Исследование и разработка метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям

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 (64Кбит/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 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 реальную 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.

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 мультисервисным 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 мультисервисным 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 i> теоретические результаты диссертационной работы были доложены на научных сессиях РНТОРЭС им. A.C. Попова (2000, 2001 и 2002 г. г.), международной конференции МКИСиС-2000, 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 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.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Проведенный теоретический анализ методов, используемых в настоящее время для расчета качества обслуживания пользователей сетей У-ЦСИС и Ш-ЦСИС, и оценка возможности их применения при проектировании участка доступа мультисервисных сетей показали, что используемые в этих методах пуассоновские модели могут приводить к значительной погрешности при оценке качества обслуживания вызовов.

2. С целью проведения численных исследований в работе представлен строгий метод расчета качества обслуживания пользователей, основанный на марковской модели с конечным числом источников нагрузки.

3. Проведенные с помощью строгого метода расчета численные исследования показали, что определение качества обслуживания пользователей мультисервисной сети с использованием пуассоновской модели, предполагающей бесконечное число источников нагрузки, приводит к пессимистической оценке вероятностей потерь вызовов. Величина ошибки при определении вероятностей потерь может достигать нескольких порядков. Это приводит к завышению требуемого объема оборудования, необходимого для обслуживания трафика.

Строгие математические модели, учитывающие КЧИН, имеют ограниченную практическую применимость. Показано, что область практического применения строгих методов расчета качества обслуживания, основанных на марковской модели с конечным числом источников, ограничена высокой вычислительной и алгоритмической сложностью, причиной которых является большое пространство состояний строгих моделей.

Разработан приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям, который основан на учете дисперсионных свойств интенсивности мультисервисной нагрузки, создаваемой конечным числом источников, принадлежащих различным классам. Метод позволяет учесть произвольное число классов пользователей и любое число пользователей каждого класса. Приближенный метод позволяет выполнять оценку качества обслуживания вызовов в мультисервисных сетях с многоканальной коммутацией, в частности, У-ЦСИС.

Проведены исследование приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям, а также сравнительный анализ погрешности вычислений по этому методу. Оценка погрешности приближенного метода выполнена относительно строгого метода расчета качества обслуживания пользователей с КЧИН, и сравнивалась с погрешностью вычислений по методу, основанному на пуассоновской модели для мультисервисных сетей с многоканальной коммутацией.

Исследования приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям показали, что метод обладает приемлемой для инженерных расчетов погрешностью, которая значительно меньше, чем погрешность расчетов по методам, использующим пуассоновскую модель.

Разработанный приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям позволяет существенно упростить вычисления по модели с КЧИН по сравнению со строгим методом расчета, что на практике приводит к сокращению издержек, связанных с вычислительной и алгоритмической сложностью строгих методов расчета.

Предложенные в диссертации методы оценки качества обслуживания пользователей (строгий и приближенный) позволяют учесть эффект конечного числа источников нагрузки. Они приводят к существенной коррекции результатов, получаемых по сравнению с применяемой в настоящее время при инженерном проектировании пуассоновской моделью.

10. Разработан и исследован приближенный метод расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным широкополосным сетям с ATM (Ш-ЦСИС), учитывающий КЧИН. Метод основан на использовании теории эффективной ширины полосы пропускания и учете коэффициента дисперсии интенсивности нагрузки, создаваемой конечным числом широкополосных пользователей.

11. Проведенные численные исследования показали, что учет фактора «конечного числа источников» на участке доступа сети Ш-ЦСИС является весьма существенным. Если при расчете не принять во внимание тот факт, что число источников нагрузки конечно, возникают ошибки проектирования, сводящиеся к значительному завышению фактической пропускной способности оборудования, необходимого для организации абонентского доступа и, как следствие, завышению необходимого объема оборудования.

12. При анализе принципов построения и на примерах расчета показана необходимость учета конечного числа источников нагрузки на участке доступа к мультисервисным сетям.

