Разработка модели трафика в гетерогенных сетях связи на основе экспериментальных данных

Е.А. Спирина; С.В. Козлов; А.А. Бухарина

doi:10.18127/j00338486-202401-09

Разработка модели трафика в гетерогенных сетях связи на основе экспериментальных данных

Е.А. Спирина¹, С.В. Козлов², А.А. Бухарина³

научная статья УДК 621.396.49 Страницы: 92-110 doi.org/10.18127/j00338486-202401-09

^1,2,3 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)

Ключевые слова: Гетерогенные сети связи генерация трафика интернет трафик голосовой трафик видео трафик математическое моделирование

Аннотация

Постановка проблемы. На сегодняшний день практически все сети связи являются гетерогенными, т.е. обеспечивают передачу данных между различными типами абонентских устройств с использованием подсетей, работающих в различных стандартах. Для получения корректных оценок нагрузки и пропускной способности необходимо проводить моделирование таких сетей с трафиком, близким к реальному, что обуславливает актуальность разработки модели трафика в гетерогенных сетях связи на основе экспериментальных данных.

Цель. Разработать модель трафика в гетерогенных сетях, позволяющую генерировать трафик с параметрами, близкими к реальному.

Результаты. Проведены экспериментальное исследование реального трафика в гетерогенной сети оператора связи «Новые технологии XXI века» и анализ основных моделей для генерации трафика в беспроводных сетях связи. Обоснован выбор математических моделей в виде одного и четырех прерванных пуассоновских процессов, а также прерванного детерминированного процесса и двух прерванных процессов обновления для генерации трафика в гетерогенных сетях связи и определены необходимые для их применения параметры. На основе полученных экспериментальных данных выполнена классификация абонентов в зависимости от типов абонентских устройств, используемых ими видов трафика, а также объема передаваемых ими данных. Сформирован перечень основных классов абонентов с указанием применяемых для генерации их трафика моделей и определены параметры этих моделей. Разработана математическая модель трафика в гетерогенных сетях связи. Представлены результаты моделирования передачи реального и сгенерированного согласно разработанной модели трафиков по гетерогенной сети связи, подтвердившие ее корректность.

Практическая значимость. Разработанная модель трафика в гетерогенных сетях связи позволяет получать корректные оценки основных характеристик этих сетей методом математического моделирования.

Поступила: 30.11.2023
Одобрена: 06.12.2023
Принята: 26.12.2023

Для цитирования

Спирина Е.А., Козлов С.В., Бухарина А.А. Разработка модели трафика в гетерогенных сетях связи на основе экспериментальных данных // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 1. С. 92−110. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202401-09

