DE102004041013B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung der Auslastung eines Kommunikationsnetzes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung besteht in der Ermittlung einer im Hinblick auf die Verkehrsübertragung optimierten Zulassungsschwelle in einem Kommunikationsnetz mit Zugangsbeschränkung. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit für Nichtzulassung von Verkehr in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle bestimmt und gewichtet. Ebenfalls wird die Wahrscheinlichkeit für Nichteinhaltung zumindest eines Dienstgütemerkmals bei der Übertragung von Verkehr in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle bestimmt und gewichtet. Nach Maßgabe der gewichteten Wahrscheinlichkeiten wird dann die optimale Zulassungsschwelle für Verkehr ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer im Hinblick auf die Verkehrsübertragung optimierten Zulassungsschwelle in einem Kommunikationsnetz mit Zugangsbeschränkung und eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
• Eine der derzeit wichtigsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Netze ist die Weiterentwicklung von Datennetzen für die Übertragung von Echtzeitverkehr, z.B. Sprache, Video- oder Audioinformationen. Zu diesem Zweck müssen im Gegensatz zu herkömmlichen Datennetzen, welche in der Regel nur eine Übertragung ohne Dienstgütegarantien (man spricht hier im Bezug auf die Übertragungsqualität auch von „best effort") bereitstellen, für die Übertragung von Echtzeitverkehr weiterentwickelte Datennetze die Einhaltung von Dienstgütemerkmalen garantieren können. Die derzeitigen Datennetze basieren zum größten Teil auf der Weiterleitung bzw. Vermittlung von Paketen, wie beispielsweise das für den Transport von Datenpaketen das IP (Internet Protocol) Protokoll verwendende Internet. Derartige Datennetze werden auch als Paketnetze bezeichnet.
• Zur Kontrolle der Übertragungsqualität von über Paketnetze transportiertem Verkehr gibt es verschiedene Ansätze. Diesen Ansätzen ist gemein, dass die Datenrate des zu transportierenden Verkehrs entsprechend der vorhandenen Bandbreite angepasst werden muss, bzw. reduziert werden muss. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist bei der Übertragung über ein Netz eine Zulassungskontrolle vorzusehen, welche bei einem zu hohen Verkehrsaufkommen zu einer Zugangsbeschränkung führt. Zu übertragende Datenströme müssen sich dann an der Netzgrenze anmelden bzw. registriert werden. Falls in ausreichendem Maße Bandbreite innerhalb des Netzes zur Verfügung steht, wird dann eine Reservierung für den übertragenden Verkehr vorgenommen, so dass es nicht zu einer Qualitätsbeeinträchtigung durch Engpässe kommen kann. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass bei Erreichen der für die Zulässigkeitsüberprüfung verwendeten Grenze bzw. Grenzen Übertragungsanforderungen von Verkehrsströmen abgewiesen werden.
• Erfahrungsgemäß sind die für eine Verkehrsübertragung reservierten Bandbreiten höher als die vom Verkehr tatsächlich ausgenützte Kapazität. Bei der Reservierung von Bandbreite bzw. Kapazität wird in der Regel ein Spitzenwert oder eine obere Schranke angegeben, die vom beförderten Verkehr nicht oder nur kurzzeitig erreicht wird. Bei einer Vielzahl von Reservierungen ist damit die Belegung des Netzes mit Verkehr in der Regel niedriger als die aufaddierten Reservierungen. Um eine bessere Auslastung des Netzes zu erreichen, wird daher häufig mehr Verkehr zur Übertragung über das Netz zugelassen, als es bei der konservativen Vorgehensweise, die Gesamtreservierungen nicht die verfügbare Bandbreite übersteigen zu lassen, möglich wäre. In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer Überbuchung des Netzes, da die Nennwerte des zu übertragenden Verkehrs bzw. deren Reservierungsanforderungen die verfügbare Bandbreite überschreiten. Als Maß für die Überschreitung wird der so genannte Überbuchungsfaktor verwendet, der dem Verhältnis der aggregierten Bandbreite oder Kapazitätsreservierung zu der gesamten verfügbaren Kapazität entspricht. Bei dem konservativen Ansatz wäre dieser Faktor maximal eins. Um ein Netz gezielt überbuchen zu können, gibt es einige heuristische Vorgehensweisen, wie z.B. die Zulassung auf regelmäßige Messungen zu stützen (man spricht hier von Measurement Based Admission Control (MBAC)) oder sich an Erfahrungswerten für das Verhältnis von angemeldetem Verkehr zu tatsächlich zu beförderndem Verkehr zu orientieren (üblicherweise Experience Based Admission Control (EBAC)) genannt.
