Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей организации доступа к мультисервисным сетям и современных методов оценки качества обслуживания пользователей 11
1.1. Принципы организации доступа пользователей к мультисервисным сетям 11
1.1 1. Принципы организации доступа пользователей к У-ЦСИС 11
1.1 .2. Принципы организации доступа пользователей к Ш-ЦСИС 14
1.2. Качество обслуживания пользователей в мультисервисных сетях 21
1.2.1. Вероятность потерь вьвовов как основная характеристика качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям 21
1.2.2. Обзор методов расчета вероятностей потерь вызовов 28
1.3. Выводы 53
2. Разработка и исследование строгого анлитического метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям и конечном числе источников нагрузки 56
2.1. Постановка задачи 56
2.2. Строгий метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки 57
2.3. Исследование строгого метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям и при конечном числе источников нагрузки 72
2.4. Выводы 88
3. Разработка и исследование приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям и конечном числе источников нагрузки 90
3.1. Постановка задачи 90
3.2. Приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки 91
3.3. Исследование приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки 99
3.4. Выводы 114
4. Разработка и исследование приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к ш-цсис при конечном числе источников нагрузки 116
4.1. Постановка задачи 116
4.2. Приближенный метод расчета вероятностей потерь вызовов при доступе пользователей к Ш-ЦСИС при конечном числе источников нагрузки 118
43. Исследование приближенного метода расчета вероятностей потерь вызовов при доступе пользователей к Ш-ЦСИС при
конечном числе источников нагрузки 126
4.4. Выводы 142
Заключение 144
Литература 151
Приложение
- Качество обслуживания пользователей в мультисервисных сетях
- Строгий метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки
- Приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки
- Приближенный метод расчета вероятностей потерь вызовов при доступе пользователей к Ш-ЦСИС при конечном числе источников нагрузки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное общество во всех отраслях человеческой деятельности переживает этап бурной информатизации. В Российской Федерации, как и во всем мире, темпы роста потребностей в обмене различными видами информации постоянно увеличиваются, при этом услуги связи становятся не только неотъемлемой частью образа жизни людей, но и важным фактором экономического развития страны. Важнейшим направлением развития средств телекоммуникаций является создание цифровых сетей с интеграцией служб (ЦСИС), которые должны обеспечить мультисервисное обслуживание пользователей путем интегрированной передачи, обработки и распределения различных 4 видов информации, включая речь, данные, высококачественное аудио, видео, а также графическую информацию. Телекоммуникационные и информационные службы, организованные на ЦСИС, при обслуживании разнородного трафика связаны с необходимостью установления на сети соединений с различной пропускной способностью при обеспечении соответствующего качества обслуживания.
Во многом достижимый уровень качества предоставляемых услуг определяется на этапе проектирования сети, когда принимаются решения относительно абонентской емкости станций, емкости пучков каналов соединительных линий, составе и объеме оказываемых телекоммуникационных услуг. Несмотря на постоянный прогресс в области сетевых технологий проблема определения необходимого объема сетевых ресурсов и обеспечения качества обслуживания пользователей остается по-прежнему актуальной. С другой стороны, • эта проблема приобретает особый смысл и дополнительную сложность, связанную с наличием многопрофильного трафика. Применение методов расчета, не учитывающих специфики построения или функционирования мультисервисной сети, может привести на данном этапе проектирования к грубым ошибкам. Важной особенностью мультисервисных сетей, в том числе и узкополосных ЦСИС (У-ЦСИС), является то, что большинство потребителей телекоммуникационных услуг пользуются службами, для обеспечения которых достаточно пропускной способности одного основного цифрового канала (64К6ит/с), при этом число абонентов служб с более высокими требованиями к сетевым ресурсам является существенно конечным. Указанная особенность значительно влияет на объем требуемых ресурсов мультсервисных сетей, причем 4 безотносительно к тому, какой метод коммутации лежит в основе коммутация каналов, ячеек или пакетов. Например, при технологии ATM, лежащей в основе построения широкополосных ЦСИС (Ш-ЦСИС), подключение оборудования пользователей осуществляется преимущественно с помощью высокоскоростных интерфейсов, а число пользователей, подключаемых к устройствам АТМ-доступа, может составлять всего нескольких единиц. Таким образом, в мультисервисных сетях решающим становится фактор конечного числа источников нагрузки, который оказывает существенное влияние на результаты проектирования.
