Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Эволюция подходов к предоставлению услуг связи 12
1.1. Инфокоммуникационные услуги в NGN 12
1.2. Анализ эволюции концепции Интеллектуальной сети 18
1.3; Численные оценки предоставления интеллектуальных услуг 26
1.4. Конвергенция услуг и сетей связи 33
1.5. Проблематика анализа и синтеза инфокоммуникационных услуг в NGN 47
1.6. Цель и задачи исследования 57
1.7. Выводы по главе 1 59
ГЛАВА 2. Аналитические модели инфокоммуникационных услуг при конвергенции сетей .; 60
2.1. Функциональная модель узла услуг NGN 60
2.2. Аналитическая модель узла услуг NGN. 63
2.3. Алгоритмы расчета модели узла услуг NGN 70
2.4. Анализ модели инфокоммуникационных услуг 78
2.5. Выводы по главе 2 82
ГЛАВА 3. Расчет ВВХ сигнальной сети NGN 83
3.1. Инфокоммуникационные услуги и сигнальная сеть NGN. 83
3.2. Модель подсистемы сигнализации 87
3.3. Анализ функциональной модели сигнальной сети 96
3.4. Аналитические выражения для расчета ВВХ узла услуг 104
3.5. Выводы по главе 3 106
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка 108
4.1. Методика проектирования Softswitch 108
4.2. Экспериментальная проверка результатов работы на базе программного коммутатора МКД . 111
4.3. Результаты экспериментальной проверки модели сигнальной сети NGN. 117
4.4. Выводы по главе 4 121
Заключение 122
Библиографический список
- Численные оценки предоставления интеллектуальных услуг
- Аналитическая модель узла услуг NGN.
- Анализ функциональной модели сигнальной сети
- Экспериментальная проверка результатов работы на базе программного коммутатора МКД
Введение к работе
Актуальность проблемы и состояние вопроса.
Телекоммуникационные технологии в последние годы переживают значительные перемены, связанные с конвергенцией сетей и услуг связи и появлением концепции сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network). Основное назначение NGN - предоставление широкого спектра современных услуг связи, которые получили название инфокоммуникационные услуги Именно возможности реализации новых инфокоммуникационных услуг вызвали бурное развитие технологий, которое наблюдается сегодня.
В процессе создания сетей NGN на первое место выходят вопросы качества предоставления инфокоммуникационных услуг. При этом сегодня пока еще отсутствуют исследования характеристик предоставления этих услуг, выполненные на таком же уровне, как это было сделано для дополнительных услуг цифровых АТС или для услуг интеллектуальной сети в ТфОП, т.е. на уровне достаточном для анализа и синтеза, что и обуславливает актуальность диссертационной работы.
Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором лично. В работах [6,39], написанных в соавторстве с коллегами, автору принадлежат материалы, посвященные предоставлению услуг в сетях NGN, в методическом пособии [7] - главы 5-8, посвященные применению протокола SIP. Кроме того, в главе 4 диссертации использован опыт коллективной разработки мультисервисного абонентского концентратора МАК и программного коммутатора доступа МКД, выполненной при участии автора и реализующей на практике некоторые сформулированные в диссертации подходы к анализу реализации инфокоммуникационных услуг в NGN.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является исследование вариантов реализации инфокоммуникационных услуг в сетях NGN и их вероятностно-временных характеристик (ВВХ).
Основными задачами диссертационной работы являются:
1. Выбор критериев оценки качества инфокоммуникационных услуг в сетях NGN
2. Построение структурно-функциональной модели узла услуг NGN
3. Разработка аналитической модели узла услуг
4. Разработка методов оценки качества предоставления инфокоммуникационных услуг на основе аналитической модели узла услуг
5. Экспериментальная проверка полученных результатов
6. Разработка рекомендаций по расчету ВВХ при проектировании ceraNGN при заданных исходных данных
Научная новизна работы состоит в формализованном описании механизма предоставления инфокоммуникационных услуг в современных сетях связи, в выборе критериев качества предоставления услуг, а также в разработке новой модели узла услуг NGN, позволяющей выбрать рациональную архитектуру сети NGN на основе заданных критериев качества.
Практическая ценность и реализация результатов. Полученные формулы, методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании узлов услуг для сетей NGN с учетом заданных критериев качества услуг.
Результаты работы могут быть использованы научно-исследовательскими, производственными и эксплуатационными организациями при создании проектной документации, а также для решения задач по улучшению характеристик существующих сетей NGN.
