Исследование метода повышения эффективности передачи трафика в мобильных сетях стандарта

Структура пользовательского уровня сети LTE

Рассмотрим структурную схему сети LTE [78, 121] (рисунок 1.2) на уровне пользователя. Сигналы от абонентов поступают на базовые станции eNodeB. Базовая станция проверяет подлинность абонента, но перед этим пользовательское оборудование UE проверяет подлинность сети по присланному сетью сообщению (talking). Между базовыми станциями для ограничения нагрузки через узлы обработкой сигнализации в узле управления мобильностью MME предусмотрен интерфейс Х2, через который между узлами eNodeB проключаются быстродвижущиеся абоненты. Это особенно важно при хендовере [7]. Возможность непосредственной беспроводной передачи данных между eNodeB фактически означает, что в архитектуре SAE заложена функциональность mesh-сети [67, 84]. Новая архитектура позволяет при необходимости большое количество заявок направлять не в основную сеть, а в пределах смежных сот, что минимизирует взаимодействие с основной сетью.

Рисунок 1.2. Архитектура системы LTE с инфраструктурой SAE
Узел управления мобильностью MME занимается обработкой служебной информации: аутентификацией, поиском обслуживающего шлюза (S-GW) сигнализацией. Сигнальная нагрузка в сетях LTE не ограничена [121]. Напомним, что в сетях LTE для абонентов установлены следующие скорости передачи: для статичных, или медленнодвижущихся – 1 Гбит/с и для движущихся в транспортном средстве – 100 Мбит/с. Известно, что на реальных сетях в настоящее время через интерфейс S1-ММЕ проходит 3.5% хендовера от быстродвижущихся абонентов [29]. Модуль MME обеспечивает хранение служебной информации об абоненте, авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи и общее управление мобильностью абонентов.
Обслуживающий шлюз S-GW выполняет функции обработки информационного трафика, обеспечивает привязку пользовательского оборудования к опорной сети при хэндоверах. Кроме того, шлюз S-GW ведет биллинговые записи о том, сколько абонент скачал трафика и с каких серверов. Также шлюз S-GW осуществляет маркировку трафика (восходящего (UL) и нисходящего (DL)) в транспортной сети в соответствии с уровнем качества QoS. Маркировка занимает 6 бит, при этом 0 означает наихудшее качество.
Пакетный шлюз P-GW обеспечивает соединение от пользовательского оборудования UE к внешним пакетным сетям передачи данных [6], являясь точкой входа и выхода трафика, при этом пользовательское оборудование UE может одновременно соединяться с несколькими шлюзами P-GW для одновременного подключения к нескольким сетям. Шлюз P-GW выполняет также функции защиты, фильтрации пакетов для каждого пользователя, поддержку биллинга, узаконенного перехвата и сортировку пакетов. Другая важная роль шлюза P-GW —управление мобильностью между сетями3GPP и не-3GPP технологиями, такими как WiMAX и 3GPP2 (CDMA 1X и EvDO) [65].
Сервер абонентских данных HSS является большой базой данных. Он храненит данных об абонентах и заменяет набор регистров VLR, HLR, AUC и EIR в сетях 2 и 3 поколений [7, 78]. В сервере HSS осуществляется аутентификация и регистрация абонентов, загрузка профиля абонента в ММЕ, обеспечиваются роуминговые ограничения и ограничения сервисов по типам сетей доступа (в настоящее время некоторые сервисы доступны только в сетях LTE). При этом сервер HSS подключается к ядру пакетной сети по интерфейсу протокола Diameter, а не на базе системы сигнализации SS7 [60], которая использовалась в сетях GSM и UMTS. Сигнализация для обеспечения СОРМ также основана на протоколе Diameter.
Узел управления начислением платы PCRF выполняет функции: контроля предоставления услуги (gatingcontrol – начало предоставления услуги, изменение ее параметров, завершение предоставления услуги и т.п.) и контроля качества, при котором осуществляется непрерывный мониторинг качества, а также поддержание заданных характеристик (QoS), причем не только для голосовых соединений, но и для пакетных сервисов.
В настоящее время наряду с мобильными сетями широкое распространение получили высокоскоростные локальные сети стандарта Wi-Fi [16, 73, 121], разворачиваемые в общедоступных системах торговли, общественного питания, транспорта (кафе, аэропорты, магазины) и т.д. Разрабатываются базовые станции, позволяющие обслуживать абонентов с применением разных вариантов доступа как для работы в сетях Wi-Fi, так и в сетях сотовой связи. В связи с этим, в архитектуре пользовательского уровня SAE предусмотрены механизмы выбора наиболее удобной инфраструктуры предоставления услуги, необходимой абоненту. Таким образом, создается новая сеть радиодоступа, значительно увеличивающая скорость передачи данных и уменьшающая время установления соединений. Наличие общего ядра в сети позволяет поддерживать мобильные услуги не только по технологии LTE, но также и по другим радиотехнологиям (Wi-Fi, WIMAX, CDMA2000 и др.) [64, 65, 78, 117] благодаря интегрированности различных интерфейсов передачи данных, см. рисунок 1.3.