Кроме указанных выше особенностей, мультисервисные телекоммуникационные сети и системы имеют ограниченную пропускную способность, поэтому на сегодняшний день актуальным является создание метода расчета качества обслуживания пользователей таких сетей, который будет учитывать и особенности • мультисервисного трафика и конечное число потребителей различных услуг. Именно это позволит дать реалыгую оценку необходимого объема сетевых ресурсов, пропускной способности мультисервисных сетей и качества обслуживания пользователей, особенно на участках доступа к сетям, а также обеспечить эффективное использование сетевых ресурсов.
Решение указанных проблем невозможно без научно обоснованных методов проектирования, поэтому настоящая диссертация посвящена исследованию и разработке метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям с учетом многопрофильного трафика, фактора конечного числа источников и особенностей построения участка доступа на современных мультисервисных сетях. f Целью работы является разработка метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям, в котором учитывается влияние на пропускную способность сети разнородного мультисервисного трафика и конечного числа источников нагрузки, а также исследование данного метода при его использовании для расчетов мультсервисных сетей У-ЦСИС и Ш-ЦСИС.
Методы исследования включали методы теории вероятностей, теории телетрафика, теории марковских случайных процессов, комбинаторный анализ и методы вычислительной математики.
Состояние проблемы. В настоящее время большинство методов оценки качества обслуживания пользователей на сетях связи, используемых при проектировании, либо рассматривают задачу применительно к одномерному трафику, либо не учитывают влияния конечного числа источников нагрузки, поскольку эти методы основываются на пуассоновских моделях. Это ограничивает их применение при решении задач проектирования мультисервисных сетей, в том числе на участках абонентского доступа сетей. Методы для оценки качества обслуживания пользователей для случая многомерного трафика, учитывающие конечное число источников нагрузки, встречаются в специальной литературе только для частных случаев. Эти методы основаны на учете пространства состояний рассматриваемой системы и ограничены числом классов пользователей. Во время работы над диссертацией было найдено только два источника, в которых рассматриваются модели, совмещающие многомерный трафик для У-ЦСИС и учет конечного числа источников нагрузки. Для Ш-ЦСИС методы оценки качества обслуживания пользователей ограничиваются использованием моделей лишь с многомерной пуассоновской нагрузкой.
Научная новизна исследований, проведенных в диссертационной работе: разработаны и исследованы методы расчета качества обслуживания пользователей мультисервисных сетей (У-ЦСИС и Ш-ЦСИС), учитывающие характер мультисервисного трафика и конечное число пользователей различных классов услуг.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации методы расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисиым сетям учитывают конечное число источников нагрузки и позволяют проводить инженерные вычисления при проектировании участков доступа мультисервисных сетей. Разработанные в диссертации методы расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисиым сетям доведены до инженерной методики и позволяют проводить оценку качественных показателей реальных мультисервисных сетей в рамках приемлемых затрат вычислительных ресурсов и времени.
Реализация результатов. Отдельные практические и теоретические результаты диссертации были использованы на ОАО «Центральный телеграф» для оценки качества обслуживания пользователей, определения емкости пучков каналов в направлениях связи при разработке проектных решений по организации подключений абонентских устройств и оптимизации конфигурации модульного оборудования сети Центел, а также в ряде учебных дисциплин кафедры ТЭЭСК ИПК МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами об использовании результатов диссертационной работы.
Апробация результатов работы. Основные практические и теоретические результаты диссертационной работы были доложены на научных сессиях РНТОРЭС им. А.С Попова (2000, 2001 и 2002 г.г.), международной конференции МКИСиС-2000э конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» в рамках МФИ-2000, НТК МТУСИ секция Цифровые телекоммуникационные сети и распределение информации (2001).