Список источников

Межуев А. М., Коренной А. В., Стуров Д. Л., Родионов Д. В. Оценка эффективности информационного обмена в цифровых сетях связи наземно-воздушного базирования: алгоритмическое и программное обеспечение // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 9. С. 138-148. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202309-12.
Hasanov M.H., Mammadov F.H., Taghiyev A.D., Gurbanova G.H. Assessment of quality of service characteristics of similar traffic in gsm standard mobile telecommunication networks // T-Comm. 2023. V. 17. № 6. P. 48-53.
Макаров И.В. Оценка пропускной способности системы связи беспилотного летательного аппарата для решения задач управления // Радиотехника. 2013. Т. 77. № 4. С. 40-45.
Buzhin I.G., Antonova V.M., Gaifutdinov E.A., Mironov Yu.B. Methodology for a comprehensive assessment of the telecommunication services qualityof transport networks using SDN/NFV technologies // T-Comm. 2022. V. 16. № 12. P. 40-45.
Kozlov S., Spirina E., Ashaev I., Bukharina A., Gaysin A. Novel Modification of the Collective Dynamic Routing Method for Sensors’ Communication in Wi-Fi Public Networks // Sensors. 2022. № 22. Р. 8602. https://doi.org/10.3390/s22228602.
Спирина Е.А., Козлов С.В. Метод маршрутизации, обеспечивающий повышение пропускной способности IP сетей в условиях внутрисистемных помех // Журнал радиоэлектроники. 2015. № 12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec15/3/text.pdf.
Алферов А. Г., Власов Ю.Б., Толстых И.О., Толстых Н.Н., Челядинов Ю.В. Формализованное представление эволюционирующего информационного конфликта в телекоммуникационной системе // Радиотехника. 2012. № 8. С. 27-33.
Лернер И.М., Хайруллин А.Н. Теория разрешающего времени в области систем широкополосного доступа. Алгоритм оценки джиттера, обусловленного передачей данных, и пропускной способности с полиномиальным временем исполнения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2023. Т. 17. № 5. С. 48-57.
Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Ч. 1. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при скоростях передачи информации выше скорости Найквиста // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 1. С. 37-50. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202301-02.
Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Ч. 2. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при наличии межсимвольных искажений // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 2. С. 16–33. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202302-02.
Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В., Хайруллин А.Н. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Ч. 3. Ретроспективный обзор методов оценки пропускной способности частотно-селективных каналов связи при наличии при наличии межсимвольных искажений и использовании ФМн-n и АФМн-N-сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 24–33. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202303-02.
Лернер И.М., Файзулин Р.Р. Рябов И.В. Оптимизированный алгоритм оценки пропускной способности каналов связи, функционирующих на базе теории разрешающего времени // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 4. С. 91-109. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202204-13.
Лебедев И.С., Сикарев И.А., Сухопаров М.Е., Рзаев Б.Т. Повышение качества анализа состояния безопасности телекоммуникационной системы при сегментации сетевого трафика // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Т. 16. № 9. С. 28-32.
Канаев А.К., Лукичев М.М., Лукичева В.Л. Методика формирования эквивалентного мультисервисного узла технологической сети связи в среде имитационного моделирования, учитывающая все параметры качества обслуживания в установившемся режиме // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 12. С. 13-23.
Гамукин В.В. Моделирование комплексного сервиса для обеспечения работы образовательной организации: взгляд экспертов // Информатика и образование. 2023. Т. 38. № 3. С. 42-53.
Шелухин О.И., Осин А.В. Влияние самоподобности трафика на оптимизацию параметров телекоммуникационных сетей // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-samopodobnosti-trafika-na-optimizatsiyu-parametrov-telekommunikatsionnyh-setey (дата обращения: 24.11.2023).
Baugh C.R. 4IPP Traffic Model for IEEE 802.16.3, IEEE 802.16 URL: http://www.ieee802.org/16/tg3/contrib/802163c-00_51.pdf. (дата обращения: 24.11.2023).
Trang Dinh Dang, Balázs Sonkoly, Sándor Molnár. Fractal Analysis and Modeling of VoIP Traffic // Proceedings of 11th International Telecommunications Network Strategy and Planning Symposium. 2004. Р. 217-222.
Halgamuge S., Wang L. Computational Intelligence for Modelling and Prediction. Springer Science & Business Media. 2005. 414 p.
Анисимов А.В., Андреев C.Д., Тюрликов А.М. Моделирование входного трафика в беспроводной сети связи // Сб. статей «Вопросы передачи и защиты информации». СПб: СПбГУАП. 2011. C. 275-290.
Murizah Kassim, Mahamod Ismail, Mat Ikram Yusof. Statistical Analysis and Modeling of Internet Traffic IP-based Network for Teletraffic Engineering // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015. V. 10. Is. 3. Р. 1505-1512.
Popoola J., Ipinyomi R. A. Empirical Performance of Weibull Self-Similar Teletraffic Model // International Journal of Engineering and Aplied Sciences (IJEAS). 2017. V. 4. Is. 8. Р. 77-79.
Jinhuan Zhang, Anfeng Liu, Peng Hu, Jun Long. A fuzzy-rule-based packet reproduction routing for sensor networks // International Journal of Distributed Sensor Networks. 2018. V. 14. Is. 4. Р. 1-18.
Гребенщикова А.А., Елагин В.С. Моделирование трафика данных для оценки слайсинга в умной системе 5G на восходящей линии связи // Информационные технологии и телекоммуникации. 2020. Т. 8. № 2. С. 44–54.
Колесников А.В., Иванов И.П., Басараб М.А. Нелинейно-динамические модели сетевого трафика // Нелинейный мир. 2014. Т. 12. № 4. С. 44-56.
El Helou M., Lahoud S., Ibrahim M., Khawam K. A Hybrid Approach for Radio Access Technology Selection in Heterogeneous Wireless Networks // European Wireless 2013. 19th European Wireless Conference. Guildford, UK. 2013. Р. 1-6.
Internet Traffic Archive. URL: http://ita.ee.lbl.gov.
Xu W., et al., Exploiting Hotspot-2.0 for Traffic Offloading in Mobile Networks // IEEE Network. September/October 2018. V. 32. № 5. Р. 131-137. DOI: 10.1109/MNET.2017.1700058.
3GPP2 Contribution C.R1002-0, CDMA2000 Evaluation Methodology, December 2004. URL: https://web.archi-ve.org/web/20061014014956/http://www.3gpp2.org/Public_html/specs/C.R1002-0_v1.0_041221.pdf (дата обращения: 24.11.2023).
Baugh C., Huang J. Traffic model for 802.16 TG3 MAC/PHY simulations // IEEE 802.16 Contribution 802.16.3c-01/30r1. March 2001. URL: https://web.archive.org/web/20100911214705/http://www.wirelessman.org/tg3/contrib/802163c-01_30r1.pdf (дата обращения: 24.11.2023).
Широков В.Л. Модели оценки производительности многофункциональных систем обмена трафиком на примере беспроводных сетей доступа Wi-Fi, Wireless MAN и WiMAX // Электронный журнал «Вычислительные сети. Теория и практика». М.: BC/NW. № 2(5). 2004. Раздел 6, статья 1. URL: https://network-journal.mpei.ac.ru/cgi-bin/main.pl?ar=1&l=ru&n=5&pa=6.
Козлов С.В., Спирина Е.А. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2018617214. Программный комплекс OFDM Planning. Заявка №2018612208; Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 21.06.2018.

