ATM_taikymas_mobilios_infrastruktur_tinklams_referatas

KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS
TELEKOMUNIKACIJŲ KATEDRA

“ATM taikymas mobilios infrastruktūros tinklams”

REFERATAS

KAUNAS, 2006

Santrauka

Smarkiai išaugus mobilaus ryšio vartotojų skaičiui ir esant kaip niekada didelei mobilios multimedijos paslaugų paklausai, autoriai siūlo ATM technologijos įvadą ateinančios kartos mobiliai tinklų infrastruktūrai, kad būtų galima efektyviai valdyti didžiulius informacijos srautus ir vystyti daugiaterpių sistemų ryšius. Pirmiausia, šis straipsnis paaiškina specifinius reikalavimus ir privalumus taikant ATM mobilios infrastruktūros tinklams. Tačiau tai yra rizikinga tinklų operatoriams pakeisti bendrai priimtą STM’u pagrįstą infrastruktūrą į ATM. Dėl to šis straipsnis parodys sklandų STM pakeitimą moobilioje tinklo infrastruktūroje į ATM evoliucijos kelią. Panašu, kad ateities mobiliuose tinkluose pagrindiniais ryšiais išliks balso perdavimas, kurio duomenų perdavimo greitis yra per mažas efektyviam radijo dažnių juostos panaudojimui. ATM taikymas tokiems labai mažo perdavimo greičio balsą perduodamiems srautams yra neefektyvus dėl vėlinimo užpildant ATM celes kita informacija; toks vėlinimas mažina aptarnavimo kokybę. Ši problema gali būti išspręsta naudojant kelių lygių celės struktūrą mobiliuose ATM tinkluose. Ši celės struktūra leidžia efektyvų balso informacijos perdavimą rikiuojant signalus nuo mažos perdavimo spartos signalų ikki aukštos multimedijos perdavimo spartos su mažu vėlinimu. Ši celės struktūra yra standartizuota ITU-T ir ATM forumo. Perdavimo efektyvumas čia įvertinamas modeliuojant.

Mobilūs ryšiai įsiskverbė į mūsų kasdieninį gyvenimą taip giliai, jog jau nieko nebestebina asmuo, kalbantis mobiliu telefonu viešumoje. Pavyzdžiui, Japonijoje 19

998 metais mobilaus ryšio vartotojų skaičius išaugo dvigubai – iki 33 milionų.

Bendrų paslaugų augimas ir brendimas mobilaus ryšio tinkle buvo skatinamas patogių ir gerai funkcionuojančių mobilios multimedijos aptarnavimo paklausos. Ši paklausa reikalauja trečios kartos mobilios infrastruktūros tinklo, kuris duotų reikalingą perdavimo spartą.

Kol kas studijos sukoncentruotos į trečios kartos mobilios infrastruktūros tinklą, vadinamą International Mobille Telecommunications 2000 (IMT-2000), kuris tieks multimedijos paslaugas, duosiančias įvairiapusį perdavimą. Papildant tai, prasidėjo ir ketvirtos kartos tinklų pagrindinis tyrimas; tokia sistema leis ypač didelius informacijos perdavimo greičius, ją galima lyginti su plačiajuosčiu integruotų paslaugų skaitmeniniu tinklu (broadband integrated services digital network – B-ISDN)

Asinchroninis perdavimo būdas (ATM) gali efektyviai perduoti nevienalytę ( įvairiapusišką – balsą, televiziją) informaciją fiksuotame tinkle. Autoriai siūlo taikyti ATM technologiją mobiliai tinklo infrastruktūrai efektyviam ne tik multimedijos, bet ir balso peerdavimui. Nuo 1995 metų aktyviai diskutuojama ITU-T studijų grupėje Group-13 apie naują ATM celės struktūrą, kuri galėtų pernešti balsą su mažu vėlinimu. Autoriai nagrinėjamą struktūrą vadina “sluoksniuota”cele. Buvo plačiai pripažinta standartizavimo diskusijų metu, jog vienas iš daugelio programų sluoksniuotai celei yra IMT-2000 tinklai.

Atitinkamai autorių straipsnis aiškina specifinius reikalavimus ATM taikymui mobilios infrastruktūros tinklams ir kaip tai padaryti.

