Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ характеристик сетей телефонной связи 18
1.1. Принципы построения системы телефонной связи 18
1.2. Эволюция телефонной сети общего пользования 25
1.3. Модель NGN-сети следующего поколения 28
1.4. Основные проблемы перехода к NGN 30
1.5. Формализация основной задачи Оператора ТФОП 38
1.6. Выводы по главе 1 48
2. Методы расчета СМО и СеМО 50
2.1. Исследуемые характеристики 50
2.2. Однолинейные системы без приоритетов 51
2.2.1. Системы с простейшим входящим потоком 51
2.2.2. Системы с произвольным характером входящего потока 74
2.3. Однолинейные системы с относительными приоритетами 82
2.4. Многофазные системы и сети массового обслуживания 94
2.4.1. Модели СеМО 94
2.4.2. Распределение длительности задержки заявок в СеМО 99
2.5. Выводы по главе 2 105
3. Вероятностно-временные характеристики ceraNGN 107
3.1. Показатели качества обслуживания трафика 107
3.2. Математическая модель ceraNGN 122
3.2.1. Общий подход к разработке модели 122
3.2.2. Характер потока заявок, обслуживаемых СеМО 123
3.2.3. Число мест для ожидания в очереди 134
3.2.4. Модели элементов сети NGN 136
3.3. Исследование задержки IP пакетов в сети NGN 138
3.4. Учет фрактальных свойств трафика Internet 148
3.5. Методика расчета пропускной способности сети NGN 151
3.6. Выводы по главе 3 153
4. Принципы модернизации сети доступа 155
4,1. Задачи прогнозирования 155
4.1.1. Классификация задач и методов прогнозирования 155
4.1.2. Выбор метода прогнозирования 159
4.1.3. Особенности прогнозирования пропускной способности 168
4.1.4. Аспекты прогнозирования поддерживаемых услуг 170
4.1.5. Повышение точности прогнозов 172
4.2. Процесс планирования транспортной сети доступа 175
4.3. Сценарии построения транспортной сети доступа 177
4.3.1. Классификация основных сценариев 177
4.3.2. Сценарии, различающиеся функциональными возможностями... 179
4.3.3. Сценарии, различающиеся структурой транспортной сети 180
4.3.4. Типичный сценарий модернизации транспортных сетей 183
4.4. Методика расчета транспортной сети доступа 188
4.4.1. Перечень основных задач 188
4.4.2. Деление транспортной сети доступа на сектора 189
4.4.3. Выбор кольца для включения СУ 201
4.4.4. Включение новых СУ 204
4.4.5. Оценка ресурсов для резервирования сети доступа 207
4.5. Процесс планирования коммутируемой сети доступа 209
4.6. Методика расчета коммутируемой сети доступа 212
4.6.1. Постановка задачи 212
4.6.2. Применение МАК в сети доступа 215
4.6.3. Пример решения одной частной задачи 220
4.7. Выводы по главе 4 222
5. Сценарии модернизации ГТС и СТС 225
5.1. Общий подход 225
5.2. Методология модернизации ГТС и СТС 227
5.3. Модернизация телефонной сети без узлов 231
5.4. Модернизация телефонной сети с УИС и УВС 242
5.5. Модернизация сельской телефонной сети 250
5.6. Прагматический подход к построению NGN 254
5.7. Выводы по главе 5 262
Заключение 264
Литература
- Принципы построения системы телефонной связи
- Однолинейные системы без приоритетов
- Показатели качества обслуживания трафика
- Классификация задач и методов прогнозирования
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы начались радикальные изменения концептуальных положений, определяющих основные направления дальнейшего развития телекоммуникационной системы. Концепцию сети связи следующего поколения, хорошо известную по аббревиатуре NGN (Next Generation Network), большинство специалистов рассматривает как самый разумный путь развития телекоммуникационной системы [82,161, 165,217,218].
Принципы построения NGN в общих чертах сформулированы в работах Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI), а также в трудах отечественных и зарубежных ученых. Основные задачи, которые предстоит решать всем участникам инфокоммуникационного рынка, заключаются в выборе путей перехода от эксплуатируемых сетей электросвязи к NGN. Разработка научно обоснованных принципов построения NGN поможет принять правильные решения по созданию эффективной инфокоммуникационной системы [19,99].
Большинство монографий, статей, докладов на конференциях отечественных и зарубежных специалистов посвящены различным вопросам модернизации существующей телекоммуникационной системы, но аспекты формирования NGN как процесса развития эксплуатируемых сетей связи, как правило, не рассматриваются. Значительное внимание уделено одной из основных проблем функционирования NGN - задержкам пакетов в сети, что существенно влияет на качество обслуживания некоторых видов трафика. Полученные результаты интересны с точки зрения развития теории телетрафика и позволяют решить ряд частных задач, возникающих в процессе исследования качества обслуживания трафика в NGN. Тем не менее, они не позволяют провести анализ всех тех характеристик, которые необходимы для проектирования NGN в соответствии с нормами, которые установлены МСЭ и ETSI.