Рисунок 1.3. Сетевая инфраструктура технологии LTE

Для приложений реального времени, предусматривается on-line тарификация, при которой абонент и оператор могут отслеживать состояние счета в реальном масштабе времени. Технология позволяет применять несколько моделей начисления платы, в частности: по предоставленному объему услуг, по затраченному на услугу времени, по факту предоставления услуги, также имеются комбинированные модели. Узел PCRF выполняет все указанные функции и в случае, когда абонент находятся за пределами зоны операторской сети.

При нахождении абонента в сети одного оператора IP-адрес пользовательского оборудования меняться не должен, таким образом, базовая станция eNodeB всегда «знает» все IP адреса данной сети, следовательно, может посылать тегированный [56] трафик.
В настоящее время в рамках одной зоны оператора в пределах большого города находится два MME и примерно 7000 базовых станций eNodeB, но максимально в один MME может включаться до 30000 портов eNodeB. К одной базовой станции eNodeB одновременно могут быть подключены до 800 абонентов. Передача речи и данных в сетях LTE может осуществляться с различными степенями сжатия. Предусмотрена функция адаптация модуляции, кодирования и скорости (Link adaptation), которая может изменять тип кодека сжатия речи [13] в режиме реального времени, в зависимости от условий работы канала. Тип кодека для передачи речи, зависит от условий на радио сети. При невыполнении минимальных условий качества радиоканала, происходит разрыв соединения.
В сетях LTE на базовых станциях eNodeB используется модифицированный алгоритм управления мощностью передатчиков оборудования пользователя, который учитывает положение абонента внутри соты: чем ближе пользователь к eNodeB, тем более высокое отношение сигнал/шум используется для регулировки мощности. Таким образом, вблизи eNodeB оборудование пользователя работает с более высоким соотношением сигнал/шум, а значит и с более высокой скоростью кодирования и кратностью модуляции, что увеличивает скорость передачи.
В сетях LTE используется адаптивное распределение полосы передачи, которое обеспечивает гибкое и безизбыточное распределение ресурсных блоков в соответствии с заданным качеством предоставляемой услуги (QoS) [123]. Алгоритм адаптивного распределения полосы передачи выделяет пользователям на краю соты меньшее количество ресурсных блоков в соответствии со спектральной плотностью мощности сигнала. Точность оценки спектральной плотности влияет на оптимальность выделения пользователю требуемого ресурса.
В сетях LTE-Advanced абонентское оборудование UЕ (пользовательское оборудование) может для передачи данных связываться сразу с двумя станциями eNodeB, что позволяет снизить отношение сигнал/шум.
Для определения наиболее приемлемых способов передачи данных пользователя на фрагменте сети LTE, проведем анализ существующих методов повышения пропускной способности информационных сетей.