Pirmiausia yra aptariamos mobilios balso ir multimedijos srautai ir “wideband code division multiple access” (W-CDMA) techninės charakteristikos, kad paaiškinti ATM taikymo mobilios infrastruktūros tinklams privalumus. Po
o to siūlomas yra evoliucijos kelias nuo STM iki ATM grįstos tinklų infrastruktūros. Tame siūlyme evoliucija vaizduojama nuosekliai etapais, kad pristatyti ATM.

Tačiau ATM taikymas labai mažos perdavimo spartos garso srautams mobilaus ryšio tinkle srautams yra neefektyvus dėl vėlinimo užpldant ATM celes kita informacija; toks velinimas mažina paslaugų kokybę.Kad išspręsti šią problemą autoriai suprojektavo sluoksniuotą ATM celės struktūrą, kuri sutankina (multipleksuoja) mažo tankio balso duomenų srautus į ATM celę, tuo būdu sumažinant paketizavimo vėlinimą.

Perdavimo efektyvumas mažo tankio duomenų srautams naudojant sluoksniuotą ATM celę yra taip pat parodomas modeliuojant.

ATM taikymo mobiliems tinklams reikalavimai.

Derinimas su mobiliais multimedijos ryšiais

Kaip parodyta pirmame paveiksle, mobilūs multimedijos ryšiai turi keletą charakteristikų:
• Platus duomenų perdavimo greičių spektras, nuo balso iki multimedijos perdavimo.
• Kintančio duomenų tankio srautai (ir balso, ir video duomenys).
• Asimetrinis ryšys (mainai), toks kaip priėjimas prie www per Internetą, video informacijos užklausimas ir panašiai. Ryšys nuo vartotojų iki paslaugų tiekėjų santykinai yra mažas, lyginant su ryšiu nuo paslaugų tiekėjo iki vartotojo, kuris reikalauja didelės duomenų perdavimo spartos.
• serverio – klientinė ryšio architektūra, tokia kaip televizijos transliavimo paslauga.

Kitos kartos mobiliose tinkluose reikalinga, kad duomenų srautai su aukščiau išvardintomis charakteristikomis būtų valdomi kuo efektyviau. Paketų perdavimu grįstas mechanizmas labiau atitiktų nei STM-u grįstas atitiktų šį reikalavimą. Tačiau ATM tiktų labiausiai atsižvelgiant į minėtas charakteristikas.

Derinimas su te

elefoninio ryšio (balso) mainais

Kad padidinti mobiliųjų terminalų baterijos gyvavimo laiką, buvo sukurtas VOX – voice-operated transmission.Balsas oro erdve buvo perduodamas tik tada, kai pašnekovai kalbėdavo, ne tylėdavo. Kada VOX technologija buvo pritaikyta balso signalams perduoti tarp bazinės stoties ir paskirstymo stoties, statistinis duomenų sutankinimas tapo palankus ATM’ui.

Derinimas su W-CDMA

Vienas iš kandidatų radijo signalų perdavime kitos kartos mobiliose sistemos yra W-CDMA – ir “wideband code division multiple access”, kuris siūlo didelę gebą ir lankstumą perduodant duomenis radijo bangomis. Čia perdavimų technikos “diversity handover” (perdavimų technikos?) įvairumas daro geresnę kokybę, kai terminalai turi tą pačią perdavimo galią, ir tai naudojama perdavimo galios sumažinimui, kad palaikyti paslaugų kokybę. 3 paveikslas rodo technikos “diversity handover” mechanizmą. Signalai iš mobilių terminalų yra priimami vienu metu keletos bazinių stočių. Signalas su geriausia kokybe yra išrenkamas pagal DHT – “diversity handover trunk” ir talpinamas į bazinės stoties kontrolerį. Signalo išrinkimas vyksta freimas po freimo. “Diversity handover” periodas turi būti nustatytas kaip kompromisas tarp radijo resursų efektyvumo ir efektyvumo per perdavimo linijas.

Mobilų ATM tinklų evoliucija

Mobilaus aptarnavimo evoliucija

Keturios mobilaus tinklo aptarnavimo vystimosi fazės parodytos 4 paveiksle.

Antros kartos (2G – second generation) sistema yra tipiška visuotinai priimta skaitmeninė mobili sistema, kurioje tiekiamos tik balso, “modem” ir faksimilės paslaugos kanalų komutavimo tinkluose.