• Aus der DE 10301966A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung einer im Hinblick auf die Verkehrsübertragung optimierten Zulassungsschwelle in einem Kommunikationsnetz mit Zugangsbeschränkung bekannt. Im Rahmen dieses Verfahren wird die Wahrscheinlichkeit für Nichtzulassung von Verkehr in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle bestimmt.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine systematische Vorgehensweise für eine optimierte Auslastung eines Kommunikationsnetzes anzugeben.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 8 gelöst.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Optimierung der Netzauslastung als Optimierungsproblem zu betrachten. Für die Auslastung des Netzes und die Festsetzung des im Rahmen einer Zugangsbeschränkung zugelassenen Verkehrs sind folgende zwei wichtige Aspekte zu berücksichtigen:
• • Es sollte möglichst viel Verkehr über das Netz übertragen werden. Anders gesagt, die Wahrscheinlichkeit, dass Verkehr nicht zugelassen wird (im Folgenden auch als Blockierwahrscheinlichkeit bezeichnet), sollte möglichst minimiert werden.
• • Auf der anderen Seite sollten möglichst wenig Verkehr bzw. Pakete von Verletzung der einzuhaltenden Dienstgütemerkmale (z.B. Verzögerungszeiten, Verlustrate etc.) betroffen sein.
• Beide Ziele widersprechen einander, da einerseits bei Zulassung von zu viel Verkehr die Übertragungsqualität leidet und andererseits eine sehr konservative Zugangsbeschränkung zu einer hohen Blockierwahrscheinlichkeit führt.
• Die erfindungsgemäße Optimierung besteht darin, die Blockierwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der für die Zulassung von Verkehr verwendeten Zulassungsschwelle zu bestimmen und zu gewichten und ebenso die Wahrscheinlichkeit für Verletzung zumindest eines Dienstgütemerkmals bei der Übertragung von Verkehr ebenfalls in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle zu bestimmen und auch zu gewichten. Nach Maßgabe dieser gewichteten Größen wird dann die optimale Zulassungsschwelle bzw. optimale Grenze für den zugelassenen Verkehr ermittelt. Diese Ermittlung kann beispielsweise in Form einer Minimumssuche einer durch Addition der beiden gewichteten Wahrscheinlichkeiten gegebenen Kurve durchgeführt werden.
• Es ist unmittelbar einsichtig, dass das Verfahren analog funktioniert, wenn statt der Wahrscheinlichkeiten entsprechende Durchschnittswerte für den blockierten Verkehrsanteil bzw. den Anteil von Verkehr mit Verletzung eines Dienstgütemerkmals verwendet werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine systematische Vorgehensweise für die Optimierung der Netzauslastung. Diese kann beispielsweise nach betriebswirtschaftlichen Kriterien stattfinden, so dass durch die optimierte Zulassungsschwelle ein optimierter Betriebspunkt des Netzes gegeben ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in offensichtlicher Weise auf verschiedene Verkehrsklassen und/oder verschiedene Arten der Dienstgüteverletzung erweitern. Dazu wird der Verkehrsklasse bzw. der Dienstgüteverletzung jeweils eine eigene Gewichtung zugeordnet und die Summe der gewichteten Wahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle(n) ermittelt. Auf diese Weise können die Gesamtkosten einer Verkehrsauslastung unter Berücksichtigung verschiedener Verkehrsklassen und/oder verschiedene Arten der Dienstgüteverletzung optimiert werden.