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на шестой ежегодной международной конференции, Москва, 2002; 57-й научной сессии, посвященной Дню радио, МТУСИ, 2002, 2-ой Международной конференции «Состояние и перспективы развития Интернет в России» Ассоциации Документальной Электросвязи, Москва, 2003; семинаре-совещании «Сотрудничество и конкуренция операторов связи в современных рыночных условиях», Москва, 2002г.; научно-технических конференциях СПбГУТ 2001 - 2005 гг.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы опубликованы в материалах научно-технических конференций, форумов и журналах отрасли — всего 18 работ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Критерии качества предоставления инфокоммуникационных услуг в сетях NGN
2. Структурно-функциональная модель узла услуг NGN.
3. Аналитическая модель подсистем узла услуг NGN.
4. Методы оценки качества предоставления инфокоммуникационных услуг.
5. Обобщенный алгоритм расчета ВВХ при проектировании сети NGN на основе исходных данных.
Содержание пояснительной записки.
В главе 1 проводится анализ тенденций развития телекоммуникационных сетей с точки зрения предоставления услуг, содержится перечень критериев качества дополнительных услуг АТС, услуг интеллектуальной сети, а также обосновывается выбор критериев . для инфокоммуникационных услуг в сетях NGN. Кроме того, приводится архитектура сети NGN, используемая в диссертационной работе для исследования реализаций инфокоммуникационных услуг. Определяется область исследований, формулируются основная цель и задачи диссертационной работы.
В главе 2 разрабатывается функциональная модель узла услуг NGN с учетом различного набора услуг, а на ее основе разрабатывается математическая модель. Приводятся аналитические выражения для вычисления ВВХ узла услуг. Проводится численный анализ вероятности отказа в предоставлении услуги и задержки обработки запроса. Описывается методика выбора оптимальной архитектуры сети NGN на основе заданных критериев качества предоставления услуг.
Для более полного анализа ВВХ узла услуг NGN в главе 3 исследуется подсистема сигнализации узла услуг NGN. Для этого разработана функциональная модель подсистемы сигнализации узла услуг NGN. В качестве математической модели используется модель с двумя классами приоритетов без прерываний обслуживания. На основании полученной математической модели рассчитан средний размер очереди, средняя задержка, вариация задержки для сообщений с гарантией доставки и без гарантии доставки. По полученным формулам построены графики и изучен характер графиков для различных соотношений интенсивностей поступления сообщений. Приводится алгоритм расчета порога системы, при котором наблюдается перегрузка узла услуг NGN.
В главе 4 приведен обобщенный алгоритм вычисления ВВХ узла услуг NGN, который может быть использован в инженерных расчетах. Алгоритм опробован при построении мультисервисной сети ЗАО «НТЦ ПРОТЕИ» в ОАО «Ленсвязь», выполненном при участии автора, что отражено в соответствующем акте внедрения. Приведено исследование процессов поступления сигнального трафика на узел услуг для реальной сети. Показано место разработанных в диссертации моделей и методов в процессе перехода к сетям связи следующего поколения.
Численные оценки предоставления интеллектуальных услуг
Существует ряд организаций, которые пытаются определить стандарты для оценки производительности сетей связи. Среди основных можно отметить Международный союз электросвязи, Американский национальный институт стандартов (ANSI), Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI).
В Интеллектуальной сети [104] анализ пропускной способности не совсем ясен ввиду различных услуг и другого трафика, а также слабо изученной формы поступающего в сеть трафика.
Естественная стартовая точка — это рассматривать каждую услугу отдельно. Различные услуги имеют обычно различные времена занятия и различные процессы поступления вызовов (например, Пуассоновский, массовые вызовы).
Для простого пользователя любая телекоммуникационная система, включая NGN, представляется как абстрактная машина, отвечающая на определяемые пользователем запросы/сигналы/команды набором ответов, доставляемых до пользователя. Упрощенно аспекты QoS должны быть разделены на две группы: потери и задержки, характеризуемые средней величиной и дисперсией.
МСЭ определяет в Рекомендации Е.724 уровень обслуживания (Grade of Service, GoS) как набор инженерных переменных, используемых для обеспечения соответствия группы ресурсов определенным условиям; этими переменными могут быть вероятность потерь, задержка, и т.д [91].
Рекомендация Е.724 предлагает ряд величин для оценки производительности IN. С точки зрения производительности ключевыми свойствами ИСС, которые должны быть учтены, являются: более сложные услуги, основанные на новой модели вызовов; распределенная логика услуг, новые интерфейсы для взаимодействия между пользователем и сетью, а также между различными сетевыми элементами.