Теоретически NGN может создаваться в процессе эволюции любой сети электросвязи: телефонной, обмена данными, кабельного телевидения (КТВ). Для практического воплощения NGN подходит только телефонная сеть общего пользования (ТФОП) в силу ряда причин технического и экономического характера. Предыдущий этап модернизации ТФОП был связан с установкой
8 коммутационных станций с программным управлением. Как правило, эти станции были цифровыми. Результаты соответствующих исследований не были доведены до инженерных методик, которые могли бы применяться при проектировании телефонных сетей. Поэтому на этапе цифровизации ТФОП были допущены серьезные ошибки, что привело к значительному росту затрат на развитие всей телекоммуникационной системы. При формировании NGN необходимо избежать подобных ошибок. Для этого следует разработать ряд методик планирования сети.
Отсутствие научно обоснованных решений по принципам модернизации ТФОП для ее постепенной трансформации в NGN, рекомендаций по расчету вероятностно-временных характеристик (ВВХ) в соответствии с нормами МСЭ и ETSI, а также методик планирования сети определяет актуальность диссертации.
Цели и задачи исследования. Основные цели диссертационной работы состоят в исследовании ряда системных аспектов построения NGN, которые объединены тремя взаимоувязанными задачами. Первая задача состоит в исследовании базовых принципов трансформации городских (ГТС) и сельских (СТС) телефонных сетей в NGN. Исследование ВВХ процессов обмена IP (Internet Protocol) пакетами в NGN относится ко второй задаче. Третья задача - разработка методик, которые могут быть использованы при проектировании NGN.
Методы исследования. Исследования, проведенные в диссертационной работе, основаны на результатах, которые получены в теориях вероятности, массового обслуживания, математической статистики, управления запасами, принятия решений, оптимизации. Были также использованы методы экспертных оценок и экономического анализа. Для проверки ряда теоретических положений, которые связаны с анализом сетей и систем массового обслуживания, применялся метод имитационного моделирования.
Научная новизна. Новые результаты, полученные в диссертационной работе, сводятся к следующим положениям:
1. Выполнен анализ процессов развития российской телефонной сети. Выделена основная ошибка, свойственная процессу цифровизации, - отказ от использования коммутационных станций большой емкости. Это привело к росту капитальных затрат на развитие сети и эксплуатационных расходов. Задача перехода к сети NGN сформулирована как минимизация ошибок, которые были
9 накоплены на предшествующих этапах модернизации системы телефонной связи. Оценкой ошибок предложено считать величину дополнительных затрат или их доли относительно оптимального варианта построения сети.
Разработан методологический подход к формированию сети NGN, основанный на достижении конечной цели. Он опирается на иерархическую цепочку: стратегия - сценарий - вариант. Переход к NGN рассматривается как возможность сокращения отставания от уровня развитых стран при построении современной инфокоммуникационной системы. Эту возможность предложено реализовать за счет "преимущества отстающего". С этой целью определены принципы создания NGN, которые позволят заменять электромеханические автоматические телефонные станции (АТС) оборудованием пакетной коммутации. Разработана прагматическая стратегия перехода к NGN, позволяющая предоставлять современные виды обслуживания тем пользователям местной телефонной сети, которые готовы оплачивать новые функциональные возможности. При реализации прагматической стратегии перехода к NGN минимизируется риск Оператора, связанный с потерей той части клиентов, которые приносят ему существенные доходы.
Обосновано совместное применение двух методов формализованного прогнозирования характеристик инфокоммуникационной системы. Первый из них основан на выборе прогностической кривой с помощью метода наименьших квадратов. При этом выбранную кривую желательно проверить "прогнозированием прошлого". Второй метод основан на мониторинге исследуемого процесса. Он позволяет установить возможное изменение тренда, выявленного с помощью первого метода. В качестве интуитивного метода прогнозирования предложен способ, основанный на анализе аналогичных тенденций, которые известны для развитых стран. Такой подход был апробирован при разработке ряда прогнозов и доказал свою эффективность. Он базируется на гипотезе о том, что в каждой сети исследуемый процесс повторяется с теми отличиями, которые можно выразить с помощью следующих терминов: "амплитуда" (уровень насыщения), "частота" (скорость развития) и "фаза" (задержка начала предоставления услуги или внедрения технологии). Эти три неизвестные величины могут быть получены методом Делфи или с помощью эвристических методов. Установлена цикличность
10 появления новых технологий, радикально меняющих облик всей инфокоммуникационной системы. Показано, что эти циклы подобны "длинным волнам" Н.Д. Кондратьева.
4. Предложен ряд алгоритмов для решения задач, которые возникают при
планировании сетей доступа. Показано, что для решения большинства
топологических задач могут использоваться алгоритмы перебора всех возможных
вариантов. В ряде случаев вводятся разумные ограничения, позволяющие
упростить решение задачи. Разработан метод расчета величины резервных
транспортных ресурсов, предоставляемых системой беспроводного доступа для тех
пользователей, которые заключают с Оператором соглашения об уровне
обслуживания. Этот метод позволяет определить необходимую пропускную
способность для системы беспроводного доступа в зависимости от характера
расположения пользователей в границах пристанционного участка и вероятности
отказа основного и резервного путей обмена информацией.