4. Анализ основных внешних факторов, влияющих на производительность в сетях LTE

Одним из внешних факторов, влияющих на производительность сети, являются угрозы безопасности [65, 121]. Акценты угроз технологии LTE сместились, теперь все они связаны с протоколом IP. Если в 3G голосовой трафик и данные передавались по двум разным сетям — по сети с коммутацией каналов [10, 32] и по сети передаче данных, то в сетях 4G весь трафик проходит через единую архитектуру EPC по протоколу IP (рисунок 1.1).
При этом сеть LTE накладывает некоторые ограничения на производительность [78]. В частности, при увеличении скорости подключения снижается радиус действия станции eNodeB — в среднем для LTE он составляет около 5 км (это зависит от используемого частотного диапазона: 800 МГц или 2600 МГц). При этом число этих станций в сети становится больше, и они начинают располагаться все ближе и ближе друг к другу. Заметим, что при этом определение местоположения абонента по сигналам станций eNodeB (триангуляция) работает точнее. С одной стороны — оператор точнее знает местонахождение абонента, но с другой стороны, сервисы геопозиционирования (Location-BasedService, LBS) можно использовать и для слежки за абонентом, что создает опасность новых угроз.
Увеличение плотности размещения сетевого оборудования для улучшения покрытия (рисунок 1.4) приводит к появлению на сети LTE фемто- и даже пикосот [85, 121], которые сам пользователь или предприятие может установить у себя. Но при этом появление новых сетевых элементов может приводит к атакам на них и на каналы связи с остальной сетью. В настоящее время еще не понятно, кто будет конфигурировать и обеспечивать безопасность этих фемтосот: оператор сети или отдельные фирмы, занимающиеся их обслуживанием [45], пользователь, который их приобретает, или оператор, к чьей сети они подключаются [9]. Нужно учитывать так же, что базовые станции eNodeB становятся все более интеллектуальными, например, в версии REL10 [40] они получили возможность маршрутизировать трафик.

Рисунок 1.4. Подключение различных абонентов к сети
В сетях LTE-Advanced из архитектуры сети LTE исчезло понятие контроллера радиосети (RNC) [2], который выполнял функцию по управлению коммуникационными ресурсами. Для того чтобы осуществить атаку на инфраструктуру сетей предыдущих поколений, необходимо было получить доступ к этому контроллеру, а это было сопряжено с трудностями по физическому доступу. Управляющие функции перешли к базовым станциям, которые теперь, помимо обслуживания радиочасти, стали принимать решение о маршрутизации всего поступившего к ним трафика от абонентов. Это позволило организовывать соединения между близкими абонентами напрямую, минуя ядро сети, что существенно разгружает межузловую нагрузку на опорной сети. Но при этом у злоумышленников появляется возможность атаковать сами станции eNodeB, которые работают только по протоколу IP, что облегчает несанкционированный доступ. Могут быть использованы классические атаки на канальном уровне, широковещательные штормы, создание фальшивого узла eNodeB и другие варианты нападений, при этом трафик будет обладать свойством однородности, следовательно, необходимо вводить ограничения на скорости его передачи, или пороги на число соединений.
Вопросы обеспечения безопасности в сетях четвертого поколения решаются на нескольких структурных уровнях: на физическом (так называемом воздушном интерфейсе), на уровне внутренней сети оператора, а также на уровне взаимодей­ствия различных операторов.
Рассмотрим основные виды атак на элементы сетей связи стандарта LTE.

