Оценка скорости передачи данных с учетом задержек и кодирования в системах пакетной радиосвязи

УДК 693.548

Оценка скорости передачи данных с учетом задержек и кодирования в системах пакетной радиосвязи

С.Б. Матвеев, A.C. Пастухов, В. В. Авраменков

Проведено исследование протокола TCP через GPRS с учетом задержек на стеке протоколов радио интерфейса сетевых уровней и различных методов кодирования.

In the given work research of TCP protocol through GPRS in view of delays on a stack of the radio interface protocol of network levels and various methods of coding where produced.

Введение. Целью внедрения пакетной радиосвязи общего назначения GPRS (General Packet Radio Servise), в глобальную систему связи с подвижными объектами GSM (Global ), является более эффективное использование ресурсов GSM по сравнению с существующими услугами второго поколения GSM. Она реализована при помощи множества логических связей в однонаправленном канале и мультиплексировании пакетов на физические уровни.

Коммутация пакетов означает, что радиоресурсы GPRS используются только тогда, когда пользователи посылают или получают данные. Более правильным является не выделение радиоканала данных пользователю на фиксированный промежуток времени, а разделение доступного радиоресурса между несколькими пользователями. Фактическое число возможных пользователей зависит от применяемого приложения и числа передаваемых данных [3]. При помощи мультиплексирования нескольких логических связей в один или более физических каналов GSM, GPRS достигает гибкого использования каналов для приложений с переменными битовыми скоростями. Такая технология создает возможность использования протокола Интернет (IP) в сетях GSM, что в свою очередь открывает доступ к большому числу различных сетей.

Схемы кодирования каналов. Схемы кодирования каналов GPRS-CS-1-CS-4 (CS - Coding Scheme) имеют допустимые скорости кодирования (см. таблицу). Для управляющих RLC/M AC-блоков должен использоваться CS-1 в соответствии с требованиями GPRS. Хотя в принципе возможно использование любой CS для RLC/MAC-блоков данных, тем не менее, для RLC/MAC-блоков данных в существующих сетях GPRS используется CS-2.

Таблица. Параметры коди рования

CS-1 CS-2 CS-3 CS-4

Скорость кодирования 1/2 2/3 3/4 1

Скорость данных в сети GPRS, кбиг/с 9.05 13.4 15.6 21.4

Размер блока данных RLC, бит 176 263 307 423

Размер заголовка MAC (например USF), бит 5 5 5 5

Размер блока RLC/MAC, бит 181 268 312 428

Размер радиоблока, бит 456 456 456 456

На первом шаге процедуры кодирования добавляется последовательность блока данных BCS (Block Check Sequence) для обнаружения ошибок. Второй шаг состоит из перекодировки флага состояния передачи «вверх» USF (Uplink State Flag) (исключение CS-1) и добавления в конец четырех битов, после чего производится свертка и кодирование для коррекции ошибок и протокола, что позволяет достигать желаемой кодовой скорости. Результатом является небольшая последовательность длиной 456 битов, независимо от используемой схемы кодирования.

Для CS-4 биты в конец последовательности не добавляются, и сверочное кодирование не производится; только лишь осуществляется предварительное кодирование [4].

Аналитическая оценка протокола TCP. Аналитическая оценка для медленного старта и устойчивого состояния теперь может быть расширена дополнительными задержками и служебными данными, введенными стеком протокола радиоинтерфейса GPRS.

После того, как сегменты TCP будут добавлены 40 байтами TCP/IP заголовка, которые можно

уменьшить функцией сжатия заголовка протоколом сходящей зависимой подсистемы SNDCP (Sub-Network Dependent Convergence Protocol) в среднем до 5 байт, добавляется трехбайтный заголовок SNDCP. Элементы данных протокола SNDCP являются полезной нагрузкой для кадров канального уровня соединения LLC (Logical Link Control). Формат кадра LLC включает поле адреса, состоящего из одного байта, контрольное поле -обычно состоящее из трех байт для информационных кадров, и трехбайтное поле последовательности контрольных кадров FCS (). Предполагая, что типичный TCP MSS равен 512 байтам, в итоге размер кадра LLC равен 527 байт [5]. Кадры LLC добавляются в набор блоков RLC в зависимости от схемы кодирования (CS) GPRS. Предполагая поддержку четырех мультислотов в нисходящем направлении можно использовать вплоть до четырех таймслотов за кадр TDMA.

Блочные ошибки в радиоканале к тому же уменьшают производительность. Так как на уровне GPRS RLC применен ARQ-SR (Selective Repeat) протокол, нормализованная пропускная способность VSR уменьшена на коэффициент блочных ошибок

USR = 1 - BLER.

Рассматривая заголовки TCP/IP, SNDCP и LLC и коэффициент блочных ошибок RLC/MAC 13,5 % [2], скорость передачи данных ^TCP может быть вычислена так

l + h

где Rr

- скорость данных в сети GPRS, pv -

вероятность ошибки по кадрам, l - длина данных, h - длина заголовка.

Вероятность ошибки по кадрам FER

pv = 1 -

где qv - вероятность ошибки по битам.

На рис. 1, а показана зависимость скорости передачи данных от вероятности ошибки. Зависимости вероятности ошибки по кадрам от вероятности ошибки по битам представлены на рис. 1,6.

В GPRS время периода полного обхода TCP (RTT) главным образом зависит от установления логических RLC/MAC соединений во входящих и исходящих каналах, когда необходимо передать новый поток блоков. Эти логические соединения названы временными потоками блоков TBF (). Допускаем, что для каждого приема пакетов TCP и

Рис. 1. Графики зависимости скорости передачи данных ,Ктср от вероятности ошибки по битам при различных значениях длины данных

соответствующих сообщений ТСР подтверждений, должен быть установлен новый TBF.