5. Предложена и обоснована математическая модель тракта обмена IP пакетами
в NGN. Установлено, что для трафика речи гипотеза о пуассоновском входящем
потоке заявок подтверждается теоретическими выкладками и результатами
измерений. Предположение о бесконечной емкости буферного накопителя в
области реальных величин загрузки системы приводит к малым ошибкам в расчете
вероятности потери заявок, но позволяет заметно упростить аналитическое
исследование вероятностно-временных характеристик NGN. Получены оценки
влияния фрактальных свойств, присущих трафику данных, на характеристики
качества обслуживания телефонной нагрузки. Для данного исследования была
предложена модель с бункером на входе, что позволяет оценить максимальное
ухудшение телефонного трафика. Показано, что при введении вполне приемлемых
ограничений на длину IP пакета влияние фрактальных свойств, присущих трафику
данных, не представляется существенным.
6. Получены аналитические выражения для вычисления функции
распределения длительности задержки IP пакетов в отдельных элементах NGN,
представимых в виде систем массового обслуживания (СМО). Эти результаты
позволяют рассчитывать искомые функции при различных дисциплинах
обслуживания (с приоритетами и в порядке поступления). Предложены
приближенные выражения, для которых ошибка в расчете искомых функций не превышает нескольких процентов для больших значений времени. Получены аналитические соотношения для анализа СМО общего вида, если законы распределения времени обработки заявок и интервалов между заявками представимы ступенчатыми функциями. Показано, что использование предложенного метода позволяет существенно повысить точность вычисления вероятностно-временных характеристик в СМО. Проведена оценка тех ошибок в расчете искомых характеристик, которые обусловлены заменой ступенчатых функций непрерывными.
7. Разработан метод для расчета функции распределения длительности задержки пакетов в NGN - сети, состоящей из произвольного числа узлов коммутации (совокупности СМО). Ошибки в оценке функции распределения не превышают десяти процентов, что вполне приемлемо для решения большинства задач, относящихся к планированию сети. Полученные результаты применимы для анализа сетей массового облуживания (СеМО), если корректны предположения о пуассоновских потоках на входе каждой системы.
Практическая ценность. Важнейшие практические результаты - стратегия поэтапной модернизации ТФОП, которая с минимальными затратами приведет к созданию качественно новой инфокоммуникационной системы, а также совокупность методик для планирования NGN, необходимых проектным институтам и Операторам ТФОП для решения задач по модернизации местных телефонных сетей. Практическую ценность представляют также методы прогнозирования основных требований к инфокоммуникационной системе и способы расчета вероятностно-временных характеристик в IP сетях.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:
в ЦНИИС при проведении научно-исследовательских работ, связанных с построением NGN для группы компаний ОАО "Связьинвест" и с развитием телекоммуникационной сети ОАО "Уралсвязьинформ";
в ЛОНИИС при проведении исследований, направленных на преобразование эксплуатируемой телекоммуникационной системы в NGN, и в ряде опытных зон, создаваемых по контрактам с Поставщиками оборудования NGN;
в ИВМиМГ (институт вычислительной математики и математической геофизики) Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) при расчете характеристик IP сети регионального уровня и при разработке рекомендаций по проектированию сетей доступа на базе новых технологий;
в ОАО "КОМСТАР - Объединенные ТелеСистемы" при проведении работ по оптимизации предоставления услуг и внедрению новых технологий;
в проектном институте Типросвязь Северо-Запад" при разработке схем развития сетей электросвязи в ряде субъектов Российской Федерации;
в научно-техническом центре "Протей" при проведении исследований по формированию современных сетей электросвязи, а также при разработке требований к оборудованию NGN;
в учебном процессе кафедры "Системы коммутации и распределения информации" СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Сведения об использовании результатов диссертации подтверждаются соответствующими актами внедрения. Они приведены в первом Приложении.
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на российских (Москва, Новосибирск, Санкт-Петербург) и международных (Болгария, Дания, Израиль, Польша, США, Чехия) конференциях, а также на научно-технических конференциях и семинарах ЛОНИИС и СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 63 научных работах.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты анализа просчетов, допущенных в процессе цифровизации ТФОП, с точки зрения предстоящего перехода к NGN. Выполненный анализ позволяет точнее сформулировать ряд задач, решаемых на этапе перехода к NGN.
Стратегии и сценарии построения NGN на базе местных телефонных сетей. Практический интерес для Операторов представляет прагматический подход к формированию NGN, основанный на сочетании двух взаимодополняющих стратегий: наложенная и выделенная сети. Выбор рационального сценария для принятой стратегии осуществляется в результате анализа кривых чистой текущей стоимости - NPV (или другого экономического показателя) при условии, что все требования к NGN соответствуют установленным нормам.
Методы планирования сетей доступа с учетом требований NGN. Для упрощения исследований использован принцип декомпозиции сети связи на транспортную (первичную) и коммутируемую (вторичную). Этот подход был предложен российскими специалистами более тридцати лет назад, а позднее стал использоваться и в практике международного союза электросвязи (МСЭ) и европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI). Его применение при исследовании NGN также оказалось весьма продуктивным. Предложено обеспечение требуемой надежности связи для определенной группы терминалов за счет резервирования кабельных линий трактами, которые организуются оборудованием беспроводного доступа.
Принципы прогнозирования требований к NGN, учитывающие развитие инфокоммуникационной системы. Основные требования к NGN можно прогнозировать, совместно используя формализованные и интуитивные методы. Предлагаемый подход обоснован отсутствием статистических данных для новых технологий и услуг, а также сменой тренда ряда зависимостей, для которых законы развития недавно казались незыблемыми.