Личный вклад. Все исследования и связанные с ними вычисления, а также вытекающие из них выводы, обобщения, интерпретация результатов и практические рекомендации выполнены автором лично.
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Для оценки качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям необходим метод расчета, учитывающий характер мультисервисного трафика и конечное число пользователей различных классов сервиса.
2, Приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям с многоканальной коммутацией, учитывающий разнопрофильный характер мультисервисного трафика, конечное число пользователей различных классов сервиса и основанный на учете дисперсионных свойств интенсивности мультисервисной нагрузки,
3. Приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям с ATM учитывающий разнопрофильный характер мультисервисного трафика, конечное число пользователей различных классов услуг и основанный на теории «эффективной ширины полосы битовой скорости передачи».
4. Разработанные приближенные методы расчета качества .щ обслуживания позволяют осуществлять инженерную оценку качества обслуживания вызовов при конечном числе источников нагрузки.
5. Предложенные приближенные методы расчета качества обслуживания конечного числа пользователей при доступе к У-ЦСИС и Ш-ЦСИС обладают существенно меньшей вычислительной сложностью по сравнению со строгим методом оценки вероятностей потерь вызовов в мультисервисных сетях при конечном числе пользователей различных классов сервиса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа содержит 150 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 11 таблиц. Список литературы включает 96 наименований.
Качество обслуживания пользователей в мультисервисных сетях
При обслуживании вызовов, поступающих от абонентов мультисервисных сетей, может случиться, что на сети или ее части нагрузка, которую необходимо обработать, превышает нагрузку, которую можно обработать без ограничений, таким образом, наступает перегрузка. Ограничения в обслуживании вызовов при перегрузках затрагивают услуги, предоставляемые абонентам, и степень этих ограничений выражается соответствующими параметрами качества обслуживания. Параметры качества обслуживания прямо зависят от особенностей технологии, используемой для построения сети, таким образом, параметры качества обслуживания У-ЦСИС и Ш-ЦСИС определяются различным образом. Для описания различных аспектов качества обслуживания пользователей в У-ЦСИС, как и в телефонных сетях, применяются термины GoS (Grade of Service) и QoS (Quality of Service). Параметры GoS являются подмножеством параметров QoS. В У-ЦСИС и телефонных сетях в отличие от других параметров QoS, описывающих функционирование сети, включая случаи перегрузки, шумы, неисправности, время восстановления и др. определяемых для конкретных точек измерений, параметры GoS являются характеристиками, описывающими только нагрузочные аспекты
У качества обслуживания QoS [72]. Параметры GoS представлены такими параметрами качества обслуживания, как вероятность потерь вызовов, средняя задержка в обслуживании вызова и другими [73]. В сетях Ш-ЦСИС, основанных на технологии ATM, термин QoS с помощью ряда параметров характеризует качество передачи ячеек [60]. Для оценки качества обслуживания вызовов в Ш-ЦСИС при установлении коммутируемых виртуальных соединений используются параметры GoS, аналогичные У-ЦСИС [84].
Для абонентов сетей с коммутацией каналов и сетей, эмулирующих службы коммутации каналов, GoS ощущается как отказы в установлении соединения и время ожидания ответа вызываемого абонента или служебных сигналов при попытке вызова. Большие задержки и высокая вероятность блокировки являются признаками низкого GoS, т.к. приводят к увеличению числа повторных вызовов. Безотносительно к конкретному параметру GoS, например, вероятность блокировки, задержка или другой параметр, принято, что малые значения означают хорошее качество обслуживания, а большие - плохое- Параметры GoS рассчитываются для часа наибольшей нагрузки (ЧНН), определяются для случая, когда все сетевые устройства полностью функциональны и используются при оценке необходимой емкости сетевых ресурсов. В связи с тем, что даже в пределах ЧНН нагрузка может меняться от малых значений, до редких, но экстремально высоких, выбор модели для оценки качества обслуживания является сложной задачей, оказывающей значительное влияние на получаемые значения параметров GoS. Согласно [72] при выборе модели необходимо стремиться, чтобы значения параметров GoS: - были удовлетворительными для абонентов и экономичными для администрации сети; - покрывали весь диапазон обычных уровней нагрузки; - принимали во внимание различные особенности обработки трафика в сети и ее компонентах.
