Проблемы обеспечения качества обслуживания в распределенных информационно-телекоммуникационных системах

Тимашов Д.С.

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННОТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Воронежский государственный университет

1 Постановка задачи

Одной из основных проблем при управлении и обслуживании системы сотовой связи является проблема обеспечения непрерывной связи абонента при его передвижении. Движущиеся абоненты постоянно пересекают границы сот, т.е. меняют зоны обслуживания различных базовых (БС) и/или центральных (ЦС) станций. Вследствие такого передвижения возникает необходимость обмена информацией между различными БС и ЦС. Передаваемая информация содержит данные персонифицирующие абонента и другую служебную информацию, необходимую для полноценного обслуживания абонента в сети. Служебная информация используется для принятия решения о возможности подключения абонента, выделения ему канала передачи данных, количестве предоставляемых сервисов, установлении уровня оплаты за предоставляемые услуги. Очевидно, что для обеспечения бесперебойного обслуживания абонента, предоставления ему возможности посекундной тарификации в зависимости от его положения в системе сотовой связи необходима возможность функционирования системы управления базой данных, в которой хранятся данные об абонентах, в режиме реального времени. Т.е. главной задачей становится возможность одновременного и быстрого обслуживания многих запросов на выборку и изменение информации. Решать поставленную задачу можно, комбинируя несколько подходов: усовершенствование программно-алгоритмического комплекса управления системой в целом, оптимизация управления используемыми ресурсами, применение более быстрых и эффективных баз данных реального времени для хранения информации.

2 Разработка методов оптимизации управления ресурсами системы

Системы сотовой связи представляют собой системы реального времени, и при реализации системы сотовой связи сталкиваются с проблемами, присущими любой системе реального времени - своевременное обеспечение отклика системы на поданный запрос в условиях ограниченности имеющихся в распоряжении ресурсов. Для обеспечения оптимального управления системой решается задача распределения ресурсов системы между поступающими задачами. В классическом случае он-лайновые системы используют наборы приоритетов, назначающихся задачам при поступлении в систему, в зависимости от их значимости, и ресурсы системы распределяются между задачами в соответствии с их приоритетами. Такие системы могут сталкиваться с проблемами блокировки выполнения низкоприоритетных задач при поступлении высокоприоритетной задачи, что в свою очередь может пагубно отразиться

на производительности системы в целом, вызвать лавинообразное снижение эффективности функционирования системы.

Для увеличения гибкости управления ресурсами систем реального времени было предложено использовать технологию QoS (Quality of Service), для обеспечения плавного снижения общей эффективности системы при увеличении нагрузки, что предоставляет защиту от лавинообразного снижения эффективности [2]. Основная идея технологии QoS заключается в том, что система гарантирует обеспечение запрашиваемого задачей уровня сервиса, или запрос на выполнение задачи отвергается. Уровень сервиса (QoS уровень) характеризуется количеством ресурсов {Rj, R2, ..., ROT}, (m >= 1), выделяемых системой. В качестве усовершенствования используемой модели управления ресурсами, предлагается каждой задаче {Т/, Т2, ..., Tn}, (n >= 1), выполняющейся в данной момент в системе, назначать некоторый диапазон допустимых QoS уровней, при получении которых задача может работать [1]. Кроме того, для каждого QoS уровня назначается некоторая степень выигрыша Д, получаемого системой при выделении задаче Т этого уровня для выполнения: U = U (R-), где R- = (R^, Ri;2, ..., R;,OT), а Rij - количество j-ого ресурса, выделенного задаче i (1 <= i <= n, 1 <= j <= m). Степень выигрыша, таким образом, представляет собой функцию двух переменных: номер QoS уровня и собственно задачи, его получившей. В момент поступления новой задачи в систему может производиться изменение QoS уровней ранее поступивших задач для обеспечения возможности выполнения новой задачи. При этом рассчитывается функция общего выигрыша системы U(R7, R2 ,... Rn) = WjUj + w2U2 + ...+ wn Un, где wi (1 <= i <= n) - веса, назначающиеся каждой задаче, и в зависимости от изменения абсолютного значения этой функции выносится решение о гарантировании выполнения пришедшей задачи или об отказе в выделении ресурсов. Необходимым условием оптимального распределения ресурсов в системе будет следующее условие: для любого i, 1 <= i <= n, R;- = 0 или для любых {i, j}, таких, что R,- > 0 и Ry > 0, выполняется условие Ui,(Ri) = U/(Ry). Проведенные исследования показали преимущества в эффективности управления системой при таком подходе, по сравнению с системами с традиционными подходами к управлению ресурсами [1].