5. Основные виды атак на элементы сетей связи стандарта LTE

Существует два варианта атак [12]: пассивный вариант, когда злоумышленник прослушивает канал связи между мобильным устройством и базовой станцией, или активный вариант, когда в дополнение к прослушиванию, злоумышленник оказывает воздействие на уже циркулирующий трафик, внося в него модификации. В настоящее время возможности актив­ных атак существенно снижены за счет применения криптографической защиты пере­даваемой информации, но пассивные атаки, такие как анализ трафика и отслеживание местоположения пользователей, все еще возможны.
Стандарты предыдущих поколений мобильной связи GSM, UMTS [2, 21] и стандарт LTE для защиты идентификаторов мобильных устройств в воздушном интерфейсе исполь­зуют непригодные для фальсификации временные идентификаторы (TMSI,GUTI). Но неполное развертывание сети LTE по всей территории делает эти меры недостаточными для обеспечения гарантированного уровня защиты пользователей.
Кроме того, существуют: атаки типа подмена доверенного объекта, атаки на сетевые службы с использованием Интернет протоколов, атаки-сообщения о ложном местоположении или атаки несанкционированной переконфигурации радиоаппара­туры. Они усложняют процесс управления для оператора сетиLTE интерференцией, что неблагоприятно сказывается на качестве обслуживания.
Еще одна особенность сети LTE заключается в том, что эта технология ориентирована также на подключение интеллектуальных пользовательских устройств с LTE-модемами [45]: персональных компьютеров, планшетов, смартфонов и т.д. Это означает, что по мере увеличения в сети LTE числа интеллектуальных устройств число нападений на них будет возрастать. Очевидно, что эти интеллектуальные устройства подвержены более широкому кругу угроз. Распространение вирусов в открытых компьютерных платформах, например, Android становится все более масштабным [90], а продукция Apple и Microsoft также уязвима для вредоносных программ. В мобильные сети перешли все угрозы из проводных сетей: атаки на сети, рассылка спама, перехват видео и звука с камеры мобильного устройства и т.д.
Однако, атаки могут происходить не только на пользовательское оборудование. Все более становится популярной технология межмашинного взаимодействия (М2М) [78], с помощью которой осуществляется взаимодействие различных беспроводных интеллектуальных устройств (вендринг, датчики сигнализации и т.д.) имеющих LTE-модемы, осуществляющих передачу данных и управляющихся через сети беспроводной связи.
Угрозы для пользователям сетей LTE могут так же исходить и от сервисов двойного назначения [124]. Известно, что мобильные операторы накапливают много ценной информации об абонентах (местоположение, интересы на основе Интернет запросов, и т.д.). Это, в конечном счете, может приводить к монетизации информации. Типичным примером являются LBS-сервисы - тип информационных и развлекательных услуг, основанных на определении текущего местоположения мобильного телефона. Их можно использовать, например, для контроля за перемещением грузов или общественного транспорта, для определения местонахождения детей и для оповещения о чрезвычайных ситуациях, но их же можно использовать и для незаконной слежки за абонентом. Взлом каждого такого сервиса позволит получать доступ к ценной информации провайдера и построить новые схемы преступлений.

6. Анализ механизмов управления обеспечением защиты информации в сетях LTE

Функции защиты информации в сетях LTE стандартизированы и осуществляются на нескольких уровнях [45, 78]. Имеется защита на уровне доступа пользователя к сети, на уровне приложений, а также на уровне конфигураций [121]. При этом каждый уровень в отличии от сети Интернет осуществляет аутентификацию и авторизацию всех устройств. Известно, что каждое устройство в IP-сети имеет свой адрес, а также и уникальный идентификатор MAC, но их достаточно легко изменить и подделать. Технология LTE использует для всех устройств, подключенных к сети, не только IP-адреса, но и системы распространения передачи ключей шифрования. Все это позволяет организовать в мобильной сети безопасный обмен ключами и установления шифрованного канала связи между элементами сети.
В сетях LTE сохраняются так же методы аутентификации по привязке пользователей к карте USIM [12]. Как и в традиционной мобильной связи пользователь может заблокировать доступ к телефону по PIN-коду. В сетях LTE унаследованы от сетей GSM и UMTS алгоритмы протоколов аутентификации, но к ним добавлены более длинные ключи и расширенная иерархия инфраструктуры открытых ключей – PKI. Также предусмотрены новые возможности для в сценариях межмашинного взаимодействие М2М и однократной аутентификации SSO. Предусмотрена, кроме того, защита от несанкционированных соединений поверх мультимедийной платформы IP-сети – IMS [40, 55].
Однако, многие проблемы, возникающие при перегрузке сети LTE, в частности: потеря доступности и потеря целостности информации, еще не решены. В данной диссертационной работе рассматривается способ повышения пропускной способности мобильной сети стандарта LTE, а именно – динамическое управление потоками пользовательской информации. Для конкретизации задачи, проведем анализ способов динамического управления потоками в сетях LTE.

