: речевой, потоковый, интерактивный и фоновый. Причем показатели качества услуг могут быть установлены для сеанса связи согласно выбранному абонентом уровню качества или компанией-оператором согласно общему состоянию ресурсов сети. Т.е. показатели качества являются предика-бельными [70].
В [28] приводятся следующие показатели качества услуг:
1. Надежность (вероятность потери пакета).
2. Среднее время задержки пакета, с.
3. Вариация времени задержки пакета, с.
4. Максимальная скорость, Кбит/с.
5. Средняя скорость, Кбит/с.
Главным дифференцирующим фактором между классами качества услуг является их чувствительность к задержке: речевой и потоковый классы работают в реальном масштабе времени, интерактивный и фоновый не привязаны к реальному масштабу времени [8].
Исследование показателей качества услуг мобильной связи в сетях 2G и 3G позволяет сделать вывод, что в настоящее время показатели качества, действующие в сетях 2-го поколения стандарта GSM и установленные рекомендациями ITU-T, определяют качество проключения соединения и передаваемого в сети голосового трафика (основной тип трафика в сетях GSM), и отражают субъективное восприятие пользователем качества услуг сотовой связи. В то время как в сетях 3G существуют встроенные механизмы управления качеством услуг, то есть присутствует политика управления показателями качества услуг, которая позволяет совмещать в единой сети передачу разнотипного трафика от нескольких сотен тысяч абонентов.
15
Становится ясно, что сети 2G существенно проигрывают сетям 3G по жизненному циклу конкурентного преимущества, являясь, по сути, сетями только для передачи речи, тогда как сети 2,5/3 G ориентированы на передачу голоса, данных и мультимедийной информации. Кроме того, на сетях 2G в принципе отсутствует такое понятие, как «Управление качеством услуг», что, несомненно, тоже сказывается на конкурентоспособности таких сетей по сравнению с сетями 3G.
Очевидно, что технология, способная реализовать дифференциацию и управление качеством услуг на сетях GSM 2-го поколения позволит их максимально приблизить к сетям следующего поколения. Причем, при разработке алгоритмов дифференциации и управления качеством услуг для 2G сетей необхо- димо учитывать факт, определенный разработчиками стандартов для 3G сетей, а именно: «Требования к обеспечению качества услуг должны быть четко определены в виде характеристик, поддающихся наблюдению и оценке потребителем» [8].
1. 2. Основные положения концепции дифференциации и управления качеством услуг мобильной связи и комплекса показателей качества
Технологической основой концепции дифференциации и управления качеством услуг мобильной связи является внедрение механизмов приоритетного обслуживания, обеспечивающих дифференциацию и управление определенными показателями качества услуг и тарифами, на оборудовании сетей мобильной связи 2-го поколения. «Одновременно предлагается ввести динамическое управление тарифами, параметрами трафика и качеством обслуживания, которые гарантировали бы каждому пользователю соответствие параметров трафика и качества обслуживания оплачиваемому им классу приоритетного обслуживания» [28].
16
Более подробно с описанием принципов концепции дифференциации и управления качеством услуг и тарифами можно ознакомится в [26, 28, 29].
Для внедрения рассматриваемой концепции на сети сотовой связи необходимо вводить ограничения и условия на разрешение абонентам пользоваться сетью, придерживаясь следующего принципа: «Пользователям каждого класса приоритета гарантируется соответствующее качество обслуживания, независимо от трафика нагрузки всех пользователей более низких классов» [28]. То есть на сети мобильной связи вводятся алгоритмы управления показателями качества и тарифами, основанные на приоритетном обслуживании пользователей сети мобильной связи.
Абонент г-го класса
Показатели QoSr, тариф для r-го класса
Управление QoSr
Сеть мобильной связи
Рис. 1.1. Управление показателями качества услуг (QoS)
В качестве показателей качества, позволяющих дифференцировать пользователей мобильной связи, и управлять качеством услуг, могут быть следующие: «...вероятности блокировки вызова Р* для вызова k-го класса приоритета (например: 0,001/0,01/0,05/0,1); среднее 7* и, возможно, дисперсия сг* времени ожидания вызова при занятых каналах; вероятность отказа в обслуживании Rt (непредоставление разговора в требуемое время суток t); гарантированные значения среднего Gmia и пикового GPh трафиков к-го класса приоритета в ^-ый час суток. Сообразно приведенным показателям качества услуг мобильной связи
17
можно ввести классы приоритетного обслуживания: «Платиновый абонемент» (Р. < 0,001), «Золотой абонемент» (до 0,01), «Серебряный абонемент» (до 0,05),
«Коммерческий (ординарный) абонемент» (до 0,1) [26]».
В табл. 1.1 сведены возможные показатели качества услуг из [28] и [53], следует уточнить, что данные показатели могут варьироваться и/или комбинироваться в зависимости от алгоритма управления качеством услуг.
Таблица 1.1 Возможные показатели качества услуг сети мобильной связи
Показатели качества Классы приоритетного обслуживания
1 (Platinum) 2 (Gold) 3 (Silver) 4 (Popular)
Вероятность блокировки вызова в час наибольшей нагрузки (ЧНН) РЪ1=0,1% РЬ2=1% РЬ3=3% РЪ4=5%
Среднее время ожидания вызова при занятых каналах Те Т2 Т3 т4
Гарантированные значения среднего и пикового трафиков в t-ъш час суток Gnu Gpj Gm2 Gp2 Gm3 Gp3 Gm4 Gp4
Остаточное время до прерывания обслуживания Прерывания нет Тр2 Трз Тр4
Число попыток повторных соединений X, х2 Хз х4
В [28] имеется уточнение, что такие показатели, как «...разборчивость речи, параметры радиосигналов и т.п. не дифференцируются...». В качестве основного показателя дифференциации и управления качеством услуг рассматриваемой концепции выступает вероятность блокировки вызовов, как показатель, от которого напрямую зависит качество услуг сети мобильной связи.
Понятно, что выбор показателей качества услуг, приведенных в табл. 1.1, не случаен. Во-первых, при разработке данных показателей учитывался тот факт, что они должны поддаваться наблюдению и оценке со стороны абонента сети мобильной связи; во-вторых, каждый из этих показателей должен дифференцировать пользователей по приоритетным классам и управлять доступом |