Основное содержание диссертации, ее результаты, выводы и практические рекомендации с достаточной полнотой опубликованы в 8 печатных работах /30−33,54−57/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время мультисервисные сети находятся в начале своего развития и вопросы разработки оборудования для таких сетей, проектирования, методы и методики расчета, принципы построения сетей в целом и их участков являются объектом изучения, научно-технических разработок и исследований. Большая емкость современных мультисервисных сетей вследствие значительного роста предаваемого трафика новых широкополосных телекоммуникационных служб, а также перевода на них трафика традиционных телекоммуникационных служб быстро становится недостаточной. Внедрение в широкую практику проектирования научно обоснованных методов расчета качества обслуживания пользователей способно значительно повысить экономичность использования создаваемых дорогостоящих мультисервисных сетей.

В связи с увеличением числа телекоммуникационных служб и возрастающей потребностью абонентов в высокоскоростном качественном обслуживании возрастает значение участка доступа абонентов к мультисервисным сетям, что подтверждается значительным вниманием, уделяемым производителями оборудованию доступа, и появлением специальных решений для построения сетей абонентского доступа. На этом участке осуществляется концентрация нагрузки пользователей, и при относительно узкой ширине битовой полосы пропускания по сравнению с магистральной сетью участок присоединения к сети оказывается критическим местом, ограничивающим абонентов в использовании телекоммуникационных услуг. В связи с указанными фактами учет конечного числа источников нагрузки на участке доступа пользователей к мультисервисной сети позволяет более точно оценивать качество обслуживания пользователей, что позволяет экономнее использовать ресурсы сетей и систем связи.

Исходя из изложенного выше, темой диссертационной работы были выбраны разработка и исследование метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям. В рамках данной диссертационной работы проведены разработка и исследование:

— строгого аналитического метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям и конечном числе источников нагрузки;

— приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям и конечном числе источников нагрузки (z-аппроксимации);

— приближенного метода расчета качества обслуживания пользователей при доступе к мультисервисным сетям и конечном числе источников нагрузки (z-аппроксимации) в применении к мультисервисным сетям с ATM (Ш-ЦСИС).

Предложенный приближенный метод расчета позволяет проводить вычисления качества обслуживания пользователей как в случае без порогового резервирования ресурсов сети, так и в случае порогового резервирования, позволяющего выравнивать вероятности потерь вызовов различных классов на участке доступа.

Представленный в настоящей работе метод оценки качества обслуживания пользователей разработан в качестве универсального метода, позволяющего вычислить теоретически, благодаря учету влияния конечного числа источников нагрузки, необходимую емкость соединения на участке абонентского доступа мультисервисной сети.

145 или оценить вероятность потерь. При оценке качества обслуживания данный метод дает теоретическую границу вероятностей потерь вызовов, так как, в общем, не учитывает особенностей реализации конкретных систем абонентского доступа различных производителей оборудования. При создании реальных мультисервисных сетей потери на участке доступа могут превышать значения потерь, полученные по предложенному методу, что связано с особенностями их структуры и механизмов обработки вызовов. Таким образом, настоящий метод не заменяет методы, предлагаемые производителями оборудования, однако при проектировании или при выборе оборудования позволяет оценивать, на сколько предлагаемые производителем решения и системы, а также методы оценки вероятностей потерь вызовов близки к теоретической пропускной способности при заданном качестве обслуживания. Метод может применяться для приближенных оценок качества обслуживания пользователей при разработке требований к системам доступа, при отсутствии рекомендованных производителем методов расчета качества обслуживания, а также при необходимости оценки в ходе эксплуатации предоставляемого оператором качества обслуживания абонентов.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования показали, что предложенный приближенный метод дает пессимистическую оценку вероятностей потерь вызовов в мультисервисной сети по отношению к строгому аналитическому методу оценки качества обслуживания при конечном числе источников нагрузки. В то же время представленный метод дает оптимистическую оценку вероятностей потерь вызовов по отношению к методу, основанному на пуассоновской модели.

Результаты исследований показывают, что результаты вычислений по предложенному приближенному методу с увеличением числа источников нагрузки приближаются к значениям, полученным по пуассоновской модели. Наибольшее влияние на вероятность потерь вызовов оказывают вызовы, требующие для своего обслуживания большей полосы пропускания.