Складывая время установки TBFSetup в исходящем и входящем каналах с RTT можно вычислить число периодов полного обхода ТСР (Х^) [1]

Xss =

log

RTCP (r

W M

rr init^ SS

log

+1

Из данного выражения установим зависимость эффективной скорости ЛТСР от времени установки логических RLC/MAC соединений во входящих и исходящих каналах с ЯТТ и TBFSetup

М88к88 !°В

R _

^TCP

Rtt + TBFsetap

Из рис. 2,а видно, что при увеличении задержки на стеках логических соединений RLC/MAC во всех направлениях скорость переда-

MAC

MAC

чи данных ТСР уменьшается обратно пропорционально экспоненциальному закону.

Рис. 2,6 показывает, что при увеличении размера передаваемого сегмента скорость передачи данных ТСР увеличивается, но при увеличении времени задержек на стеке протокола КЬС/МАС скорость передачи уменьшается прямо пропорционально с учетом постоянных значений вероятности ошибок по битам и кадрам.

Для установления исходящего ТББ обнаруживается время ожидания следующего канала произвольного доступа, равное половине блочного периода четырех блочных периодов для обмена сообщениями пакетов: запроса канала, распределения исходящего канала, запроса ресурсов, распределения ресурсов. Четыре блочных периода применяются в качестве задержки обработки после получения этих сообщений.

Для установления входящего ТББ, приняты половина блочного периода в качестве времени

Рис. 2. Графики зависимости скорости передачи данных от времени установки логических RLC/MAC соединений во входящих и исходящих каналах с RTT при различном числе периодов полного обхода TCP

ожидания перед обнаружением предоставления доступа к каналу, один блочный период для пакета установления входящего канала и один блочный период для обработки. Следовательно, ЯТТ увеличивается до 220 мс при установлении исходящего и входящего каналов ТББ [1].

Рис. 3 показывает, что при увеличении вероятности ошибок по битам, скорость передачи данных ТСР уменьшается при постоянных значениях /и к, а увеличение скорости происходит с применением различных схем кодирования. Как видно из рис. 3, наибольшая скорость передачи данных достигается, когда используется схема кодирования С8-4, а наименьшее - С8-1.

я

Рис. 3. Графики зависимости скорости передачи данных от вероятности ошибки по битам при различных значениях схем кодирования

На рис. 4,а,б представлены экспериментальные данные по числу обращений к определенной схеме кодирования, которые были сняты в течение 24 ч (с 06.12. 2007 г. по 07.12.2007г.) в сотовой компании «ЗАО Шупашкар-GSM» в г.Чебоксары. Полученные экспериментальные данные показывают, что наибольшее число запросов на получение данных по каналам GPRS происходит по схеме кодировании CS-2, а получение запрошенной информации - по схеме CS-4. Отсюда видно, что число обращений в 10 раз превышает число запросов на ее получение. На рис. 4,6 представлены данные по числу обращений пользователей в структуре EGPRS (EDGE) в которой применяются совсем другие схемы кодирования. Отсюда видно, что число обращений пользователей к схемам кодирования MSC значительно меньше, чем к CS. Это говорит о том, что исследуемая сеть не имеет достаточного набора функциональных возможностей для обеспечения абонентов высокоскоростным доступом в Интернет через GPRS по существующим каналам связи.

'I

—1_

-

- 1

______________________________а)_______________________________________________________________б)__________________________

Рис. 4. Экспериментальные данные числа обращений пользователей к услугам GPRS при различных схемах кодирования (а) и к услугам EGPRS (б) во входящих (DL) и исходящих (UL) трафиках

Полученные аналитические выражения и экспериментальные данные показывают, что максимальная скорость передачи информации происходит по схеме кодирования CS-4.

• В GPRS-сети время периода полного обхода RTT главным образом зависит от установления логических соединений RLC/MAC в нисходящем и восходящем каналах, когда необходимо передать новый объем данных. При увеличении задержки на стеках логических соединений RLC/MAC в направлениях «вверх» и «вниз» скорость передачи данных TCP уменьшается, а при увеличении размера передаваемого сегмента, скорость увеличивается. Наибольшая скорость передачи данных достигается, когда используется схема кодирования CS-4, а наименьшая - CS-1. Экспериментальные данные показывают, что исследуемая сеть не имеет достаточного набора функциональных возможностей для обеспечения абонентов высокоскоростным доступом в Интернет через GPRS по существующим каналам связи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Traffic Engineering Concepts for Cellular Packet Radio Networks with Quality of Service Support; Univer-sit”atsprofessor Dr. Petri M”ah”onen;Tag der m”undlichen Pr”ufung:23.Juni 2003.

2. 3GPP TSG GERAN. General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2. Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project, April 2002.

3. 3GPP TSG GERAN. General Packet Radio Service (GPRS); Base Station System (BSS) -Serving GPRS Support Node (SGSN); BSS GPRS Protocol (BSSGP). Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project, July 2002c.

4. T. Laksman and U. Madhow The Performance of TCP/IP for Networks with High Bandwidthdelay Products and Random Loss. IEEE/ACM Trans.Networking, Vol. 7, No. 5, 1999.

5. 3GPP TSG GERAN. General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2 (3GPP tS 43.064 version 5.0.0 Release 5). Technical Specification, 3rd Generation Partnership Project, April 2002.

Поступила 20. 01. 2008 г.