Модель NGN для расчета основных вероятностно-временных характеристик процессов обмена IP пакетами в виде СеМО, состоящей из однолинейных систем. Эта модель выбрана в результате анализа алгоритмов обмена информацией между терминалами пользователей через NGN. Для всех принятых допущений приведены оценки их влияния на точность полученных результатов.
Результаты исследования СМО, которые служат моделями устройств передачи и коммутации IP пакетов. Для этих СМО получены все характеристики, которые необходимы для анализа показателей качества обслуживания в NGN при различных дисциплинах обработки и передачи IP пакетов. Основная сложность исследования СМО заключается в получении выражений для расчета функций распределения времени задержки заявок.
Методы расчета вероятностно-временных характеристик процессов обмена IP пакетами в сети, позволяющие оценивать характеристики NGN, которые нормированы в документах МСЭ и ETSI. Методы расчета исследуемых характеристик основаны на результатах, полученных в теории телетрафика. Для
оценки достоверности ряда предложенных методов расчета проведена их
проверка имитационным моделированием.
Личный вклад автора. Результаты исследований получены автором самостоятельно. В работах, которые опубликованы с соавторами, соискателю принадлежит основная роль в постановке и решении задач, а также при обобщении полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Пояснительная записка содержит 282 страницы (без текста Приложений), 119 рисунков, 22 таблицы, 241 формулу.
Содержание пояснительной записки. В первой главе диссертации изложены результаты исследования тех характеристик местных телефонных сетей, которые существенны с точки зрения формирования NGN. Основные решения, принятые на этапе цифровизации ТФОП, влияют на стратегию и тактику перехода к NGN. Поэтому один из разделов первой главы посвящен анализу опыта применения цифровых коммутационных станций в местных телефонных сетях. Выявлены отрицательные последствия цифровизации ТФОП, обусловленные отсутствием методики планирования цифровых телефонных сетей.
Концепция NGN представлена в том виде, который интересен с точки зрения исследования принципов модернизации ТФОП. Это позволяет формализовать основные процессы функционирования NGN, которые рассматриваются в диссертационной работе. В результате анализа концепции NGN предложены и обоснованы математические модели, исследуемые в других главах.
В первой главе диссертационной работы содержится перечень задач, который необходимо решить для научно обоснованного перехода к NGN. Воспользоваться методами, которые были разработаны для предыдущих этапов модернизации ТФОП, невозможно. Создание NGN - качественно новая фаза развития инфокоммуникационной системы. Поэтому для ряда задач по реализации NGN требуется разработка принципиально новых методов решения.
Один из таких методов необходим для оценки ВВХ фрагментов NGN и сети в целом. Поэтому вторая глава диссертационной работы посвящена созданию соответствующих методик для анализа СМО и СеМО, позволяющих адекватно
15 представить процессы функционирования как основных фрагментов NGN, так и пакетной сети в целом. Основная сложность при анализе СМО и СеМО состоит в нахождении функций распределения длительности задержки IP пакетов.
Получены приближенные выражения для расчета искомой функции и выполнена оценка возникающих ошибок. Показано, что ошибки в расчете функции распределения не превышают разумных пределов, позволяющих решать задачи проектирования NGN.
В некоторых случаях необходимо проводить тщательные исследования процессов обработки и передачи IP пакетов. Для подобных исследований получены точные и приближенные формулы, которые позволяют рассчитать функцию распределения длительности задержки IP пакетов.
В третьей главе диссертационной работы исследуются ВВХ, которые важны для проектирования сети NGN, отвечающей всем заранее заданным показателям качества обслуживания (QoS). Эти исследования основаны на результатах, которые получены во второй главе диссертационной работы.
Выполнена декомпозиция показателей качества обслуживания в NGN, которые установлены между терминалами пользователей. Это позволяет сформулировать требования к тем показателям качества обслуживания, которым должны отвечать фрагменты сети и их основные элементы (оборудование коммутации и маршрутизации).
Исследованы ВВХ процессов обмена IP пакетами при приоритетной дисциплине их обработки и передачи. Показано, что введение приоритетов позволяет существенно снизить требования к пропускной способности ряда элементов сети.
Четвертая глава диссертационной работы посвящена задачам модернизации сети доступа в NGN. Современная практика выбора экономически обоснованных вариантов модернизации инфокоммуникационной системы подразумевает разработку ряда альтернативных решений, которые различаются объемом требуемых инвестиций, ожидаемыми доходами и степенью риска. Задача выбора того варианта модернизации сети доступа, который будет реализован, возлагается на лицо, принимающее решение (ЛИР). Функции тщательного исследования каждого варианта - основная задача лица, обосновывающего решение (ЛОР).
Для выбора принципов развития сети доступа необходимо, в первую очередь, определить перспективные требования к инфокоммуникационной системе. С этой целью в одном из разделов четвертой главы приведен ряд прогностических оценок. Для получения этих оценок применяются разные методы прогнозирования. Один из эффективных методов основан на прогнозировании по аналогу [207] с использованием метода Делфи [81,193].
