Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время реализуется второй этап концепции сетей связи последующего поколения NGN (Next Generation Networks)-KOHBepreHUM стационарных и мобильных сетей связи на базе мультимедийной IP-подсистемы IMS (IP Multimedia Subsystem). С помощью подсистемы IMS пользователям предоставляется широкий набор услуг с гибкими возможностями по управлению, персонализации и созданию новых наборов услуг за счет унификации сетевых решений. Одной из таких услуг является услуга Интернет-телевидения по протоколу IP (технология IPTV-Internet Protocol Television).
Платформа IMS предназначена для управления сессиями при предоставлении любых мультимедийных услуг с помощью мультисервисных сетей с использованием технологии IP/MPLS. Основным протоколом сигнализации для подсистемы IMS является протокол инициирования сеансов связи SIP (Session Initiation Protocol).
Основным источником доходов операторов являются новые услуги. При этом операторы должны обеспечить нормированные уровни качества обслуживания QoS (Quality of Service) и восприятия QoE (Quality of Experience), безопасность, интерактивность и надёжность. В этих условиях задача разработки метода оценки вероятностно-временных характеристик процессов предоставления услуг IPTV с помощью подсистемы IMS является весьма актуальной.
Степень разработанности темы. Различным аспектам решения данной задачи посвящены работы российских и зарубежных авторов. Так, теоретическую основу исследования с помощью сетей массового обслуживания составили работы Г. П. Башарина, В. М. Вишневского, К. Е. Самуйлова, С. Н. Степанова, D. D. Kouvatsos, I. М. Mkwawa, F. Baskett, К. М. Chandy, R. R. Muntz, F. G. Palacios.
Вопросы архитектуры IMS и взаимодействия сигнальных сообщений при установлении соединений рассмотрены в работах Б. С. Гольдштейна,
A. Е. Кучерявого, А. В. Рослякова, Е. Mikoczy, D. Sivchenko, В. Xu,
J. I. Moreno.
Процедуры переключения каналов IPTV рассмотрены в работах
B. Dekeris, L. Narbataite, S. Malkos, E. Ucar, R. Akdeniz.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода оценки вероятностно-временных характеристик процесса установления соединений при предоставлении услуг IPTV с помощью платформы IMS. Исследованы время переключения каналов и длительность установления соединений при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS.
Для достижения этой цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
1. Проведен анализ способа предоставления услуг IPTV на базе платформы IMS.
-
Выполнен анализ основных параметров, влияющих на время переключения каналов IPTV, проведена оценка среднего времени переключения каналов.
-
Для оценки длительности установления соединений IPTV-сессий разработана математическая модель в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания, получены в явном виде аналитические выражения, выполнен численный анализ.
-
Проведено имитационное моделирование процесса установления соединений с использованием платформы IMS при предоставлении услуг IPTV. Моделирование выполнено при изменении исходных данных в широком диапазоне, проведено сравнение средней длительности установления соединений, полученной аналитически и в результате имитационного моделирования.
-
На основании проведенных исследований предложена приближённая процедура для оценки длительности установление соединений IPTV-сессий с помощью платформы IMS.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
В результате детального анализа рекомендаций МСЭ-Т и ETSI по IPTV-архитектуре и качеству восприятия (QoE) определены параметры, в наибольшей степени влияющие на время переключения каналов: число пользователей, одновременно просматривающих один и тот же текущий канал, размер групп видеокадров, вероятности загрузки каналов от узла доступа или от узла агрегации и доля трафика других услуг. Получены численные оценки времени переключения каналов, позволяющие операторам связи управлять качеством восприятия.
-
Для оценки средней длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV разработана математическая модель в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания. В явном виде получена формула для расчета средней длительности установления соединений, представлены результаты численного анализа. Полученные оценки позволяют операторам связи контролировать интенсивность запросов для поддержания нормированного уровня качества обслуживания.