7. Анализ способов динамического управления потоками в сетях LTE

Динамическое управление потоками подразумевает под собой управление входящей и исходящей нагрузками на узлах мобильной сети [39] (таких как MME, S-GW, PGW, PCRF, HSS/DNS/GW см. п.1.1), а также адаптивную диспетчеризацию его программ. Динамическое управление потоками на сети LTE занимаются алгоритмы управления самооптимизации сети SON.
В усовершенствованной архитектуре SAE введены две принципиально новые функции: первая–автоматической самооптимизации управления сетью SON, которые возникли из-за требований к сложным сетевым мультитехнологиям, предполагающим интеграцию 2G, 3G, 4G и WiMAX и вторая–использование в сети более мелких новых иерархий, таких как пико- и фемто- соты. Функции SON стандартизированны в рамках 3GPP [24], они являются естественным развитием алгоритмов адаптивного управления, уже используемых в системах IMT-2000 [78] (например, динамическое управление мощностью излучения, планирование ресурсов радиосети RRCи т.п.) и позволяют расширять область автоматизации процессов управления сети в целом. Однако, встраивание данной функции так и не было произведено ни одним оператором сети из-за ошибок по приоретизации трафика возникающих при частичном развертывании данной функции на сети [121].
Интенсивный рост трафика от межмашинного взаимодействия трафика [55, 58, 125], ставит перед операторами задачи оптимизации доступа к ресурсам сети. Компания Эриксон представила прогноз динамики подключенияабонентов к сетям фиксированного и мобильного широкополосного доступа до 2020г., который показывает увеличение трафика от межмашинного взаимодействия в два раза за ближайшие два года [104].
Технология LTE в силу особенностей построения радиоинтерфейса является наиболее пригодной для применения алгоритмов динамического управления пропускной способностью сетей [30]. Поэтому проведем рассмотрение и анализ методов управления пропускной способностью в стационарных и мобильных сетях с целью постановки задачи разработки оптимального метода управления.

8. Анализ существующих методов повышения пропускной способности информационных сетей