Interneto ryšys kompiuterių tinkluose reikalauja pakankamo susiryšimo ta

arp mobilių tinklų ir Interneto. Šis poreikis yra sutinkamas 2+G sistemoje, dabartinė skaitmeninė sistema, leidžianti tiekti mažos spartos paketų komutavimo paslaugas, per kurias Interneto pasiekimas iš mobilių terminalų yra pasiekiamas.

Tačiau poreikis numatyti patogesnį priėjimą prie Interneto ir kitų multimedijos šaltinių auga pagal Interneto ryšio augimą. Trečios kartos sistema (3G) tieks vidutinės spartos (apie 2 Mb/s) multimedijos paslaugas sutinkant su N-ISDN aptarnavimu.

Be to, didesnės spartos paslaugos bus reikalaujamos iš mobilių tinklų video informacijos paskirstymui ir duomenų bazėms. Ketvirtos kartos (4G) sistema leis tiekti aukštos spartos paslaugas sutinkant su B-ISDN aptarnavimu. Šioje fazėje mobilūs terminalai valdys ATM’u grįstą ryšį, o mobilūs tinklai bus reikalingi susijungimui su B-ISDN.

ATM technologijos įtraukimas į mobilius tinklus

Kad tiekti aptarnavimą, reikalingą kiekvienai fazei, ATM technologija mobiliems tinklams, kuriems ATM perdavimas yra reikalingas, laipsniškai čia bus pateikta. 5 paveikslas rodo ATM’o įtraukimą į mobilius tinklus, kurie sutinka su paslaugų evoliucijos fazėmis.

1-a fazė – pirmoje fazėje, visi tinklai yra organizuoti kaip kanalų komutavimo tinklų (tokie kaip STM) technologija, nes visos paslaugos yra grįstos kanalų komutavimo (“circuit-switched”) ryšiais tokiais kaip balso, modemo (?) ir fakso aptarnavimu.

2A-a ir 2B fazės – Čia yra dvi dalys, kur ATM gali būti pirmiausia įtrauktos į mobilios infrastruktūros tinklus. Jų įtraukimo tvarka priklauso nuo vartotojų ir tinklo operatorių poreikių.

Interneto ryšys yra įtrauktas fiksuotame tinklo ir kompiuterių ryšyje. Vartotojai nori pasiekti Internetą iš nešiojamus kompiuterius per mobilius tinklus, dėl to 2A fazėje paketų komutavimo paslaugos tiekiamos parodytu mechanizmu.

Vartotojo informacija, kuri yra TCP/IP pakete, yra pateikiama iš mobilaus terminalo. Jis verčiamas į radijo freimo struktūrą. Kur yra pridedama informacija apie klaidų korekciją. Tik tada informacija yra siunčiama iš mobilaus terminalo į mobilų tinklą per oro erdvę. Kai kuris klaidų aptikimas ir taisymas yra atliekamas bazinėje stotyje ir, jei reikalinga, pažeistas freimas yra persiunčiamas iš terminalo. Normalūs radijo freimai yra persiunčiami į paketų valdymo modulį (PHM – packet handling module) mobiliame paskirstymo centre, kur vartotojo informacija yra ištraukiama iš radijo paketų, kuri vėl TCP/IP protokolu siunčiama į Internetą.

Mobilių tinklų perėjimo tinklai turi privalėti efektyviai persiųsti vartotojo informaciją. Tuo būdu ATM’u grįstas perdavimas yra įtraukiamas, kad perduoti vartotojo informaciją iš ) mobilaus paskirstymo centro į Internetą.

2B fazėje yra reikalingos vidutinės spartos ryšio paslaugos su greičiu iki 2 Mb/s (sutinkant su N-ISDN). Nuo tada visuotinai priimti radijo bangomis pasiekiamu tinklu mechanizmai (TDMA-time division multiple access, arba siaurajuostis CDMA) nepasiūlo didelės spartos ryšio – reikalingi nauji perdavimo mechanizmai. Vienas toks naujas žadamas mechanizmas yra W-CDMA, kuris yra vienas iš labiausiai siūlomų kandidatų į IMT-2000 radijo ryšio mechanizmą.