Рассмотрим области исследования, с помощью которых можно оценивать NGN, а именно: задержка после набора номера - Post Dialing Delay (PDD); задержка ответа сети - Network Response Delay (NRP); доля неполных вызовов - Impaired Call Rate; емкость сети; моделирование пользовательского трафика.
Задержка после набора номера. PDD, также известная как PSD (Post Selecting Delay), определяется как интервал времени от момента, когда вызывающий терминал послал последний бит набранного номера, до момента, когда вызывающий терминал соединился с вызываемым. С ростом производительности телекоммуникационных систем, а также появлением системы сигнализации ОКС7 значение этой задержки сильно снизилось. Но PDD все еще можно использовать при анализе Интеллектуальных сетей по следующим причинам: проектирование многих элементов Интеллектуальной сети, например, SCP, можно основывать на различных критериях задержки, причем PDD является одной из самых важных среди этих критериев; существует косвенные доказательства, что будет существовать тенденция у пользователей к меньшему ожидаемому значению PDD, чем для классических сетей.
В работе [50] можно найти анализ способов использования PDD при проектировании IN.
Увеличение объема и сложности оборудования при организации предоставления интеллектуальных услуг связи приводит к увеличению значения PDD по сравнению с соответствующим значением для базовых услуг на ТфОП.
Важность данной величины в исследовании, проводимом в диссертационной работы, обусловлена ее значительным влиянием на удовлетворение пользователей качеством предоставляемых инфокоммуникационных услуг. Канадской лабораторией BNR (Bell-Northern Research) было выполнено изучение влияния PDD на удовлетворенность пользователей услугами. Для этого 40 человек сделали более 200 звонков каждый. Для анализа может быть использована компьютерная симуляция, имитирующая действия реальной сети.
Каждый субъект произвел 227 звонков трех типов: тренировочные и 2 типа экспериментальных. Первый эксперимент (153 вызова) изучал влияние расстояние вызова, содержание услуги и эффект тоновых сигналов. После каждого типа, пользователя спрашивали об уровне нетерпения (от 1 до 5) и вероятности отбоя при подобной задержке в реальной сети (маловероятно, 50%, наиболее вероятно). Во втором эксперименте (40 вызовов), пользователям давали 2 типа распределения задержек для сравнения отношения между средней задержкой и ее колебаниями.
Был получен следующий важный результат: пользователи могут легко оценить различия в значении PDD и могут определить уровень удовлетворения.
Аналитическая модель узла услуг NGN.
Устройство узла услуг можно достаточно точно представить в виде очереди и обслуживающего прибора. Такой подход часто применяется [96] при моделировании устройств, выполненных на базе серверов.
В качестве простейшей аналитической модели [89] рассмотрим модель с К источниками запросов, одним обслуживающим прибором (узел услуг) с экспоненциальным законом распределения длительности обслуживания и К мест для ожидания. Интенсивность, с которой запросы входят в узел услуг, равна интенсивности, с которой они выходят, потому что система считается устойчивой. Период времени, в течение которого источник запросов находится в состоянии выбора, является попросту отношением среднего времени поступления заявок 1 А, к среднему времени Т + 1/Х прохождения полного круга (т.е. через узел услуг и обратно). Каждый из К источников нагрузки генерирует запросы с интенсивностью X. С другой стороны, период времени, когда узел услуг занят, есть 1-р0, в течение которого выходная интенсивность равна \i. Т.е. средняя интенсивность работы равна ju(l-ро). Приравнивая входную и выходную интенсивности, получаем:
Как уже неоднократно отмечалось, сеть NGN является распределенной сетью, в которой различные задачи выполняет независимыми функциональными элементами. Вышеприведенная модель является очень упрощенной, так как обслуживанием занимается только один элемент узел услуг, который также упрощен.
Исследование процессов, происходящих в мультисервиснои сети, легче всего начать с рассмотрения модели, в которой все типы запросов имеют одинаковую интенсивность поступления и обслуживания в системе. Это упрощение позволяет провести предварительный анализ мультисервиснои сети, на основании которого можно сделать некоторые выводы, относительно процессов происходящих в ней.