Основной характеристикой любой сети связи, как системы распределения информации, является эффективность ее функционирования [30, 88]. Основными критериями эффективности сети связи с технической точки зрения являются её производительность и пропускная способность. Под пропускной способностью сети связи понимается произведение
,
где – номинальная пропускная способность линии между узлами i и j в бит за единицу времени, или в Эрл при заданном качестве обслуживания;
– длина линии между узлами i и j в км.
Под производительностью сети связи [88] понимается нагрузка, обслуженная единицей длины сети за определенное время Т:
,
где – объем переданных за время T сообщений (в битах) между оконечными пунктами s и t;
– длина кратчайшего пути между этими пунктами.
Интервал времени Т выбирается в зависимости от поставленной задачи. Пропускная способность сети может быть оценена в ЧНН, либо за сутки. При расчетах оборудования используется пропускная способность в ЧНН. С точки зрения эффективности работы сети нас интересует среднесуточная пропускная способность, при этом для ее повышения необходимо «размывание» нагрузкив течение суток [57].
Одной из характеристик, определяющихстепень загруженности оборудования системы в течение суток, является коэффициент концентрации нагрузки, который определяет степень концентрации нагрузки в ЧНН:
,
где – величина нагрузки за ЧНН;
– величина нагрузки за сутки.
Величина коэффициента концентрации в основном зависит от структурного состава абонентов мобильной сети и обычнолежит в пределах 0,09-0,15. Чтобы объем оборудования на сети был минимальным,и загрузка его равномерной, величина коэффициента концентрации должна быть минимальной. Чем равномернее график этого коэффициента концентрации в течение суток, тем выше пропускная способность сети.
Основные способы повышения среднесуточной пропускной способности для стационарных и мобильных сетей [30] показаны на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5. Способы повышения среднесуточной пропускной способности
Первый способ основан на том факте, что в стационарных телефонных сетях ЧНН для различных категорий пользователей не совпадает. Поэтому в этих сетях часто применяют включение в одну АТС пользователей различных категорий. При проектировании мобильных сетей деление пользователей на категории пока не производится. В настоящее время нагрузка на мобильные сети в ЧНН рассчитывается по удельной информационной нагрузке, одинаковой для всех абонентов 0,02 Эрл.
Второй способ применяется в сетях с повременной оплатой, для выравнивания коэффициента концентрации применяется второй способ – льготные тарифы. Этот принцип в основном и применяется в мобильных сетях.
Третий способ – дифференцированное обслуживание абонентов, т.е. разделение абонентов на категории, при котором некоторые обслуживаются с повышенным качеством. Первоначально этот способ примененялся в телеграфии (срочные телеграммы) и на междугородней сети (срочный вызов с 3-х кратной оплатой) при полуавтоматическом установлении соединения. В настоящее время он находит широкое применение в мобильных сетях с помощью предоставления разным пользователям различных уровней обслуживания. При этом снижается взаимное влияние пользователей разных категорий. В многоуровневом соглашении о качестве обслуживании SLA [121] за определенную ежемесячную плату установлен определенный объем услуг, а за перерасход взимается дополнительная плата.
Четвертый способ, а именно, снижение непроизводительных расходов за счет отказа от предварительного резервирования каналов, состоит в том, что можно снизить непроизводительные расходы сети за счет отказа от предварительного резервирования ресурсов. В сетях стандарта GSM, согласно спецификации МСЭ-T Q.764 [119], при передаче по сети ОКС-7 начального адресного сообщения (IAM), одновременно происходит резервирование разговорных каналов в информационной сети (ИС).
В [120] изучалось поведение сети при отсутствии предварительного резервирования информационных каналов с помощью имитационного моделирования. В случае отсутствия резервирования ресурсов, среднее время занятия информационной сети (и, следовательно, нагрузка на нее) оказывалось несколько меньше чем в случае с резервированием. Эта разница является прямым следствием отмены резервирования: информационные каналы не занимались на время установления соединения, поэтому нагрузка уменьшалась. При увеличении количества абонентов, информационная сеть начинала осуществлять ограничение нагрузки на входе. Так как, в случае с резервированием, нагрузка, поступающая на информационную сеть, оказывалась больше, то ее ограничение вступало в силу при меньшем числе абонентов, чем в случае без резервирования. При резервировании информационных каналов среднее время занятия информационной сети начинало уменьшаться (вследствие большого количества отказов), а без резервирования, это время продолжало расти, и ИС не осуществляла ограничение поступающей нагрузки на входе. Что касается случая с отсутствием резервирования каналов в информационной сети, то, так как поступающая нагрузка не ограничивалась информационной сетью, среднее время занятия управляющей сети возрастало из-за увеличивавшегося времени ожидания управляющей информации в буферах на передачу.
Пятый способ оперативного управления сетью применяется для борьбы с перегрузками, которые резко снижают пропускную способность сети. При этом применяются методы оперативного управления сетью, которые предполагают динамическое управление потоками как пользовательской, так и управляющей информации, вплоть до ограничения доступа пользователей в сеть. Именно этот способ и будет рассмотрен в данной работе, так как появление новых алгоритмов управления оборудованием позволяет реализовать его без потерь по качеству.