[1] Межуев А. М., Коренной А. В., Стуров Д. Л., Родионов Д. В. Оценка эффективности информационного обмена в цифровых сетях связи наземно-воздушного базирования: алгоритмическое и программное обеспечение // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 9. С. 138-148. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202309-12.

[2] Hasanov M.H., Mammadov F.H., Taghiyev A.D., Gurbanova G.H. Assessment of quality of service characteristics of similar traffic in gsm standard mobile telecommunication networks // T-Comm. 2023. V. 17. № 6. P. 48-53.

[3] Макаров И.В. Оценка пропускной способности системы связи беспилотного летательного аппарата для решения задач управления // Радиотехника. 2013. Т. 77. № 4. С. 40-45.

[4] Buzhin I.G., Antonova V.M., Gaifutdinov E.A., Mironov Yu.B. Methodology for a comprehensive assessment of the telecommunication services qualityof transport networks using SDN/NFV technologies // T-Comm. 2022. V. 16. № 12. P. 40-45.

[5] Kozlov S., Spirina E., Ashaev I., Bukharina A., Gaysin A. Novel Modification of the Collective Dynamic Routing Method for Sensors’ Communication in Wi-Fi Public Networks // Sensors. 2022. № 22. Р. 8602. https://doi.org/10.3390/s22228602.

[6] Спирина Е.А., Козлов С.В. Метод маршрутизации, обеспечивающий повышение пропускной способности IP сетей в условиях внутрисистемных помех // Журнал радиоэлектроники. 2015. № 12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec15/3/text.pdf.

[7] Алферов А. Г., Власов Ю.Б., Толстых И.О., Толстых Н.Н., Челядинов Ю.В. Формализованное представление эволюционирующего информационного конфликта в телекоммуникационной системе // Радиотехника. 2012. № 8. С. 27-33.

[8] Лернер И.М., Хайруллин А.Н. Теория разрешающего времени в области систем широкополосного доступа. Алгоритм оценки джиттера, обусловленного передачей данных, и пропускной способности с полиномиальным временем исполнения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2023. Т. 17. № 5. С. 48-57.

[9] Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Ч. 1. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при скоростях передачи информации выше скорости Найквиста // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 1. С. 37-50. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202301-02.

[10] Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Ч. 2. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при наличии межсимвольных искажений // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 2. С. 16–33. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202302-02.

[11] Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В., Хайруллин А.Н. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Ч. 3. Ретроспективный обзор методов оценки пропускной способности частотно-селективных каналов связи при наличии при наличии межсимвольных искажений и использовании ФМн-n и АФМн-N-сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 24–33. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202303-02.

[12] Лернер И.М., Файзулин Р.Р. Рябов И.В. Оптимизированный алгоритм оценки пропускной способности каналов связи, функционирующих на базе теории разрешающего времени // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 4. С. 91-109. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202204-13.

[13] Лебедев И.С., Сикарев И.А., Сухопаров М.Е., Рзаев Б.Т. Повышение качества анализа состояния безопасности телекоммуникационной системы при сегментации сетевого трафика // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Т. 16. № 9. С. 28-32.

[14] Канаев А.К., Лукичев М.М., Лукичева В.Л. Методика формирования эквивалентного мультисервисного узла технологической сети связи в среде имитационного моделирования, учитывающая все параметры качества обслуживания в установившемся режиме // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 12. С. 13-23.