• Häufig hat man den Fall, dass in einem Netz nominelle Grenzen für die Gesamtauslastung für die Zugangsbeschränkung bestimmt sind. Diese Grenzen entsprechen dann in der Regel der verfügbaren Bandbreite. Eine konservative Vorgehensweise ist es, sich bei der Reservierung an dieser Grenze zu orientieren, d.h. Maximalreservierungen bis zu dieser Grenze vorzunehmen. In diesem Falle wäre die Wahrscheinlichkeit für die Verletzung von Dienstgütemerkmalen praktisch gleich null. Von einem derartigen Netz ausgehend wird häufig die Auslastung verbessert, in dem man mit Überbuchung arbeitet, bzw. einen Überbu chungsfaktor einführt. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, den optimalen Überbuchungsfaktor bzw. optimale Überbuchung zu ermitteln.
• Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt durch die Gewichtung eine hohe Flexibilität für die Anpassung an diverse Netzgegebenheiten bzw. Netzbetreiberpräferenzen. Gewichtet werden kann mittels eines Gewichtungswertes oder – flexibler – mittels einer Gewichtungsfunktion. Eine triviale Gewichtung ist es, die Gewichte jeweils gleich anzusetzen, d.h. praktisch Nichtzulassung von Verkehr und Verletzung von Dienstgütemerkmalen gleich zu bewerten. Durch die Gewichtung kann aber auch effizient zwischen verschiedenen Situationen differenziert werden. Beispielsweise können verschiedene Arten von Dienstgüteverletzungen anders gewichtet werden. Auch kann durch die Gewichtung ein Grenzwert für die Nichteinhaltung eines Dienstgütemerkmals festgesetzt werden. Zum Beispiel soll eine Dienstgütemerkmalsverletzung (z.B. der Verwurf von Paketen) eine Wahrscheinlichkeit von 2% auf keinen Fall übersteigen. Dann kann diese Bedingung mittels der Gewichtungsfunktion in der Optimierung berücksichtigt werden, indem die Gewichtungsfunktion für Werte der Zulassungsschwelle mit einer Wahrscheinlichkeit für die Dienstgütemerkmalsverletzung von > 2% sehr hoch oder = ∞ gesetzt werden. In diesem Fall ist es sinnvoll, mit unstetigen Gewichtungsfunktionen zu arbeiten.
• Die Gewichtung lässt in noch allgemeiner Form zu, Randbedingungen bei der Optimierung für die Nichteinhaltung eines Dienstgütemerkmals oder auch (für die Praxis von geringerer Relevanz) für die Blockierwahrscheinlichkeit einzuführen. Dabei können z.B. statistische Funktionen wie das Quantil verwendet werden. Beispielsweise soll die Wahrscheinlichkeit, dass 5% des Verkehrs bzw. der Pakete im Durchschnitt eine Dienstgüteverletzung erfährt < oder = 1% sein. Man berechnet dann das so genannte 1%-Quantil, d.h. den Wert in dem Ereignisraum, dem ein Wert von 1% der Verteilungsfunktion zugeordnet ist. In dem gegebenen Fall wird die maximale Zulassungs schwelle bzw. Überbuchung berechnet, für die die Wahrscheinlichkeit, dass durchschnittlich 5% der Pakete die Dienstgüte verletzen < oder = 1% ist. Dazu benötigt man die Wahrscheinlichkeitsverteilung in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle, welche beispielsweise aus Messwerten oder über eine Approximation gewinnbar ist. Die daraus ermittelte maximale Zulassungsschwelle bzw. Überbuchung bildet die Grenze, so dass man die Gewichtsfunktion sehr hoch oder = ∞ setzt, wodurch bei der Optimierung ein kleinerer Wert erzwungen wird. Durch diese Vorgehensweise lassen sich relativ komplexe Vorgaben in die Optimierung einbauen. Diese Vorgaben können beispielsweise durch wirtschaftliche Rahmenbedingungen, beispielsweise durch vertragliche Sanktionen bei Nichteinhaltung gewisser Rahmenwerte bzw. Rahmenbedingungen gegeben sein.