9. Характеристики эффективности функционирования сетей LTE в условиях нарушения управляемости

Одной из ключевых особенностей сетей LTE является способность одновременной поддержки приложений с различными требованиями качества обслуживания (QoS). Для того, чтобы обеспечить соблюдение параметров QoS для каждого из приложений, создаются различные улучшенные системы обработки пакетов – EPS [78]. Основными являются два типа EPS соединений:

• 
  соединения с гарантированной минимальной скоростью – GBR;
  
• 
  соединения с негарантированной скоростью передачи – Non-GBR.
  

Гарантированные соединения передаются с минимальной фиксированной скоростью передачи, но при наличии свободных ресурсов в сети возможна передача со скоростью большей, чем минимально установленная. При установлении соединений типа Non-GBR сеть не гарантирует даже минимальной скорости передачи данных, поэтому в случае перегрузки для этих соединений может происходить потеря пакетов данных.
На радиоучастке сети между базовой станцией eNodeB и пользовательским оборудованием UE обеспечением параметров QoS занимается сама станция eNodeB. Каждому информационному потоку приписан параметр класса обслуживания QoS - QCI. В каждом классе обслуживания QoS имеется несколько идентификаторов QCI. Каждый идентификатор QCI (см. таблицу 1.1) [45, 78] определяет значения следующих параметров QoS: приоритет, допустимая задержка и допустимое количество потерянных пакетов. Все возможные значения идентификаторов QCI, а также значения параметров QoS, относящиеся к конкретному идентификатору QCI, определены в соответствующей спецификации. Это помогает обеспечивать одинаковую обработку потоков одного типа на оборудовании различных производителей. В рамках требований классов QoS все типы услуг подразделяются на 9 типов, каждому из которых соответствует идентификатор QCI.
При передаче данных с гарантированной скоростью базовая станция eNodeB должна управлять ресурсами в динамическом режиме. Параметры классов QoS 1,2, 3 и 7 – это сервисы, предоставляемые абоненту в реальном времени по протоколу UDP/IP. Основным ограничивающим фактором при их применении является допустимая задержка в доставке пакетов. Значение допустимой задержки определяется на участке между шлюзом P-GW и пользовательским оборудованием UE.
Таблица 1.1. Параметры QoS для различных услуг, предоставляемых в сети LTE

QCI	Тип ресурса	Приоритет	Задержка (мс)	PERL	Примеры услуг
1	GBR	2	100		Телефония в режиме реального времени
2		4	150		Видеотелефония, видео в режиме реального времени
3		3	50		Игры в режиме реального времени
4		5	300		Видео с буферизацией
5	Non-GBR	1	100		Сигнализация (IMS)
6		6	300		Видео с буферизацией, TCP/IP услуги для приоритетных пользователей
7		7	100		Аудио, видео в режиме реального времени, интерактивные игры
8		8	300		Видео с буферизацией, TCP/IP услуги
9		9

Значение показателя надежности передачи пакета – скорость потери пакетов PERL оценивается только при доставке пакетов с помощью протокола TCP/IP. Поэтому при значении допустимых потерь меньше 10^-6, используется передача с подтверждением. Наибольший приоритет (1 класс) имеет наименьший параметр, к нему относится трафик по управлению сетью. Класс 9 применяется по умолчанию при доставке IP-трафика (чтение файлов из Интернета, E-mail, видео) непривилегированным пользователям [45, 78].
Таким образом, для обеспечения заданного качества обслуживания всех пользователей данной соты сети LTE, необходимо вводить пороги для определенных видов трафика. При этом сеть не должна перегружаться и не должно быть нарушения ее целостности, так как из-за потери хотя бы одного пакета часто может быть потеряно всё сообщение. Кроме того, необходимо бороться с перегрузками, возникающими из-за того, что запросы на речевые соединения бесконтрольно захватывают ресурсы сети.
Для правильного определения значений порогов необходимо ввести функцию потерь, которая будет характеризовать потери трафика при несоблюдении допустимой задержки. Например, когда канал почти свободен – пользователи имеют равные приоритеты и получают скорости, в соответствии с запросами. Однако, при возникновении перегрузок на фрагменте сети, модуль управления базовой станцией eNodeB должен вводить приоритеты для трафика.