В системах сотовой связи, в качестве ресурсов системы, можно выделить скорость выделения свободного канала связи при установлении соединения, ширину используемого канала в процессе сеанса связи, ресурс машинного времени в центре коммутации и в биллинговой подсистеме при расчете состояния счета клиента. Изменение ширины предоставляемого канала связи приобретает большую актуальность в последнее время в связи с внедрением технологии GPRS (General Packet Radio Service - услуга пакетной передачи данных по радиоканалу). Кроме того, можно предположить динамическое изменение качества оцифровки голосового сообщения при обычном общении, что, конечно же, вызовет ухудшение качества связи, но вместе с тем уменьшит поток передаваемых данных одного абонента, что увеличивает потенциальную емкость сети при насыщении мобильными абонентами.

Кроме ширины используемого радиоканала необходимо учитывать возможность перегрузки каналов данных между базовыми станциями и центром коммутаций, что может быть вызвано увеличением передаваемой служебной информации. Увеличение трафика служебной информации является следствием улучшения оператором мобильной связи биллинговой подсистемы: более точной тарификации абонента и он-лайнового отслеживания счета состояния счета клиента. Это, в свою очередь, вызывает нагрузку на сервера баз данных, хранящих информацию о клиентах и осуществляющих учет биллинга. QoS уровни в системе мобильной связи, таким образом, должны сложным образом учитывать распределение различных ресурсов системы [3].

Применение QoS ориентированной системы позволяет гибким образом перераспределять нагрузку между различными узлами распределенной системы. Суть алгоритма перераспределения сводится к сравнению значений функций общего выигрыша подсистем на различных узлах всей системы при переносе выполнения задачи с одного узла на другой [1]. В случае системы сотовой связи, которая по своей природе является распределенной системой, можно более эффективно перераспределять нагрузку между соседними базовыми станциями (БС). Для этого, при установке соединения, кроме уровня радио сигнала БС, необходимо учитывать значение функции общего выигрыша системы, и исходя из этого выносить решение о подключении к той или иной БС.

3 Обеспечение синхронизации данных в системах сотовой связи

При рассмотрении системы сотовой связи как информационной системы, содержащей данные о каждом абоненте, то актуализируется проблема, свойственная многим корпоративным информационным систем на сегодняшний день - хранение распределенной информации. Как следствие распределенности хранимой информации, возникает проблема синхронизации данных. В качестве примера можно привести подсистемы биллинга и обеспечения клиентов мобильной связи необходимой информацией (новостные сообщения, данные о состоянии счета, другая статусная информация). Мобильные клиенты, перемещаясь, переходят в зоны действия различных центров коммуникации (Mobile services Switching Center - MSC). Для каждого клиента, по окончании разговора, активизируется биллинговая подсистема, находящаяся в том MSC, в зоне действия которого он в настоящий момент находится. Таким образом, биллинговая информация клиента может накапливаться в различных MSC. Поэтому для верного расчет состояния счета клиента необходимо производить периодическую синхронизацию биллинговых данных клиента между различными MSC, и полученный результат должен попадать в домашний MSC клиента. Мобильные клиенты, в свою очередь, должны получать статусную и новостную информацию на основании того, в какой группе они находятся, в зависимости от тарифного плана подключения, количества заказанных и оплаченных сервисных услуг. Проведение процесса синхронизации без наложения каких либо дополнительных ус-

ловий в таком случае не давало бы желаемого результата, каждый клиент синхронизации, будь то MSC или мобильный клиент, получал бы вместе с необходимыми для него данными всю информацию системы по той или иной теме.

Для решения этих проблем для каждого клиента синхронизации можно назначать дополнительные условия при выполнении выборки данных. При таком подходе для обеспечения всех клиентов актуальной информацией необходимо каждому клиенту для каждого синхронизируемого объекта назначить условие синхронизации, выделяющее необходимые данные и запрещающее доступ к закрытым данным.

При реализации этой схемы защиты информации и предоставления актуальных данных для клиента синхронизации довольно существенным недостатком является необходимость пересмотра условий синхронизации в случае изменений начальных условий: изменение статуса клиента (в связи с изменением статусной группы клиента), системы. В системе, синхронизирующей данные реальной системы сотовой связи, может насчитываться десятки различных центров коммуникаций, десятки тысяч абонентов и синхронизируемые данные будут иметь не тривиальную структуру. В таком случае пересмотр условий синхронизации, обеспечивающих предоставле-

ние/запрещение доступа клиентов к данным системы в связи с, например, изменением статуса абонента, становится довольно дорогостоящей операцией. Со стороны администратора системы значительно увеличивается вероятность допущения ошибки, т.к. условия необходимо изменять сразу для всех объектов синхронизации. Для решения проблемы изменения условий синхронизации в зависимости от положения клиента в структуре организации (в данном случае - в системе сотовой связи) можно предложить использовать информацию о положении клиента в структуре организации для автоматического изменения условий синхронизации в процессе работы. Для этого необходимо структуру организации представить в виде дерева, узлами которого будут являться структурные единицы организации и сотрудники организации. Кроме того, это дерево может содержать любые необходимые информативные объекты. Для представления структуры организации в виде дерева подходят многие коммерческие и свободно распространяемые продукты, такие как Microsoft Active Directory, Novell eDirectory, Netscape Directory Server, а так же любые другие LDAP сервера.