Для того, чтобы указанные требования к параметрам GoS могли быть выполнены в наибольшей мере, оценка качества обслуживания должна осуществляться с учетом особенностей различных участков сети, для чего могут применяться различные модели и методы [72].
Таким образом, учитывая ограниченное число пользователей мультисервисных сетей различных классов, при оценке потерь на участке доступа мультисервисных сетей оказывается необходимым применение моделей, учитывающих особенности данного участка, например, моделей с конечным числом источников нагрузки.
Строгий метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки
Методы для оценки качества обслуживания на телекоммуникационных сетях в общем содержат две основные взаимосвязанные части. Первой является определение вероятностей состояний системы, а второй - вероятностей потерь вызовов. Рассмотрим последовательно эти части для строгого метода расчета. Описание применяемого строгого метода расчета будет сопровождаться примером для двух классов пользователей.
Представленные в главе 1 на рис. 1.1. в виде примеров схемы организации доступа пользователей к У-ЦСИС можно обобщить с помощью модели, представленной на рис. 2.1. Данная модель отражает общую особенность всех указанных примеров, заключающуюся в наличии предварительной ступени концентрации, необходимой для предоставления доступа к сети некоторому определенному количеству пользователей, которые могут использовать присоединение к сети У-ЦСИС для доступа к различным телекоммуникационным службам, и повышающей использование абонентских и соединительных линий.
Будем считать, что все пользователи сети, являющиеся источниками нагрузки, разделены на классы / = /,...,w в соответствие с требуемыми видами обслуживания. Число источников каждого класса является постоянным и равняется Nt.
На ступени концентрации сети доступа выполняется концентрация нагрузки, что позволяет значительно сократить число каналов, образующих пучок емкостью V, между этой ступенью, называемой далее концентратором нагрузки, и телекоммуникационной сетью. Вызовы от источников нагрузки поступают на концентратор, занимают некоторое количество каналов из общей емкости соединения К и поступают далее для обслуживания всетьУ-ЦСИС.
Составим систему уравнений статистического равновесия рассмотренной модели сети и найдем распределение вероятностей состояний. Для составления уравнений состояний системы нам потребуется определить способ описания источников нагрузки и их характеристик, состояний системы, а также условия перехода из состояния в состояние.
Характеристикой определяющей класс моделей систем с многоканальной коммутацией является то, что источники могут осуществлять вызовы, емкость которых определяется на основе базового канала. В У-ЦСИС базовым является канал 64ЬСбит/с. Для обслуживания вызовов может требоваться установление соединений содержащих один, два, или более базовых каналов одновременно. Далее будем называть такие вызовы одноканальными, двухканальными и т.д.
В специальной литературе встречаются различные способы описания источников, например, в [22] для сети У-ЦСИС приводится модель источника, который может осуществлять как одноканальные, так и многоканальные вызовы. Однако, такое определение приводит к значительному усложнению модели, т.к. возникает необходимость учета разнообразных состояний самих источников вызовов. Например, источник может быть не в состоянии осуществить многоканальный вызов из-за того, что он уже установил одно одноканальное соединение. Более простой является модель, в которой считается, что источники вызовов действуют по «наихудшему» сценарию, т.е. источники, способные осуществлять многоканальные вызовы, осуществляют только вызовы, требующие максимально возможной полосы пропускания. Примем, что источники, принадлежащие одному классу, требуют одинакового канального ресурса. Класс источников І = 1 соответствует классу источников, требующих для своего обслуживания минимального ресурса, т.е. одного базового канала. Примем также, что для обслуживания вызовов от источников, принадлежащих классам / 1, требуется канальная емкость кратная базовому каналу. В связи с тем, что канальная емкость, необходимого для обслуживания вызова от источника, принадлежащего классу /, не всегда совпадает с /, введем для каждого класса источников параметр - марку Mark, указывающую необходимую емкость канальных ресурсов, как некоторое количество базовых каналов. Принято, что случайные процессы, в которых вероятностные характеристики связаны с параметром, описывающим качественные или количественные характеристики объекта, называются маркированными случайными процессами. Заметим, что в общем случае для моделей с маркированным случайным процессом марка может быть переменной и принимать значения из некоторого заданного диапазона. В данном случае марки связаны с классами источников, и будут задаваться в качестве исходных данных как постоянные значения.