Возможность построения сетей доступа, структура которых оптимальна, существенно ограничена решениями, которые были приняты на предыдущих этапах модернизации ТФОП. Поэтому структуры, используемые в NGN, будут заметно отличаться от оптимальных. Решение некоторых задач проектирования сети из-за совокупности существующих ограничений упрощается. Поэтому в ряде случаев могут эффективно использоваться алгоритмы перебора всех возможных вариантов.
Основное внимание уделяется выбору структуры транспортной сети доступа. Одна из актуальных задач развития этого фрагмента инфокоммуникационной системы заключается в повышении коэффициента готовности. Предложено и обосновано решение поставленной задачи за счет использования двух независимых путей обмена информацией для той группы пользователей, которая готова оплачивать услуги повышения надежности связи. Такой подход обусловлен рядом требований, входящих в соглашение об уровне обслуживания (SLA), которое может заключаться между Оператором и абонентом [147].
В пятой главе диссертационной работы разрабатываются основные сценарии и варианты перехода к NGN. Возможные решения предложены для всех типичных структур ГТС и СТС. Общий подход к модернизации ТФОП рассматривается как минимизация последствий тех ошибок, которые были сделаны на предыдущих этапах развития системы телефонной связи.
Прогностические оценки доходов, получаемых за счет обслуживания трафика речи, свидетельствуют о целесообразности реинжиниринга [170] бизнес-процессов. Разумным решением для Операторов ТФОП может стать переход к обслуживанию трафика, связанного с информацией в трех видах: речь, данные и видео. Такое обслуживание известно по англоязычному термину "triple-play services" [198].
Сценарии модернизации ГТС и СТС представлены с помощью моделей, состоящих из двух плоскостей. Нижняя плоскость используется для описания изменений в части системы коммутации. Эволюция системы сигнализации отображается в верхней плоскости.
Для выбора оптимального сценария модернизации ТФОП предложено использовать одну из кривых, которые содержат информацию о финансовых потоках. В качестве критериев ранжирования сценариев могут быть полезны три характеристики случайной величины: среднее значение и дисперсия ожидаемых доходов или иных экономических показателей деятельности Оператора на рынке инфокоммуникационных услуг, а также размах распределения.
Основная задача пятой главы - обобщение результатов проведенных исследований и составление максимально полной методики проектирования NGN. Эта задача решается за счет разработки алгоритмов, увязывающих в единый процесс основные решения, которые получены в предыдущих главах диссертации.
Акцентировано внимание на вопросах, которые требуют тщательной проработки при подготовке информации для ЛПР. Сформулированы задачи, решение которых будет способствовать улучшению качества выпускаемой проектной документации.
Составлены рекомендации по выбору оптимального варианта создания NGN. Они включают положения технического и экономического характера, а также соображения по анализу возможных рисков.
Принципы построения системы телефонной связи
Словосочетание "система телефонной связи", как правило, ассоциируется с основными принципами построения и развития коммутируемой сети, которая обеспечивает установление соединений для обмена информацией в полосе пропускания канала тональной частоты (ТЧ). Выбор полосы пропускания в диапазоне 0,3 - 3,4 кГц был обусловлен тем, что телефонные сети создавались исключительно для передачи речевого сигнала. Значительно позже они стали использоваться для передачи факсимильных сообщений и обмена данными.
Среди основных принципов построения и развития телефонных сетей целесообразно выделить пять аспектов, прямо или косвенно относящихся к тем вопросам, которые рассматриваются в диссертационной работе: структура сети на всех иерархических уровнях; показатели качества обслуживания трафика речи; план нумерации; система сигнализации; услуги, предоставляемые абонентам.
Модель телефонной сети представлена на рисунке 1.1. Она предложена МСЭ в рекомендациях серии Y. Эта модель универсальная для сетей связи любого вида, включая NGN.
Базовую сеть (core network), в свою очередь, принято делить на четыре фрагмента - рисунок 1.2. Они образуют верхние уровни иерархии ТФОП. Нижним уровнем является сеть доступа (access network). Строго говоря, сеть доступа -неотъемлемая часть местной телефонной сети (ГТС и СТС). Ее выделение в виде отдельного "облака" объясняется рядом важных свойств сети доступа, которые рассматриваются в конце этого раздела. "Облако" под названием "Внутризоновая сеть" изображено пунктирной линией. Фрагмент ТФОП с таким названием выделяется только в российской ТФОП.
Рисунки 1.1 и 1.2 позволяют рассматривать ТФОП как иерархическую систему. Для ГТС и СТС можно выделить свои уровни иерархии, если такая необходимость возникает в процессе решения каких-либо задач. Существует другой способ представления модели ТФОП, основанный на выделении двух уровней. Эти уровни присутствуют во всех четырех фрагментах, которые изображены на рисунке 1.2, а также в сети доступа. Первый уровень представляет собой транспортную сеть (transport network или transmission network), в которой формируются каналы и тракты для связи коммутационных станций ТФОП между собой. Второй уровень -коммутируемая сеть (switched network). Ее задача заключается в установлении соединений между телефонными аппаратами (ТА).