W-CDMA mechanizme yra naudojama “diversity handover” technika aptarnavimo kokybės ir ryšio talpos didinimui. Kad “diversity handover” technika būtų efektyvi kiek tai įmanoma, reikalinga taikytai ATM’u pagrįstą duomenų perdavimą iš bazinės į centrinę stotį.

Bazinės stoties kontroleryje geriausios kokybės radijo freimas yra parenkamas DHT, ir aukštos kokybės balso signalas yra užkoduojamas mikro arba A sistema grįsta pulsine kodavimo moduliacija (PCM – pulse code modulation). Tokio pavidalo informacija yra siunčiama į N-ISDN ar PSTN (public

switched telefone network) per perėjimo tinklus.STM’u grįstas perdavimas yra produktyvus per mikro- ar A sistemos PCMsignalus, nes šie signalai turi fiksuoto duomenų perdavimo greičio charakteristiką, ir ryšys su N-ISDN ar PSTN yra grįstas STM’u. Dėl to STM’u grįstas perėjimo tinklas yra reikalingas 2B fazėje.

3-ia fazė – Trečioje fazėje, sutinkant su B-ISDN, vartotojai bus aptarnaujami kelių šimtų megabitų per sekundę greičiu. Mobiliems terminalams tada reikės siųsti informaciją ATM celių pavidalu tiesiai iš jų. Toks tinklo pasiekimas iš mobilių terminalų į mobilius paskirstymo centrus (MSC) įtrauks ATM’u grįstą perdavimo mechanizmą.

Kad perduoti tokios aukštos spartos vartotojo informaciją. Perėjimo tinklai taip pat turės būti didelės talpos ir greičio. Dėl to tokiu būdu bus perduodama ne tik multimedija, tačiau ir mažo tankumo duomenys, tokie kaip balsas, ir čia ATM’as pakeičia STM’ą.

Viso to rezultatas bus tas, kad bet kokios spartos duomenys bus perduodami efektyviai.

4-ta fazė – Po ATM’u grįstu mobilaus tinklo (ketvirta fazė) nustatymo, funkciniai elementai (FE), tokie kaip bazinės stotys, paskirstymo stotys, sąsajos įrenginiai (gateway) su kitais tinklais, transkoderiai, DHT, PHM, vietos nustatymo registrai (location registers), aptarnavimo kontrolės taškai (SCP – service control point), ir informaciją apdorojantys įrenginiai turės būti prijungti prie pagrindinio ATM tinklo (backbone). Jie gali būti prijungti be didelių sunkumų, nes išvardinti įrenginiai susisieks per didelių greičių ATM grandines be vėlinimo.

Kad tiekti paslaugas, pagrindinis tinklas privalės turėti bendrą signalizacijos sistemą kontroliuoti funkciniams elementams iš SCP.

Be to, pagrindinis tinklas padidins mobilaus tinklo patikimumą. Visuotinai priimtuose tinkluose funkciniai elementai yra sujungti fizinėmis grandinėmis, dėl to jei funkcinis elementas sugenda, visos paslaugos, susijusios su tuo elementu, yra nutraukiamos. Kad to išvengti, FE yra sujungiami su perteklium naudojant papildomas linijas, tačiau toks dubliavimas per daug padidina tinklo kainą. Pagrindiniame ATM tinkle FE yra sujungiami loginėmis grandinėmis, todėl įrenginiui “nulūžta”, visada yra galimybė perduoti jo funkcijas kitam įrenginiui. Tai daro tinklą patikimu be papildomų išlaidų.

Ši fazė parodo ATM įtraukimo į mobilius tinklus užbaigimą.

ATM taikymo mobiliems tinklams techniniai straipsniai

“Sluoksniuotos” celės darbas

ATM’as gali efektyviai transportuoti įvairialytčius duomenų srautus, tokius kaip multimedija, fiksuotame tinkle. Tačiau jį taikant tokiems labai mažo perdavimo greičio balsą perduodamiems srautams yra neefektyvus dėl vėlinimo užpldant ATM celes kita informacija, toks velinimas mažina aptarnavimo kokybę. 2B ir vėlesnės fazės privalo išspręsti šią problemą, nes balso informacijos mainai bus pagrindinis duomenų srautų tipas netgi ir ateities ryšiuose.