Кроме канальной емкости, необходимой для обслуживания вызовов, классы источников описываются характеристиками поступающих потоков вызовов. Для пуассоновской модели Af обозначает интенсивность потока вызовов поступающего от /-того класса источников. Для моделей с конечным числом источников интенсивность потока вызовов от одного свободного источника нагрузки, принадлежащего i-тому классу, обозначим ЛІ. Распределение длительности обслуживания вызовов от источника класса і предполагается экспоненциальным с параметром д. Число источников каждого класса будем обозначать TV/. Соответственно общее количество источников будет определяться:
Важным моментом является определение состояний системы. В широко распространенных марковских моделях телекоммуникационных систем с одноканальными заявками состояния характеризуются числом занятых каналов. Число занятых каналов совпадает с числом вызовов, находящихся на обслуживании, и числом источников, совершивших вызовы. В системах с многоканальной коммутацией состояния с одинаковым числом занятых базовых каналов могут быть образованы сочетаниями вызовов с различной требуемой канальной емкостью. Так, например, состояние с четырьмя занятыми базовыми каналами может быть достигнуто при обработке четырех одноканальных вызовов, двух двухканальных вызовов или трех вызовов, один из которых двухканальный, а два одноканальные.
Приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям при конечном числе источников нагрузки
В основе предлагаемого приближенного метода лежит идея о замене нагрузки, поступающей от конечного числа источников, эквивалентной нагрузкой, определяемой только двумя первыми моментами (Рис. З.І.а и 3.1.6). При переходе к эквивалентной модели преследуются две цели: упрощение вычислений по модели и учет эффекта конечного числа источников. Поскольку вычисления в разрабатываемом методе будут осуществляться с использованием пуассоновской модели, то существенно сократиться число рассматриваемых состояний системы, с помощью чего достигается снижение вычислительной сложности. Переход к эквивалентным нагрузкам и емкости пучка приближенно учитывает эффект конечного числа источников нагрузки.
Рассмотрим и классов пользователей, имеющих доступ к V каналам пучка. Каждый класс содержит Ni пользователей, i=l,2, ... ,и. Примем, что один свободный пользователь класса / создает нагрузку интенсивностью Л-, причем значения интенсивностей нагрузок для всех пользователей известны (например, получены из данных изысканий на этапе проектирования сети). Общая интенсивность нагрузки пользователей /-того класса равна:
Далее А, А, N обозначают вектор-столбцы переменных, определенных выше. Дальнейшее описание удобно проводить в векторном виде, причем для обозначения применения оператора векторизации будем использовать знак вида "- ". Этот оператор предписывает выполнять одну и ту же операцию над каждым элементом вектора или матрицы. Так формулу (3.1) можно переписать в виде:
Поскольку рассматриваемый далее приблюкенный метод расчета качества обслуживания пользователей мультисервисной сети при конечном числе источников нагрузки основывается на использовании коэффициента дисперсии нагрузки, обозначаемого г, для краткости будем называть этот метод z-аппроксимацией.