Ряд нормативных документов Администрации связи России использует другую терминологию. Транспортная сеть в них называется первичной, а коммутируемая -вторичной. Такое положение объясняется тем, что определения "первичная" и "вторичная" были введены отечественными специалистами, предложившими декомпозицию сети на два уровня [47, 136]. Существенно позже аналогичная декомпозиция стала использоваться в ряде рекомендаций МСЭ. В материалах МСЭ приняты термины "transport network" и "switched network". Они предпочтительны по двум причинам. Во-первых, эти термины лучше отражают те функции, которые выполняют транспортная и коммутируемая сети. Во-вторых, соответствие терминов на русском и английском языках упрощает процессы исследования, разработки и эксплуатации оборудования электросвязи.
Транспортная сеть способна создавать каналы и тракты для нескольких коммутируемых сетей (например, телефонной, обмена данными и распределения программ телевизионного вещания). Обычно транспортные сети создаются Операторами ТФОП. Кроме того, в течение длительного периода времени структуры транспортной и коммутируемой сетей совпадали. Поэтому в проектных организациях и в эксплуатационных компаниях термины "транспортная сеть" и "коммутируемая сеть" использовались редко.
Ситуация изменилась с появлением новых цифровых систем передачи, которые относятся к синхронной иерархии. Эти системы более известны по аббревиатуре SDH [146]. Транспортные сети на оборудовании SDH обычно строят с использованием кольцевых топологий [131, 146]. Структуры транспортной сети и ТФОП стали существенно отличаться друг от друга. Кроме того, ресурсы некоторых колец SDH обладали избыточностью. Каналы и тракты, которые не задействованы для обслуживания телефонного трафика, продаются или сдаются в аренду.
В результате выделение транспортной и коммутируемой сетей в качестве двух самостоятельных уровней было признано весьма продуктивным. В нижней части рисунка 1.3 показана модель гипотетической транспортной сети, которая построена в виде кольца. Оно объединяет пять сетевых узлов (СУ). В этих СУ размещаются мультиплексоры выделения каналов (МВК), которые выполняют функции полупостоянной коммутации стандартных (по пропускной способности) каналов и трактов. Эта возможность позволяет формировать коммутируемые сети с любой структурой. Ресурсы транспортной сети используются для решения двух задач. Первая задача - создание пучков соединительных линий (СЛ) между всеми районными АТС (РАТС). Телефонная сеть, изображенная в левой верхней части рисунка 1.3, построена так, что все РАТС связаны между собой по принципу "каждая с каждой". С этой целью во всех МВК устанавливаются необходимые полупостоянные соединения.
Однолинейные системы без приоритетов
Теория массового обслуживания изучает различные характеристики СМО. Их общая численность для сложных систем может быть весьма существенной. В этой главе рассматриваются два вида характеристик однолинейных СМО. Первый из них связан с двумя показателями QoS, используемыми в качестве общепринятых норм. Речь идет о среднем значении длительности задержки IP пакетов и квантиле соответствующей функции распределения. Для их анализа необходимо найти математическое ожидание и функцию распределения длительности задержки IP пакетов. Второй вид рассматриваемых характеристик связан с нормируемыми показателями QoS косвенно. Примерами таких характеристик служат моменты случайной величины, которые позволяют судить о законе ее распределения.
В большинстве исследований по теории массового обслуживания основное внимание уделяется системам с простейшим входящим потоком. Для них функция распределения интервалов между вызовами, обозначаемая как A(t), подчиняется экспоненциальному закону. Функция распределения времени обслуживания заявок - B(t) во многих задачах ограничивается двумя видами. Анализируются СМО с экспоненциальной функцией B(t) и с постоянным временем обслуживания заявок. Для этих СМО в явном виде получены формулы для ФР длительности задержки заявок - S(t).
Выражения для расчета среднего значения длительности задержки заявок известны для СМО общего вида - МIGIX. Практический интерес представляет анализ СМО, для которой информация о длительности обслуживания представлена гистограммой. В этом случае можно оперировать ступенчатой функцией B(t), что позволяет избежать ошибок аппроксимации результатов измерений. Очень часто ступенчатая функция отражает реальный процесс обслуживания заявок. По этим причинам вывод формулы S(t) для ступенчатой функции распределения времени обслуживания заявок также представляет практический интерес. Полезны и модели СМО, в которых длительность обслуживания подчиняется распределению Эрланга к -го порядка, экспоненциальному, но с постоянной задержкой всех заявок и равномерному на отрезке [0,г].
Для некоторых процессов гипотезу о простейшем входящем потоке заявок нельзя считать приемлемой. Тогда приходится анализировать однолинейную СМО общего вида - G/G/1. Как правило, вся информация о функциях A{t) и B(t) представлена в виде гистограмм, которые, в свою очередь, получены в результате измерений трафика. Поэтому исследуемые системы представимы с помощью модели HDIHDIX. Символ HD используется далее для обозначения ступенчатой функции распределения.
