Введение к работе
Актуальность темы. Постоянное развитие интеллектуальных сфер деятельности человека в современном обществе влечет за собой рост объема передаваемой информации. Несмотря на существенное увеличение скорости передачи информационных потоков в цифровых сетях связи, по-прежнему остается актуальной задача оценки качества обслуживания потоков трафика.
Как на уровне доступа, так и на магистральном уровне мультисервисной сети связи (МСС) эффективно используются технологии асинхронного метода переноса ATM (Asynchronous Transfer Mode) и многопротокольной коммутации по меткам MPLS (Multiprotocol Label Switching), интегрированные с другими технологиями коммутации пакетов. Расчет пропускной способности каналов на мультисервисной сети связи необходимо выполнять с учетом таких основных параметров, нормируемых Международным союзом электросвязи (МСЭ-Т), как доля потерянных ячеек и величина задержки в обслуживании ячеек. Исследования, проведенные как за рубежом, так и в нашей стране показали, что действующие на мультисервисных сетях связи потоки трафика обладают свойством самоподобия. В связи с этим весьма актуальной задачей является разработка алгоритмов анализа и синтеза самоподобных потоков трафика реального времени. Использование данных алгоритмов при имитационном моделировании позволяет исследовать влияние степени самоподобия на параметры качества обслуживания в сетях с коммутацией пакетов.
Существующие в настоящее время аналитические методы расчета пропускной способности мультисервисной сети развиты для сетей, построенных на основе технологии коммутации каналов. Эти методы расчета позволяют оценить такие характеристики качества обслуживания на уровне соединения, как потери по времени и по вызовам. Данные характеристики не нормируются МСЭ-Т для мультисервисной сети. Однако, относительная простота методов оценки качества обслуживания, развитых для сетей с коммутацией каналов, делает актуальным вопрос исследования возможности их использования для получения приближенной оценки доли потерянных ячеек.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов анализа и синтеза потоков трафика реального времени на мультисервисной сети связи. Для достижения этой цели в диссертации решены следующие задачи:
- проведен анализ потоков трафика с переменной скоростью передачи по выделенным каналам на мультисервисной сети с технологией ATM в г. Москве, в результате которого установлено, что эти потоки трафика обладают свойствами самоподобия и долгосрочной зависимости,)
- разработаны процедуры оценки параметров трафика, обладающего свойством самоподобия;
- на основе метода обратного дискретного вейвлет-преобразования разработан алгоритм синтеза самоподобного потока трафика;
- исследована дисциплина обслуживания потоков сообщений в мультиплексорах ATM/MPLS и разработаны имитационные модели системы обслуживания с коммутацией пакетов, позволяющие проводить оценку доли потерянных ячеек реального времени с учетом свойства самоподобия трафика.
Методы исследования. Для решения поставленной в работе задачи использовались методы теории телетрафика, математической статистики, вейвлет преобразования и компьютерного моделирования.
Научная новизна работы.
1. В результате исследования параметров потоков трафика по выделенным каналам на мультисервисной сети с технологией ATM получены следующие результаты:
- определен период наибольшей нагрузки для потоков трафика деловых пользователей по выделенным каналам;
- определена корреляционная зависимость между степенью самоподобия потока трафика и такими параметрами трафика, как коэффициенты вариации и пачечности скорости передачи;
- исследование стохастических свойств вейвлет-коэффициентов, значения которых были получены в результате вейвлет-анализа рассмотренных потоков трафика, показало, что для потоков трафика по отдельным виртуальным каналам вейвлет-коэффициенты точных масштабов могут быть описаны распределением Коши. Определена область изменения параметра формы распределения Коши: для каналов среднего использования - от 0,3 до 0,4; для каналов высокого использования - от 0,4 до 0,7.
2. Разработанный алгоритм синтеза дискретных временных рядов позволяет проводить моделирование поступающих потоков трафика с заданными параметрами средней скорости передачи, дисперсии скорости передачи и степени самоподобия. В основу разработанного алгоритма положен метод обратного дискретного вейвлет-преобразования. Необходимым условием применения этого метода является положительность синтезируемого ряда и условие, что все его элементы не превосходят порогового значения, равного пиковой скорости передачи.