Для обеспечения автоматической генерации условий синхронизации в процессе работы необходимо к каждому узлу дерева, который отражает ту или иную структурную единицу организации, подвязать информативный объект, содержащий часть условия, используемого в процессе синхронизации. Тогда для клиента синхронизации условие синхронизации будет строиться путем объединения условий, подвязанных к тому структурному подразделению организации, в которое он входит, и условий, подвязанных к узлам дерева, которым прямо или косвенно принадлежит узел, являющийся родительским для объекта - пользователя в дереве каталогов. Говоря други-

ми словами, для получения полного условия синхронизации, необходимо осуществить обход дерева каталогов, начиная от узла, к которому принадлежит объект, содержащий информацию о пользователе, и заканчивая вершиной дерева. По мере обхода узлов дерева объединяются все условия, формируя полный набор условий синхронизации для данного пользователя. На диаграмме (рис. 1) изображена блок-схема, иллюстрирующая описанный алгоритм [4].

Рис 1. Алгоритм получения условий синхронизации клиента

При формировании полного набора условий клиента могут быть выбраны различные стратегии объединении условий, находящихся на различных уровнях дерева. Стратегия объединения условий выбирается исходя из того, предполагается ли закрывать или открывать доступную информацию по мере продвижения вглубь дерева. В первом случае пользователь, чей объект в дереве каталогов находится на самом верхнем уровне, получает всю имеющуюся в системе информацию. По мере перемещения объекта вглубь дерева каталогов, пользователь получает меньше информации в процессе синхронизации (например, только ту информацию, которая используется при работе его подразделения, или только ту, с которой работает именно он). В таком случае, условия расположенные на различных уровнях дерева должны объединятся с использованием предиката «и». Во втором случае, пользователь, чей объект в дереве каталогов находится на самом верхнем уровне, получает минимальный набор данных в процессе синхронизации, и по мере перемещения объекта вглубь дерева каталогов, количество получаемой информации в процессе синхронизации увеличивается. В этом случае, условия расположенные на различных уровнях дерева должны объединятся с использованием предиката «или». Так же возможно смешение используемых стратегий в системе при формировании условий синхронизации.

Описанный подход для автоматического формирования условий, использующихся в процессе синхронизации, позволяет естественным образом учитывать положение объекта, описывающего клиента синхронизации, внутри дерева каталогов, отражающего структуру организации. Таким образом, затраты на администрирование системы синхронизации при изменении статуса абонента сотовой связи, или при изменении структуры организации системы сотовой связи сводятся к минимуму. Действия администратора системы синхронизации в таком случае сводятся к корректному изменению свойств объекта в рамках дерева каталогов или к переносу его в пределах дерева от одного узла к другому, что уменьшает возможность возникновения ошибки в настройках системы синхронизации в процессе корректировки ее параметров.

4 Ожидаемые результаты

Целью данного проекта является разработка методов обеспечения качества обслуживания в распределенных системах реального времени с использованием новейших технологий (QoS, распределенных БД, БД реального времени и др.) для применения в системах управления сотовой связью. Планируется реализовать и экспериментально изучить возможность применения алгоритмов управления с использованием QoS в системах сотовой связи для повышения эффективности используемых ресурсов, алгоритмы для усовершенствования функционирования биллинговой подсистемы. Реализация и исследование описанных алгоритмов поможет оптимизировать процессы перерасчетов в биллинговой подсистеме в процессе обслуживания абонентов системы сотовой связи, увеличить емкость (число обслуживаемых абонентов) систем сотовой связи без увеличения объема используемых ресурсов.

Список использованных источников

1. Tarek F. Abdelzaher, Ella M. Atkins, and Kang G. QoS Negotiation in Real-Time Systems and Its Application to Automated Flight Control. - http://citeseer.nj.nec.com/update/27789

2. Ragunathan (Raj) Rajkumar, Chen Lee, John P. Lehoczkyy, Daniel P. Siewiorek. Practical Solutions for QoS-based Resource Allocation Problems -http://citeseer.nj.nec.com/rajkumar98practical.html

3. Кравец О.Я., Степанченко В. А. Использование QOS в системах сотовой связи// Сб. статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции «Технологии Интернет на службу обществу». - Саратов, 2003. - С. 58 - 61

4. Степанченко В. А., Кравец О.Я. Механизм защиты данных от несанкционированного доступа с использованием электронного дерева каталогов в системах синхронизации данных// Сб. научных трудов международной конференции «Современные сложные системы управления». - Воронеж, 2003. - С. 418 - 421.