Vieną kaip iš galimų sprendimų autoriai siūlo “sluoksniuotą” celės struktūrą, kuri sutankina keletą mažo tankio duomenų srautus į vieną ATM celę, taip sumažinant paketizavimo vėlinimą.

Ši kelių lygių celės struktūra buvo standartizuota ITU-T SG13 grupės kaip ATM adaptacijos lygio tipas (AAL2 – adaptation layer type 2). 6 paveikslas parodo AAL2 struktūrą.

Ši sluoksniuota celė yra naudojama skirtingų kreipinių į tą pačią paskirties vietą balso signalų paskyrimui tuo pačiu ATM standartu naudojant statistinį sutankinimą. Kiekvienas balso signalas yra priskiriamas trumpai celei. Trumpa celės antraštė ( trijų baitų ilgio) yra prijungiama prie tos trumpos celės. Ši celė nurodoma kaip CSP – common part sublayer paketas, o antraštė – kaip CSP paketo antraštė (CSP-PH). Kanalo identifikatorius (CID – channel idetifier) yra įtraukiamas į CSP-PH kad identifikuoti CSP paketo kilmę ir paskirties vietą. CSP paketo ilgis turėtų būti kintantis, nes siunčiama mažo tankio informacija yra paketizuojamas kuo efektyviau. Ilgio indikatorius (LI – length indicator) yra taip pat įtraukiamas į CSP-PH, kad parodyti celės ilgį. Taip pat yra rezervuojama vartotojo – vartotojui informacija (UUI – user to user information), kuri naudojama aukštesniuose lygmenyse. Antraštės klaidų kontrolė (HEC – header error control) leidžia atrasti ir ištaisyti CSP-PH klaidas.

Siuntėjo pusėje šie CSP paketai yra priskiriami standartinėms ATM celėms ir nešamos į bendrą paskirties vietą. ATM celė tuo būdu turi kelių lygių struktūrą. Kada vienas ATM krūvis (payload) neturi pakankamai vietos, kad sutankinti CSP paketą, CSP paketas padalinamas į dvi dalis ir iš dalies perdengiamos dviejode ATM celėse.

Gavėjo pusėje demultipleksavimo metodasd, kuris gali surasti CSP paketo ribą tiksliai netgi tada, kai atsiranda ATM celės praradimai. Todėl CSP-PH nustatymui kiekviename ATM celės krūvyje vienas baito ilgio pradžios laukas (STF – start field) yra patalpinamas ATM celėje. Poslinkio laukas (OSF – offset field) nurodo CSP-PH poziciją kiekvienoje ATM celėje. Sekos numeris (SN – sequence number) yra naudojamas prarastų ATM celių radimui. Lygiškumo tikrinimu (P – check) randama vieno bito klaida STF baite.

AAL2 perdavimo efektyvumo įvertinimas

AAL2 perdavimo efektyvumas buvo įvertintas kompiuteriniu imitavimu. 7 paveikslas rodo imitacinį modelį. Šiame imitavime kaip mažo dažnio kodą autoriai įvertino PSI-CELP, kuris turi 4 kb/s spartą ir neseniai buvo numatytas kaip pusės spartos koderio PDC sistemoje Japonijoje.

Kintantis mažos spartos balso signalas buvo generuojamas keletos generatorių, kurie gali būti skirstomi į keturias grupes. Kiekvienas generatorius toje pačioije grupėje generuoja balso signalus vienu metu. Kiekviename grupės generatoriuje balso signalai, kurie buvo paketizuojami į mažas celes, buvo generuojami 40 milisekundžių intervalu. Intervalas tarp kiekvienos grupės generuojamų signalų buvo 10 milisekundžių. Kiekviename generatoriuje 4 kb/s balso signalai buvo generuojami su 50 procentų tikimybe, o ne balso signalai buvo generuojami tylos metu su likusia 50 procentų tikimybe. Kiekvienas balso signalas buvo išsiųstas į sutankinimo buferį. Trumpos celės buvo pirmos įeinančios ir pirmos įšeinančios iš buferio. Šis sutankinantis buferis gali dirbti trim būdais:
• Kada trumpos celės ateina, nustatomas taimeris; jei jis pasiekia maksimalų numatytą laiką T1. Trumpa celė buvo prarasta.
• Trumpų celių ilgis yra pirmiausiai išmatuojamas, tik tada buferis siunčia trumpų celių aibę, kurių bendras ilgis yra lygus arba trumpesnis 48 baitams sluoksniuotos celės paketizaimo dalyje.
• Sluoksniuotos celės periodiškai siunčiamos į perdavimo liniją.