10. Постановка задачиисследований

Проведенный выше анализ показал, что для того чтобы сеть не перегружалась и не было нарушения ее целостности необходимо вводить пороги для определенных видов трафика.
Исследование существующих методов повышения пропускной способности беспроводных участков сетей показало, что при распределении ресурсов могут быть применены адаптивные механизмы выделения ресурсов, в частности с использованием динамического управления.
Изучение принципов функционирования фрагментов сети LTE и анализ существующих методов управления в них трафиком показал, что для них наиболее применим метод дифференцированного обслуживания, основанный на выделении различных сервисных классов. Технология LTE в силу особенностей построения радиоинтерфейса является наиболее пригодной для применения методов динамического управления пропускной способностью.
С учетом изложенного задача диссертационного исследования в содержательном плане формулируется следующим образом: для заданной структуры радиоинтерфейса сети LTE и режимов ее функционирования, а также изменяющихся условий функционирования, создать алгоритмы, обеспечивающие минимальный уровень задействования ресурса фрагмента сети LTE.
Целью диссертацииявляется разработка и исследование метода, реализующего алгоритмы повышения пропускной способности радиоинтерфейса сети LTE, основанного на минимизации затрат ресурсов при анализе различных моделей предоставления услуг.
Для достижения поставленной цели в диссертации рассмотрены следующие задачи:

• 
  проведен анализ процессов предоставления различных услуг пользователям мобильных сетей четвертого поколения с целью выявления допустимых норм интенсивности обслуживания услуг;
  
• 
  проведено исследовано влияния изменения соотношения скоростей при управлении трафиком на характеристики фрагмента сети LTE;
  
• 
  построены математические модели расчета потерь при совместной передаче трафика реального времени и эластичного трафика;
  
• 
  проведено математическое моделирование процесса определения в реальном времени характеристик пропускной способности на фрагменте сети LTE, на основе которого выработаны рекомендации по управлению трафиком в реальном масштабе времени;
  
• 
  проведено имитационное моделирование фрагмента сети LTE с целью уточнения характеристик математической модели.
  

11. Выводы по первой главе

1. 
   В настоящее время наиболее популярной технологией мобильной передачи является технология LTE. Высокая степень управляемости в рамках данной технологии достигается применением новой сетевой инфраструктуры SAE, которая обеспечивает всестороннюю поддержку услуг на базе технологии IP, а также непрерывное обслуживание абонента при его перемещении между различными сетями беспроводного доступа.
   
2. 
   Проведен анализ методов повышения пропускной способности информационных сетей и существующих методов управления в них трафиком, а также рассмотрены способы управления пропускной способностью. Рассмотрены и проанализированы методы управления пропускной способностью в стационарных и мобильных сетях и на беспроводных фрагментах сети стандарта LTE с целью решения задачи разработки оптимального метода управления.
   
3. 
   Проведен анализ усложнения характера мобильного трафика в сетях LTE, в частности снижение речевой нагрузки по сравнению с объемом мультимедийных сообщений. Показано, что оно может привести к резким перекосам нагрузки, которые возникают из-за неконтролируемого захвата ресурсов при стохастическом перемещении абонентов по зонам мобильной сети.
   
4. 
   Проанализированы особенности построения радиоинтерфейса технологии LTE, на основании которых сделан вывод, что она является наиболее пригодной для применения алгоритмов динамического управления пропускной способностью беспроводного фрагмента сети LTE;
   
5. 
   Показано, что основными угрозами нарушения управляемости сети LTE являются: внешние атаки на сеть; вирусные атаки; атаки на дополнительные сервисы и т.д.
   
6. 
   Сформулирована задача диссертационного исследования, а именно: для заданной структуры сети LTE и различных режимов ее функционирования создать набор вариантов использования режимов, обеспечивающих минимальный уровень задействования ресурса сети при заданных условиях ее функционирования.
   

Глава 2