-
Для оценки влияния принятых в математической модели допущений об отрицательном экспоненциальном законе распределение вероятностей длительности обслуживания заявок и генерации на каждом узле только одного сигнального сообщения разработана имитационная модель процесса установление соединение в среде GPSS World.
Результаты моделирование отрицательного экспоненциального распределение длительности обслуживания заявок и детерминированного распределения, а также расчёты по математической модели укладываются в 95% доверительный интервал.
4. На основании анализа процесса обмена сигнальными сообщениями при
установлении IPTV-сессий с помощью платформы IMS и с учётом длин сигнальных сообщений предложена приближённая оценка средней длительности установления соединений. При нормальной загрузке каналов в сети приближённая оценка практически совпадает со значениями, полученными с помощью математической модели. При предельно допустимой загрузке приближённые значения позволяют получить нижнюю оценку длительности установления соединений с погрешностью до 10 %.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в построении и исследовании модели открытой неоднородной сети массового обслуживание для оценки длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV с помощью мультимедийной платформы IMS.
Полученные численные оценки среднего времени переключения каналов и средней длительности установления соединений позволяют операторам связи управлять качеством обслуживание и восприятия при предоставлении услуг IPTV. Рекомендации, полученные в диссертации по управлению качеством обслуживания и восприятия при предоставлении IPTV-услуг, использованы телекоммуникационной компанией DYNAMIC SOLUTIONS при проектировании мультисервисной сети связи города Сана Республики Йемен, а также использованы в учебном процессе кафедры «Сети связи и системы коммутации» Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ). Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории массового обслуживания, теории марковских случайных процессов, теории телетрафика, теории сетей связи, методы имитационного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
На среднее время переключение IPTV-каналов в период рекламной паузы наибольшее влияние оказывают следующие факторы: число пользователей, одновременно просматривающих один и тот же канал; размер и число групп видеокадров; вероятность загрузки каналов от узла доступа или от узла агрегации; доля трафика других услуг. Так, например, при загрузке каналов из узла агрегации задержка может достигать 0,5-0,6 секунд при её нормированной величине не более двух секунд.
-
Для математического описание процесса установления соединений при предоставлении услуг IPTV в виде открытий неоднородной сети массового обслуживание приняты допущения о пуассоновском характере потока заявок и о показательном распределении длительности обслуживания заявок в серверах. Имитационное моделирование показало возможность использования этих допущений при практическом использовании результатов, полученных по предложенной модели.
-
Численный анализ средней длительности установления соединений
с помощью платформы IMS при предоставлении услуг IPTV и голосовых сообщений (VoIP) показал, что длительность установления соединений для услуг IPTV примерно в два раза больше длительности для услуг VoIP.
-
При имитационном моделировании учитывалась длительность задержки обслуживания запросов на каждом сервере. Максимальное значение имело место на прокси-сервере (более 25% от суммарной задержки).
-
Для приближённой оценки средней длительности установления соединений достаточно учитывать длины и скорость передачи сигнальных сообщений, а также среднее значение времени обработки запросов на серверах.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием строгих математических методов исследования и вычислительным экспериментом, проведенным на базе исходных данных, близких к реальным.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
«Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ, Москва, 2011 -2013гг.;
6-я и 7-я Отраслевые научно-технические конференции «Технологии информационного общества», МТУСИ, Москва, 2012, 2013 гг.;
Всероссийская научно-техническая конференция общества радиотехники, электроники и связи имени А. С. Попова, Москва, 2013г.;
Международная молодежная научно-практическая конференция СКФ МТУСИ «ИНФОКОМ-2013 г.», Ростов-на-Дону, 2013 г., а также на кафедре Сетей связи и систем коммутации МТУСИ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии и пяти приложений. Основные результаты изложены на 107 страницах, в том числе на 30 рисунках и в 9 таблицах. Дополнительные сведения изложены в приложениях на 15 страницах. В библиографию включено 118 источников на русском и английском языках.