3. Получены соотношения между потерями по времени, определяемыми аналитическими методами для модели системы обслуживания с коммутацией каналов, и долей потерянных ячеек в имитационной модели с коммутацией пакетов. Соотношение между потерями по времени и долей потерянных ячеек при фиксированной величине передаточного ресурса получено при соблюдении норм МСЭ-Т на время задержки ячеек.
4. С помощью разработанных имитационных моделей системы обслуживания с коммутацией пакетов исследовано влияние степени самоподобия трафика, поступающего по мультиплексируемым виртуальным каналам класса сервиса реального времени с переменной скоростью передачи на показатели качества обслуживания трафика. Обслуживание виртуальных каналов выполнялось по методу взвешенного циклического считывания. Построены номограммы изменения доли потерянных ячеек от пропускной способности системы обслуживания при фиксированном значении задержки и степени самоподобия.
Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Практическая ценность диссертации заключается в доведении разработанных алгоритмов анализа и синтеза самоподобных потоков трафика на основе вейвлет-преобразования до программной реализации на ПЭВМ. Реализация алгоритма синтеза в рамках имитационной модели системы обслуживания с технологией ATM, где мультиплексируются виртуальные каналы класса сервиса реального времени с переменной скоростью передачи, позволяет при заданных параметрах входных потоков трафика определять пропускную способность виртуального пути, долю потерянных ячеек, величину задержки обслуженных ячеек, необходимые размеры буферов. Результаты моделирования использованы для оценки пропускной способности цифровых трактов на корпоративной мультисервисной сети связи ЗАО «Газтелеком» в соответствии с параметрами качества обслуживания, нормируемыми МСЭ-Т. Кроме того, результаты диссертационной работы используются в качестве лекционного материала в учебном процессе на кафедре автоматической электросвязи МТУСИ, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы, Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУСИ (Москва, 2000, 2004-2006 г.г.), на конференциях «Телекоммуникационные и вычислительные системы» в рамках Международного форума информатизации, проводимых на базе МТУСИ (Москва, 2003-2005 г.г.), на кафедре автоматической электросвязи МТУСИ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В результате анализа потоков трафика деловых пользователей по выделенным каналам определено, что в качестве периода наибольшей нагрузки следует рассматривать интервал времени с 10 до 17 часов. Для большинства рассмотренных потоков трафика отмечено превышение средней скорости передачи исходящего трафика от IP-провайдера к пользователю над входящим примерно в 1,6 раза. Практически все рассмотренные потоки трафика обладают высокой степенью самоподобия. Так, для исходящего трафика в 95% наблюдений параметр Херста превысил значение 0,75. Установлено наличие отрицательной корреляции между параметром Херста и такими параметрами трафика, как коэффициенты вариации и пачечности скорости передачи.
2. Определено, что синтез самоподобного потока трафика на основе обратного дискретного вейвлет-преобразования необходимо выполнять с учетом сле дующих ограничений: синтезируемый ряд должен быть положительным на всем промежутке времени и его элементы не должны превышать значений пиковой скорости передачи. Результатом моделирования поступающих потоков трафика реального времени в сетях с коммутацией пакетов на основе данного преобразования является определение моментов поступления на передачу каждой из ячеек и объема заполнения ее информационной части.
3. Определено, что рост степени самоподобия поступающего потока трафика приводит к увеличению доли потерянных ячеек при фиксированной средней величине задержки обслуженных ячеек. Так, в области малых потерь разница в долях потерянных ячеек при мультиплексировании потоков трафика с параметром Херста №0,5 и с параметром #=0,95 составляет до четырех порядков.
4. В результате использования разработанных имитационных моделей определено приближенное соотношение между долей потерянных ячеек в системе обслуживания с коммутацией пакетов и потерями по времени в системе обслуживания с коммутацией каналов. Установлено, что при мультиплексировании в одном тракте небольшого числа виртуальных каналов (до 50) с одинаковыми параметрами трафика в области верхних значений степени самоподобия, доле потерянных ячеек 10 7 соответствует величина потерь по времени порядка 0,01%.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и б приложений. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 23 таблицы, список литературы состоит из 109 наименований.