[15] Гамукин В.В. Моделирование комплексного сервиса для обеспечения работы образовательной организации: взгляд экспертов // Информатика и образование. 2023. Т. 38. № 3. С. 42-53.

[16] Шелухин О.И., Осин А.В. Влияние самоподобности трафика на оптимизацию параметров телекоммуникационных сетей // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2007. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-samopodobnosti-trafika-na-optimizatsiyu-parametrov-telekommunikatsionnyh-setey (дата обращения: 24.11.2023).

[17] Baugh C.R. 4IPP Traffic Model for IEEE 802.16.3, IEEE 802.16 URL: http://www.ieee802.org/16/tg3/contrib/802163c-00_51.pdf. (дата обращения: 24.11.2023).

[18] Trang Dinh Dang, Balázs Sonkoly, Sándor Molnár. Fractal Analysis and Modeling of VoIP Traffic // Proceedings of 11th International Telecommunications Network Strategy and Planning Symposium. 2004. Р. 217-222.

[19] Halgamuge S., Wang L. Computational Intelligence for Modelling and Prediction. Springer Science & Business Media. 2005. 414 p.

[20] Анисимов А.В., Андреев C.Д., Тюрликов А.М. Моделирование входного трафика в беспроводной сети связи // Сб. статей «Вопросы передачи и защиты информации». СПб: СПбГУАП. 2011. C. 275-290.

[21] Murizah Kassim, Mahamod Ismail, Mat Ikram Yusof. Statistical Analysis and Modeling of Internet Traffic IP-based Network for Teletraffic Engineering // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015. V. 10. Is. 3. Р. 1505-1512.

[22] Popoola J., Ipinyomi R. A. Empirical Performance of Weibull Self-Similar Teletraffic Model // International Journal of Engineering and Aplied Sciences (IJEAS). 2017. V. 4. Is. 8. Р. 77-79.

[23] Jinhuan Zhang, Anfeng Liu, Peng Hu, Jun Long. A fuzzy-rule-based packet reproduction routing for sensor networks // International Journal of Distributed Sensor Networks. 2018. V. 14. Is. 4. Р. 1-18.

[24] Гребенщикова А.А., Елагин В.С. Моделирование трафика данных для оценки слайсинга в умной системе 5G на восходящей линии связи // Информационные технологии и телекоммуникации. 2020. Т. 8. № 2. С. 44–54.

[25] Колесников А.В., Иванов И.П., Басараб М.А. Нелинейно-динамические модели сетевого трафика // Нелинейный мир. 2014. Т. 12. № 4. С. 44-56.

[26] El Helou M., Lahoud S., Ibrahim M., Khawam K. A Hybrid Approach for Radio Access Technology Selection in Heterogeneous Wireless Networks // European Wireless 2013. 19th European Wireless Conference. Guildford, UK. 2013. Р. 1-6.

[27] Internet Traffic Archive. URL: http://ita.ee.lbl.gov.

[28] Xu W., et al., Exploiting Hotspot-2.0 for Traffic Offloading in Mobile Networks // IEEE Network. September/October 2018. V. 32. № 5. Р. 131-137. DOI: 10.1109/MNET.2017.1700058.

[29] 3GPP2 Contribution C.R1002-0, CDMA2000 Evaluation Methodology, December 2004. URL: https://web.archi-ve.org/web/20061014014956/http://www.3gpp2.org/Public_html/specs/C.R1002-0_v1.0_041221.pdf (дата обращения: 24.11.2023).

[30] Baugh C., Huang J. Traffic model for 802.16 TG3 MAC/PHY simulations // IEEE 802.16 Contribution 802.16.3c-01/30r1. March 2001. URL: https://web.archive.org/web/20100911214705/http://www.wirelessman.org/tg3/contrib/802163c-01_30r1.pdf (дата обращения: 24.11.2023).

[31] Широков В.Л. Модели оценки производительности многофункциональных систем обмена трафиком на примере беспроводных сетей доступа Wi-Fi, Wireless MAN и WiMAX // Электронный журнал «Вычислительные сети. Теория и практика». М.: BC/NW. № 2(5). 2004. Раздел 6, статья 1. URL: https://network-journal.mpei.ac.ru/cgi-bin/main.pl?ar=1&l=ru&n=5&pa=6.

[32] Козлов С.В., Спирина Е.А. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2018617214. Программный комплекс OFDM Planning. Заявка №2018612208; Зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 21.06.2018.