Вызовы поступают от оборудования доступа. В качестве оборудования доступа могут выступать транспортные шлюзы, мультисервисные абонентские концентраторы, интегрированные устройства доступа и т.д. Число шлюзов доступа, обозначаемое через К, ограничено и зависит от конфигурации мультисервиснои сети. Поступающие от шлюзов доступа вызовы попадают в устройство управления вызовами, которое выполняет маршрутизацию запросов и управляет предоставлением интеллектуальных услуг. Поступающие вызовы первоначально попадают во Входящую очередь СМ. Размер очереди может быть различный в зависимости от дисциплины обслуживания, что будет детально описано в п.2.3. В очереди вызовы ожидают загрузки в оперативную память профилей пользователя и освобождения модуля СМ. Для предотвращения перегрузки применяется метод ограничения числа одновременно обслуживаемых запросов. Это значит, что одновременно в системе может находиться на обслуживании только N запросов. Данный метод очень часто применяется в оборудовании, обслуживающем большое число запросов и его применение увеличивает производительность системы в целом. За числом запросов в системе следит Входящая очередь СМ. После нее вызовы попадают в очередь модуля СМ, где они ожидают его освобождения. После того, как он примет вызов, он будет обрабатывать его до тех пор, пока не закончит обработку или пока не потребуется управление вызовом со стороны одного из серверов приложений. После этого вызов либо попадает снова в очередь модуля СМ, если требуется его дальнейшая обработка, или покидает систему, если он полностью обработан.
Анализ функциональной модели сигнальной сети
Следует обратить внимание, что средний размер очереди имеет дробную часть, так как среднее число сообщений определяется как среднее число сообщений с гарантией и без гарантии доставки.
1. Х\ Х2. Это означает, что интенсивность поступления сообщений с гарантией доставки меньше интенсивности поступления сообщений без гарантии доставки. Графики на рис. 3.4 показывают сравнение результатов симуляции и математического расчета среднего размера очереди, рис. 3.5 - средней задержки, 3.6 - вариации задержки для различных значений вероятности ошибки. Видно, что разница незначительна и не зависит от разницы между интенсивностью поступления сообщений. Графики для гарантированных сообщений протокола SIP стремятся к кусочно-прямой, которая слабо изменяется с увеличением интенсивности поступления сообщений. Графики для негарантированных сообщений резко увеличиваются при высокой интенсивности поступления сообщений. Большая разница интенсивностей поступления обоих типов сообщений приводит к большей разнице графиков. Интуитивное и разумное объяснение этого заключается в том, что интенсивность поступления негарантированных сообщений стремится к пропускной способности системы при высокой интенсивности. А обработка гарантированных сообщений имеет больший приоритет, чем обработка негарантированных сообщений независимо от высокой или низкой интенсивности трафика. Поэтому график гарантированных сообщений растет более медленно, чем график для негарантированных сообщений.
Комбинация интенсивностей (90,405) является порогом системы. Полная интенсивность трафика, включающая гарантированные и негарантированные сообщения, для комбинации (90,405) стремится к производительности системы при высокой интенсивности трафика. Несмотря на то, что максимальная интенсивность трафика это (360,361), он показывает недопустимую работу системы для негарантированных сообщений, например, 458,60 мс для среднего размера очереди; 1268,46 мс для средней задержки; 1269,04 мс для вариации задержки. Таким образом, оптимальная комбинация интенсивностей зависит от задач проектирования сети с инженерной точки зрения, включающих разумный расчет оборудования SSW, с учетом распределения нагрузки и резервирования.
Интенсивность поступления сообщений с гарантией доставки равна интенсивности поступления сообщений без гарантии доставки. Графики на рис 3.7(а-с) показывают сравнение результатов симуляции и математического расчета среднего размера очереди, средней задержки, вариации задержки для различных значений вероятности ошибки. На этом рисунке видно тоже явление, что наблюдается на рис. 3.4, 3.5 и 3.6, исключая то, что график негарантированных сообщений резко растет при интенсивности поступления сообщений больше чем 340 сооб/с, причина этого такая же. Для комбинации (340,340) виден порог системы. Полная интенсивность трафика, включая гарантированные и негарантированные сообщения, для комбинации (340,340) стремится к производительности системы для высокой интенсивности.
Интенсивность поступления сообщений с гарантией доставки больше интенсивности поступления сообщений без гарантии доставки. Из рис. 3.8 (а-с) видно, что график среднего размера очереди, средней задержки, вариации задержки для гарантированных сообщений также стремится к кусочно-линейной функции (малая шкала на вертикальной оси), которая слабо изменяется при интенсивности поступления сообщений больше 405 сооб/с. График негарантированных сообщений растет медленно при увеличении интенсивности поступления сообщений. На графиках видно интересное явление — средний размер очереди немного больше для гарантированных сообщений (малая шкала на вертикальной оси), средняя задержка меньше для гарантированных сообщений, вариация задержки также меньше для гарантированных сообщений.