В сети NGN предусмотрена возможность приоритетного обслуживания некоторых IP пакетов. Следовательно, средние значения длительности задержки и соответствующие ФР необходимо рассчитывать для СМО с приоритетами. Для подобных задач известны выражения для средних значений длительности задержки заявок к-го относительного приоритета. Функции распределения длительности задержки получены лишь для нескольких видов СМО. Чаще исследователи прибегают к имитационному моделированию, но данный метод не приемлем для решения некоторых задач. Системы с простейшим входящим потоком, которые рассматриваются в этом параграфе, в классификации Кендалла-Башарина [9, 115] представимы в такой форме: M/G/1/oo//;. (2.1)
Предполагается, что число мест для ожидания не ограничено, а обслуживание заявок осуществляется в порядке их поступления без назначения каких-либо приоритетов. Для произвольного распределения длительности обслуживания заявок (символ "G") известно несколько формул, позволяющих анализировать основные характеристики СМО. Для задач оценки пропускной способности СМО одним из важнейших результатов считается преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распределения длительности задержки заявок [34,70]: S\S) = V P)S B\S) . (2.2)
Из формулы (2.2) с помощью операции дифференцирования можно найти любой момент времени задержки заявок. С учетом действующих принципов нормирования показателей QoS большой практический интерес представляет математическое ожидание времени задержки заявок в СМО вида (2.1). Оно определяется по такой формуле [34,70]: 50) = 5(1) 0 + СЙ+1 2(1 -Р) (2.3)
В технической литературе математическое ожидание длительности задержки часто обозначают символами S и Ts. Похожие обозначения приняты для средних значений времени обслуживания - В и Тд, а также длительности ожидания в очереди - W и lw. В этой главе математическое ожидание случайной величины X будет представлено как X. Такая форма позволяет подчеркнуть, что речь идет о первом начальном моменте случайной величины.
Показатели качества обслуживания трафика
Сети NGN называют мультисервисными. Этим подчеркивается тот факт, что NGN может обслуживать все виды трафика. Устанавливать одинаковые требования к показателям качества обслуживания (QoS) для всех видов трафика не представляется разумным по техническим и экономическим соображениям. МСЭ в рекомендации Y.1541 [185] выделил шесть классов, различающихся величинами показателей QoS. В таблице 3.1 приведены значения этих показателей: IPTD -средняя задержка IP пакетов, IPDV - вариация задержки IP пакетов, IPLR - доля потерянных IP пакетов, IPER -доля искаженных IP пакетов. Символ "U" (первая буква в слове "unspecified") указывает на то, что показатель не нормируется.
Примечания:
1) При большом времени распространения сигналов могут возникать сложности для классов "0" и "2" с соблюдением норм на среднее значение времени задержки IP пакетов. Величины IPTD определены для максимальной длины информационного поля пакета 1500 байтов.
2) Величина IPDV определяется разницей между верхней границей, в качестве которой рекомендуется 99,9% квантиль, и нижней границей задержки, измеренной в течение интервала оценки. В качестве длительности этого интервала предлагается выбирать одну минуту. Все эти соображения МСЭ считает предварительными и требующими дополнительного изучения.
3) Величина IPDV зависит от скорости обмена пакетами. Ее приемлемое значение достигается для трактов с пропускной способностью 2048 кбит/с и более, а также при длине информационного поля пакетов менее 1500 байтов.
4) Требования для классов "0" и "1" отчасти базируются на исследованиях, показывающих, что высококачественные голосовые приложения (а также кодеки) весьма эффективны при значениях IPLR менее 10 .
Класс обслуживания "0" предназначен для обмена информацией в реальном времени (в частности, для речи с использованием технологии VoIP - передачи голосового трафика с использованием IP протокола). МСЭ рекомендует создание отдельной очереди с приоритетной обработкой соответствующих пакетов. Для класса обслуживания "0" характерны ограничения на принципы маршрутизации и допустимое расстояние между взаимодействующими терминалами (время распространения сигналов). Интерактивность для класса "0" определяется как "высокая" - high.
Класс обслуживания "1" также предназначен для обмена информацией в реальном времени, но с менее жесткими требованиями по величине IPTD. Поэтому накладываются менее жесткие ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, чем для класса "0". Также рекомендуется формирование отдельной очереди с приоритетной обработкой пакетов.
Класс обслуживания "2" ориентирован на обмен данными с высокой степенью интерактивности. Как и классу "0", ему присвоен уровень высокой интерактивности. К этому классу относится и сигнальная информация. Для класса обслуживания "2" характерны такие же ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, как для класса "0". Для пакетов этого класса формируется своя очередь на обработку, которая осуществляется со вторым приоритетом. Это означает, что пакеты классов "0" и "1" имеют преимущество на обработку.
Классу обслуживания "3", предназначенному для обмена с менее высоким уровнем интерактивности, присущи те же ограничения на принципы маршрутизации и время распространения сигналов, что и классу "1". Обслуживание пакетов этого класса должно осуществляться со вторым приоритетом.
Класс обслуживания "4" предназначен для обмена информацией с низкой вероятностью потери (короткие транзакции, потоковое видео и прочие). Допускаются длинные очереди пакетов на обработку, которая осуществляется со вторым приоритетом. Никакие ограничения на маршрутизацию и время доставки сообщений не накладываются.
Класс обслуживания "5" ориентирован на те IP приложения, которые не требуют высоких показателей QoS. Соответствующие пакеты формируют отдельную очередь; обслуживание осуществляется с самым низким приоритетом (в данном случае он имеет третий номер). Никакие ограничения на маршрутизацию и время доставки сообщений не накладываются.