• Das Verfahren kann auch zu einer automatischen Einstellung der optimalen Verkehrsauslastung des Netzes verwendet werden, indem die optimale Zulassungsschwelle regelmäßig ermittelt wird und die Zugangsbeschränkung des Kommunikationsnetzes automatisch entsprechend nachgeregelt wird.
• Entsprechend einer Weiterbildung wird das Verfahren auf Störszenarien des Kommunikationsnetzes angewandt. Dabei kann eine optimale Zulassungsschwelle für Störszenarien, d.h. Netztopologien, bei denen ein oder mehrere Ausfälle berücksichtigt wurden, bestimmt werden. Diese Ergebnisse können dann für das Vorsehen von redundanter Kapazität zum Abfangen von Ausfällen verwendet werden. Dabei werden z.B. die Grenzen für die Zugangsbeschränkung derart festgelegt, dass im Falle eines Störszenarios ein Betrieb des Netzes bei dem für diesen Fall bestimmten optimalen Betriebspunkt bzw. der optimalen Zulassungsschwelle möglich ist. Bei dieser Bestimmung kann man auch mittels der Gewichtung Randbedingungen einführen, so dass einstellbar ist, welche maximale Beeinträchtigung der Verkehr im Netz im Falle eines Störfalles erfährt. Auf diese Weise können Grenzen, welche Störfälle und damit Redundanz berücksichtigen, weniger konservativ als herkömmliche festgelegt werden.
• Der Erfindungsgegenstand umfasst auch eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine derartige Vorrichtung kann z.B. durch einen Server zur Steuerung der Zugangsbeschränkung des Kommunikationsnetzes, durch ein Netzmanagementsystem oder ein Dienststeuerungssystem gegeben sein. Im Falle eines Servers zur Steuerung der Zugangsbeschränkung bzw. eines so genannten Network-Control-Servers hätte man eine Realisierung auf einer eigenständigen Plattform, welche mit Kontrollinstanzen für die Zulassungskontrolle, Routern und dem Netzmanagement kommunizieren kann. Da jedes Netz ein Netzmanagementsystem besitzt, bietet es sich auch an, die Funktionalität für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dort zu lokalisieren. Eine andere Möglichkeit ist eine Dienstesteuerung, welche normalerweise dienstespezifische Funktionen wie beispielsweise das Auffinden eines gerufenen Telefonteilnehmers wahrnimmt.
• Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von zwei Figuren näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 Prinzipieller Zusammenhang zwischen Zulassungsschwelle, Blockierwahrscheinlichkeit und Wahrscheinlichkeit für eine Dienstgüteverletzung.
• 2 Eine Oberfläche für eine Bedienungsperson mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Ermittlung einer optimalen Überbuchung und zur Einstellung des Überbuchungsfaktors.
• Die durchgezogene Linie aus 1 zeigt die Blockierwahrscheinlichkeit, die gestrichelte Linie die Wahrscheinlichkeit für eine Verletzung der Dienstgüte bzw. der so genannten Qua lity Of Service (QOS). Beide Größen werden in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle bzw. der Grenze für die Zulassungskontrolle gezeigt. Wenn die Zulassungsschwelle gegen Null geht, wird die Wahrscheinlichkeit für eine Blockierung bzw. Nichtzulassung sehr hoch, dafür besteht kein Risiko einer Quality-Of-Service-Verletzung. Bei sehr hoher Zulassungsschwelle steigt die Wahrscheinlichkeit für die Nichteinhaltung eines Dienstgütemerkmals stark an. Dagegen kann praktisch der gesamte Verkehr bedient werden, so dass die Blockierwahrscheinlichkeit am Rande des Netzes auf Null abfällt. Zwischen beiden Extremen wird erfindungsgemäß das Optimum bestimmt, welches in dem gegebenen Fall der Bestimmung des Minimums der Addition beider Kurven entspricht. Auf diesen Wert ist die Zulassungsschwelle für eine optimale Auslastung des Netzes hinsichtlich der beiden Kriterien, Blockierung und Quality-Of-Service-Verletzung, einzustellen.