Autorių imitavime maksimalus trumpos celės laukimo laikas buferyje buvo nustatytas 4 ms, o celių praradimų dažnis mažesnis nei 10-3 kad nesumažinti pokalbio kokybės.

Autoriai matavo generatorių skaičių, kurie tame imitavime atitiko maksimalų valdomų kanalų skaičių užimčiausiu metu. Perdavimo linijos greitis buvo nustatytas nuo 64 kb/s iki 1.5 Mb/s.

Imitavimo rezultatai parodyti 8 paveiksle, kuris taip pat parodo visuotinai priimto perdavimo efektyvumą atitinkamomis sąlygomis esant maksimaliam kanalų skaičiui, kurie gali būti valdomi STM pagrįstu valdymu.

Pagal perdavimo efektyvumo atžvilgį normali ATM celė, turinti 48 baitų krūvį, pasiekia žymiai didesnį perdavimo efektyvumą nei STM, ir leidžia tą patį maksimalų kanalų skaičių, kurie gali būti valdomi sutankinto STM perdavimo.

Perdavimui per 1.5 Mb/s perdavimo liniją maksimalus kanalų skaičius, kuris gali būti valdomas naudojant sluoksniuotą celę yra beveik 23 kartus didesnis ir beveik du kartus nei sutankintas STM perdavimas.

Imitacija parodo, jo nagrinėtos celės taikymas gali pasiekti tiek aukšto dažnio perdavimo naudingumą, tiek žemo dažnio signalų perdavimo naudingumą ATM’e.

AAL2 ryšio komutavimas ir multipleksavimas/demultipleksavimas

Kadangi mobilių paslaugų vartotojų skaičius auga, duomenų srautų mastai taip pat išaugs.Tokiuose ryšiuose transkoderio apėjimas turi didelį privalumą, kad tai gali pagerinti balso kokybę, nes išvengiama dvigubo transkoderio įsikišimo (žr. 9 paveikslą).

Mažo dažnio koduoti balso signalai yra persiunčiami per perėjimo linijas tarp MSC, kur aplenkiamas transkoderis ir tarp MSC “diversity handover” (žr. 5 pav., 2B fazę). Kad pagerinti perdavimo linijų perdavimo efektyvumą, AAL2 mainai, virš kurių mažo dažnio balso signalai yra pernešami, turi būti demultipleksuojami ir paskirstyti sutankinimui ATM mainuose ta pačia kryptimi mobiliame paskirstymo centre (MSC) (žr. 10 pav.). Dėl to AAL2 komutavimas ir multipleksavimas /demultipleksavimas bus reikalingas perdavimo gerinimui mobiliuose tinkluose.

Išvados

ATM technologijos pareiškimas mobiliems tinklams lydės į mobilių multimedijos ryšių vystymąsį ir pajėgs susidoroti su žaibiškai augančiu vartotojų skaičium. Autorių priėjimas prie nagrinėjamos problemos siūlo suderinimą su multimedijos ryšiais, ypač išreiškiant efektyvų plataus spektro, skirtingų reikalaujamų spartų ir asimetrinių ryšių valdymą. Be to, ATM technologija suvaldys ryšio linijų, atsirandančių vienu metu tarp bazinės stoties ir MSC, augimą, kas yra sąlygota “diversity handover”. Fazinis priartėjimas įtraukiant ATM’ą į mobilius tinklus padarys šį įtraukimą į įprastus tinklus kiek galima sklandesnį. Aautoriai siūlo penkias ATM įtraukimo fazes, sutinkant su multimedijos paslaugų augimu. AAL2 perdavimo įvertinimas pagal duomenų srautų modeliavimą parodė, jog nagrinėta celė AAL2 gali perduoti mažų greičių signalus ir efektyviai, ir su mažu vėlinimu. Perdavimui per 1.5 Mb/s perdavimo liniją maksimalus kanalų skaičius, kuris gali būti valdomas naudojant sluoksniuotą celę yra beveik 23 kartus didesnis ir beveik du kartus nei sutankintas STM perdavimas.

Leave a Comment