Сеть NGN, через которую передаются IP пакеты, содержащие полезную информацию, образована совокупностью устройств коммутации. Ее можно рассматривать как СеМО. Каждая СМО в этой СеМО описывает процессы прохождения IP пакетов. Источниками трафика служат терминалы, которые расположены у пользователей. Структура СеМО может насчитывать разное количество устройств коммутации, что определяется видом установленного соединения. Связь между СМО определяется структурой сети NGN. На рисунке 3.1 показана модель СеМО, состоящая из шести СМО. Подобная модель приемлема, например, для сети NGN в крупном городе.
Классификация задач и методов прогнозирования
Одна из причин перехода к NGN - заинтересованность группы пользователей, приносящей Оператору ТФОП существенные доходы, в новых видах услуг. Ряд требований этой группы пользователей стимулирует радикальные изменения в сети доступа. Желательно, чтобы подобные тенденции были выявлены при разработке прогнозов, которые необходимы для выбора рациональных принципов развития инфокоммуникационной системы.
Методы прогнозирования обычно делят на три группы [32,65]: статистические, причинно-следственные и комбинированные. Как правило, при планировании современных инфокоммуникационных сетей в той или иной мере используются все три группы методов прогнозирования.
Статистические методы позволяют получить прогностические оценки, основываясь на знании истории исследуемой величины. Например, интересна функция F(t), которая представляет данные о числе абонентов телефонной сети на отрезке времени [tr,t0]. Точка tr определяет тот момент времени, когда стали собираться необходимые сведения. Она служит точкой отсчета (reference). Соответствующие величины снабжены индексом V. Идеальное значение точки tr - момент включения в телефонную сеть первого терминала. Зная поведение функции F(t) на отрезке времени [tr,t0], можно прогнозировать развитие изучаемого процесса и на перспективу (future), то есть на период [tr,tf]. Для величин, которые относятся к будущему, введен индекс "/"".
Причинно-следственные методы прогнозирования ориентированы на объяснение будущего исследуемой системы. Они весьма эффективны для прогнозирования поведения сложной системы, которая претерпевает существенные качественные изменения. Именно такая ситуация характерна для современной инфокоммуникационной системы. Наиболее достоверные прогнозы могут быть разработаны в тех случаях, когда можно воспользоваться и статистическими, и причинно-следственными методами. Их сочетание называется комбинированным методом прогнозирования.
Классификация задач, связанных с прогнозированием Оценки пропускной способности сети доступа важны для оптимального выбора проектных решений, касающихся транспортных ресурсов и типа коммутационного оборудования. Исходные данные для таких оценок могут быть получены только на основе прогнозов трафика, порождаемого коммутируемыми сетями. Этот трафик, в свою очередь, может быть рассчитан, если известны прогнозы, связанные с перечнем поддерживаемых услуг. Важную роль играют показатели качества обслуживания для перспективной инфокоммуникацнонной сети. Например, часть пользователей заинтересована в радикальном улучшении надежности связи, что приводит к резервированию основных элементов сети.
Для пропускной способности сети, перечня поддерживаемых ею услуг и показателей качества обслуживания очень важно - с практической точки зрения -получить три вида прогностических оценок. Во-первых, Оператор должен знать краткосрочный прогноз на ближайшие два-три года. Во-вторых, для разработки разумной технической политики Оператору необходим также и среднесрочный прогноз, обычно охватывающий период в пять лет. В-третьих, очень полезен долгосрочный прогноз на десять-пятнадцать лет, то есть на период срока службы наиболее дорогостоящих видов инфокоммуникационного оборудования.
В процессе планирования телефонной сети важными прогностическими оценками считаются численность потенциальных абонентов и параметры нагрузки.
Знание этих данных плюс многолетний опыт эксплуатации ТФОП упрощает решение большинства задач прогнозирования. Для NGN задачи прогнозирования существенно усложняются. Достаточно привести пример с пользователями Internet. Для проектирования сети важно знать не только численность пользователей Internet, но и их распределение с точки зрения используемых транспортных ресурсов. Если пользователь обращается в Internet с помощью оборудования xDSL, то результаты расчета транспортных ресурсов заметно отличаются от оценок, полученных для доступа через модем.
Прогнозирование обычно выполняется для инфокоммуникационной системы в целом, а для местной сети используется лишь часть полученных результатов. Задачи прогнозирования целесообразно рассматривать в полном объеме, то есть с точки зрения всех аспектов проектирования, построения, эксплуатации и развития инфокоммуникационной системы. Интересный подход к прогнозированию и практически значимые результаты были приведены в работах [171, 211], которые опубликованы в 1995 году. На основе этих работ в [207] был предложен простой метод прогнозирования, использующий результаты, которые были получены для инфокоммуникационных систем в развитых странах, в качестве аналога. В [13, 53, 141, 144, 212] анализируются методы прогнозирования, полезные для решения прогностических задач, которые свойственны инфокоммуникационным системам.
Подобные методы эффективны в тех случаях, когда хорошо известна предыстория исследуемого процесса. В противном случае решение задачи усложняется. Для прогнозирования процессов, которые касаются новых инфокоммуникационных технологий и услуг, необходимо использовать иные экономико-математические методы. В настоящее время большинство прогнозов осуществляется с помощью методов экстраполяции и экспертных оценок [32]. Каждый из этих двух методов реализуется различными способами, выбор которых зависит от исследуемого процесса и поставленной задачи.