Определим вектор коэффициента дисперсии нагрузки в виде: причем для конечного числа источников нагрузки, согласно [63] справедливо:
Примем допущение, что все потоки вызовов, поступающих от различных пользователей мультисервисной сети, являются независимыми, тогда результирующий вектор коэффициента дисперсии определяется как:
Таким образом, используя г-аппроксимацию на основе коэффициента дисперсии, можно перейти к вектору расчетной, называемой также фиктивной, мультисервисной нагрузки, поступающей на направление связи: и к фиктивному пучку каналов в этом направлении: где [х] - оператор округления до ближайшего большего целого значения х.
Как и в главе 2 будем считать, что каждый класс пользователей характеризуется маркой Магк% , определяющей число каналов, занимаемых при обслуживании одного вызова данного класса, тогда фиктивная марка определяется как:
Приближенный метод расчета вероятностей потерь вызовов при доступе пользователей к Ш-ЦСИС при конечном числе источников нагрузки
В главе 1 настоящей диссертационной работы были рассмотрены схемы подключения абонентов к Ш-ЦСИС. Представленные в виде примеров схемы включения абонентов можно обобщить с помощью модели, представленной на рис. 4.1,а. Общей характеристикой, позволяющей объединить эти примеры, является наличие предварительной ступени концентрации, обеспечивающей доступ к сети некоторому определенному количеству абонентов, которые могут использовать присоединение к сети Ш-ЦСИС для доступа к различным телекоммуникационным службам. Включение такой ступени концентрации осуществляется, как правило, по полнодоступной схеме.
Сеть ATM, являющаяся основой построения Ш-ЦСИС, ориентирована на обслуживание нагрузки с помощью соединений. Таким образом передача всех видов информации осуществляется по виртуальным соединениям, постоянным или коммутируемым. При разработке метода расчета качества обслуживания пользователей для Ш-ЦСИС предполагается, что в расчете учитываются только коммутируемые соединения, учет наличия постоянных виртуальных соединений будем осуществлять дополнительно, что описано далее в предлагаемой методике расчета по разработанному методу.
В Ш-ЦСИС полоса пропускания канала Сц к распределяется между пользователями динамически с учетом требований соглашения по трафику. На ступени концентрации сети доступа выполняется концентрация нагрузки, что позволяет значительно сократить емкость (ШПБСП) канала Сцпк между этой ступенью и магистральной сетью ATM, однако приводит к возникновению потерь вызовов при доступе к телекоммуникационным службам, реализованным на сети. Будем считать, что к концентратору подключаются и классов пользователей, каждый источник которых создает поступающую нагрузку Я/д-(г =1,2г».и). Обозначим через Лі (i = 1,2, mfu) число источников нагрузки 1-го класса пользователей. Тогда вектор результирующей (общей) поступающей нагрузки от всех источников данного класса определим как А; = ЛІ х Ni9 что эквивалентно A = AN (стрелка указывает на выполнение операции в векторной форме),
Определим общую поступающую нагрузку от всех классов пользователей: и общее число источников нагрузки: Обозначим через СД„А максимальную скорость передачи информации на звене. На основании [89] для каждого класса источников произведем эквивалентную замену реального переменного битового потока с переменной ШПБСП Сущ. на эквивалентный по действию в отношении вероятности потерь ячеек битовый поток с постоянной ШПБСП - Ceqi (Ї = 1,2,...,и). В качестве исходных данных будем использовать тяг- соответственно среднюю и максимальную (пиковую) скорости передачи источника, а также Рсей - вероятность потерь ячеек, которые должны быть определены для каждого класса пользователей і. Для указанной эквивалентной замены используем алгоритм, представленный на рис. 1.3 настоящей диссертационной работы. Таким образом, в результате выполненной замены получим и классов эквивалентных источников нагрузки, которые устанавливают соединения с постоянной битовой скоростью передачи. В случае, если на соединении с сетью имеются пользователи, использующие постоянные виртуальные соединения, то эквивалентный переход к постоянной ШГТБСП осуществляется и для таких пользователей. Отметим, что источники трафика, передаваемого по постоянным виртуальным соединениям, не включаются в состав классов источников коммутируемых соединений и, а рассматриваются отдельно.