• 2 zeigt eine Oberfläche zur Einstellung des Überbuchungsfaktors. Dabei zeigen in der grafischen Darstellung die Kurven nicht Wahrscheinlichkeiten, sondern Kosten, d.h. die Wahrscheinlichkeiten wurden, z.B. nach wirtschaftlichen Kriterien, gewichtet. Die durchgezogene Linie zeigt die Kosten für die Blockierung bzw. Nichtzulassung von Verkehr, die gestrichelte Linie diejenigen für die Verletzung der Dienstgüte. Zudem ist die Addition der beiden Kurven eingezeichnet, deren Minimum den optimalen Überbuchungsfaktor anzeigt. Unten ist ein Balken dargestellt, mittels welchem sich händisch der Überbuchungsfaktor einstellen lässt. Eine Bedienperson kann von ihrem Bedienplatz aus diese Oberfläche auf ihrem Steuerungsrechner generieren und zum Beispiel mittels Mausklick und Verschieben der Markierung auf dem Balken den Überbuchungsfaktor entsprechend dem angezeigten Minimum nachregulieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung einer im Hinblick auf die Verkehrsübertragung optimierten Zulassungsschwelle in einem Kommunikationsnetz mit Zugangsbeschränkung, bei dem – die Wahrscheinlichkeit für Nichtzulassung von Verkehr in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle bestimmt und gewichtet wird, – die Wahrscheinlichkeit für Nichteinhaltung zumindest eines Dienstgütemerkmals bei der Übertragung von Verkehr in Abhängigkeit der Zulassungsschwelle bestimmt und gewichtet wird, und – nach Maßgabe der gewichteten Wahrscheinlichkeit für Nichtzulassung von Verkehr und der gewichteten Wahrscheinlichkeit für Nichteinhaltung wenigstens eines Dienstgütemerkmals die optimale Zulassungsschwelle ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Überbuchung des Kommunikationsnetzes durch Zulassung von einer Verkehrsmenge, welche zumindest eine für die Zugangsbeschränkung verwendete Grenze überschreitet, vornehmbar ist, und – die optimale Zulassungsschwelle in Form einer optimalen Überbuchung ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mittels eines Gewichtungswertes oder einer Gewichtungsfunktion gewichtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Gewichtung ein Grenzwert für die Nichteinhaltung eines Dienstgütemerkmals festgesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Gewichtung eine Randbedingung für die Nichteinhaltung eines Dienstgütemerkmals festgesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die optimale Zulassungsschwelle regelmäßig ermittelt wird, und – die Zugangsbeschränkung des Kommunikationsnetzes automatisch nach Maßgabe der ermittelten Zulassungsschwelle eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verfahren für die Bereitstellung redundanter Kapazität zum Abfangen von Störungen des Kommunikationsnetzes angewandt wird.
8. Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch einen Server zur Steuerung der Zugangsbeschränkung des Kommunikationsnetzes, ein Netzmanagement-System oder ein Dienststeuerungs-System gegeben ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine grafische oder textuelle Darstellung der gewichteten Wahrscheinlichkeit für die Nichtzulassung von Verkehr und der Wahrscheinlichkeit für die Verletzung zumindest eines Dienstgütemerkmals bietet und die eine manuelle Einstellung eines Überbuchungsfaktors für die Zulassungsschwelle erlaubt.