Экспериментальная проверка результатов работы на базе программного коммутатора МКД
Экспериментальная проверка результатов проводилась на натурном эксперименте, содержание которого приводится в данном параграфе.
На рис. 4.2 показана архитектура мультисервисной сети на базе оборудования НТЦ ПРОТЕИ. В такой сети возможны все услуги, которые входят в так называемый набор «triple-services»: видео, речь и передача данных. В данном параграфе остановимся на вариантах организации различных видов связи в сети NGN. Сеть представляет собой распределенную архитектуру, состав которой определяется функциональными требованиями. МКД предназначен для управления вызовами в сети NGN, предоставления интеллектуальных услуг (по сути, выполняет функции программного коммутатора - Softswitch), а также для классических функции цифровой АТС: обеспечение СОРМ, создание записей о вызовах, управление правами пользователей и т.д. Для надежности МКД может дублироваться. Использование IP технологии в данном случае значительно упрощает резервирование, так как управление вызовами может осуществляться с любого узла доступного в данный момент. Мультисервисный Коммутатор Доступа (МКД) позволяет коммутировать вызовы в пакетных IP-сетях, составляющих в совокупности сеть связи следующего поколения NGN. Технологии, которые поддерживает коммутатор ПРОТЕЙ-МКД, позволяют оператору предоставлять абонентам весь спектр современных услуг связи.
Рассмотрим варианты организации различных видов связи для данной сети. В общем случае можно выделить три составляющих предоставляемых услуг: услуги речевой связи, услуги передачи данных (на 90% это доступ в Интернет); видео-услуги (услуга «Видео по заказу», видео-телефония и др.). Все три типа услуг могут предоставляться в рамках такой сети.
Коммутатор доступа ПРОТЕИ-МКД предназначен для развития существующей Единой сети связи и для построения современной мультисервисной сети. Он дает возможность сократить нагрузку на коммутационное оборудование опорной сети за счет концентрации и коммутации трафика от оборудования доступа. Сеть доступа, построенная с использованием оборудования ПРОТЕЙ-МКД, обеспечивает предоставление абонентам услуг мультисервисной сети на основе коммутации пакетов, включая высокоскоростную передачу данных.
ПРОТЕИ-МКД стыкуется с ТфОП с помощью модулей-шлюзов. Он способен коммутировать транзитный трафик (выполнять функции транзитной АТС). При этом поддерживаются следующие виды сигнализации: ОКС7, E-DSS1, R1.5. ПРОТЕЙ-МКД может использоваться также в качестве узла коммутации услуг (SSP), взаимодействовать с узлами управления услугами (SCP) по протоколу INAP-R и серверами приложений по интерфейсу Parlay или SIP.
Во втором случае ПРОТЕИ-МКД выполняет функции программного коммутатора в мультисервисной сети связи, т.е. он маршрутизирует VoIP вызовы в сетях с коммутацией IP-пакетов. ПРОТЕЙ-МКД поддерживает следующие протоколы ТР-телефонии: SIP/SIP, Н.323, H.248/MEGACO. Таким образом, ПРОТЕИ-МКД может взаимодействовать с помощью стандартных интерфейсов практически с любым видом оборудования, предназначенного для использования в сетях ІР-телефонии (программными коммутаторами, шлюзами, привратниками, прокси-серверами, ІР-телефонами).
Мультисервисный абонентский концентратор ПРОТЕЙ-МАК представляет собой оборудование доступа нового поколения и обеспечивает возможность предоставления абонентам услуг интегрированного мультисервисного широкополосного доступа. Абонентский концентратор ПРОТЕИ-МАК предназначен для построения современной сети доступа. Сеть доступа, построенная с использованием оборудования ПРОТЕЙ-МАК, обеспечивает предоставление абонентам услуг широкополосного доступа в мультисервисных сетях связи (NGN). ПРОТЕЙ-МАК включается в ІР-сеть с помощью интерфейса Ethernet 100 Мбит/с с использованием протоколов SIP или H.248/MEGACO.
Для проведения эксперимента на базе оборудования ПРОТЕЙ была построена сеть NGN (рис. 4.3). В качестве оборудования доступа использовались Мультисервисные абонентские концентраторы (МАК), а в качестве узла услуг - Мультисервисный коммутатор доступа (МКД). Оборудование объединялось оптической транспортной сетью IP/MPLS с пропускной способностью 1000 Мбит/с. На исследуемых МАК и МКД была уставлено измерительное оборудование, на основании которого делались записи о процессах обработки запросов на предоставление услуг. Был произведен расчет ПРОТЕЙ-МКД на основании полученного в п.4.1 алгоритма.
