автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов

кандидата технических наук
Шалагинов, Виктор Алексеевич
город
Москва
год
2011
специальность ВАК РФ
05.12.13
цена
450 рублей
Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов»

Автореферат диссертации по теме "Исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов"

На правах рукописи

ШАЛАГИНОВ ВИКТОР АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ПОСЛЕДУЮЩИХ ПОКОЛЕНИЙ НА КАЧЕСТВО УСЛУГ НА БАЗЕ ОТКРЫТЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степенп кандидата технических наук

Москва 2011

4841569

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Центральный научно-исследовательский институт связи"

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Ефимушкин Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент Иевлева Татьяна Викторовна

Ведущая организация: Институт Проблем Управления

им. В.А.Трапезникова Российской академии наук (ИПУ РАН)

Защита состоится 14 апреля 2011 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 219.001.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ГОУ ВПО «МТУСИ») по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 8а, ауд. А-455.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан «"(О» 2011

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Ерохин С. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Основные тенденции развития отрасли телекоммуникации, к которым относятся расширение спектра оказываемых услуг, переход к сетям последующих поколений, а также рост числа пользователей в таких сетях и значительное увеличение объемов информационного обмена, предъявляют постоянно возрастающие требования к производительности сетевого и серверного оборудования, пропускной способности каналов связи и качеству обслуживания. Обеспечение гарантированного качества услуг в сети последующих поколений является комплексной проблемой. Одним из этапов в решении этой проблемы является задача исследования влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг.

Исследованию вопросов построения сетей последующих поколений, расчета и развития мультисервисных сетей связи посвящены работы Башарина Г. П., Вишневского В. М., Гольдштейна Б. С., Гордиенко В. Н., Деарта В. Ю., Докучаева В. А., Ершова В. А., Крылова В. В., Кузнецова В. А., Кучерявого А. Е., Мардера Н. С., Назарова А. Н., Пшеничникова А. П., Рослякова А. В., Самуйлова К. Е., Семенова В. А., Соколова Н. А., Степанова С. Н., Сычева К. И., Шувалова В. П., Яновского Г. Г. и других.

Постепенный переход от телекоммуникационных услуг в существующих традиционных сетях с коммутацией каналов к инфокоммуникационным услугам в сетях последующих поколений с коммутацией пакетов ведет к необходимости учета особенностей передачи информации при предоставлении услуг. Анализ методов внедрения новых услуг показал, что разработку и предоставление инфокоммуникационных услуг целесообразно осуществлять на базе технологий открытых интерфейсов, позволяющих обеспечить независимость от платформ предоставления услуг, сетей передачи и механизмов управления трафиком. Такой подход к реализации инфокоммуникационных услуг представлен, например, в работах Шнепс-Шнеппе М. A., Andreetto А., Licciardi С., Falcarin Р.

Проблемы предоставления услуг с гарантированным качеством в сетях последующих поколений и способы их решения освещены в работах российских и зарубежных авторов Ефимушкина В. А., Кучерявого Е. А., Нетеса В. А., Самуйлова К. Е., Степанова С. Н., Iversen V., Jiang W., Kim S., Moeller S., Raake A., Ross K., Schulzrinne H., Vegesna S., Xiao X. и других. При этом следует отметить, что работы, посвященные исследованию влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов, встречаются редко.

Кроме того, существующие исследования не учитывают влияния всех основных характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг. Предоставление инфокоммуникационных услуг без гарантий качества существенно снижает их привлекательность для абонентов, что в свою очередь, ведет к уменьшению прибыли оператора связи.

Таким образом, исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов является актуальной задачей. Ее решение позволяет находить граничные значения и нормировать указанные характеристики, рассчитывать уровень качества на этапе проектирования сети последующих поколений, а также поможет предоставлять инфокоммуни-

кационные услуга с гарантированным качеством, используя все преимущества сетей последующих поколений.

Объектом исследования является процесс предоставления услуг на базе открытых интерфейсов в сетях последующих поколений.

Предметом исследования являются характеристики функционирования сетей последующих поколений, которые оказывают существенное влияние на качество услуг на базе открытых интерфейсов.

Цель диссертации состоит в исследовании влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов и нахождении граничных значений, при которых снижение качества услуг является ощутимым.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- проведен анализ эффективности применения технологий разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг в сетях последующих поколений, на основании которого был осуществлен выбор объекта исследования;

- определен перечень характеристик функционирования сетей последующих поколений, оказывающих существенное влияние на качество услуг, а также систематизированы существующие методы оценки и измерения указанных характеристик;

- разработана процедура построения аналитических моделей предоставления инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов в сети последующих поколений для исследования влияния характеристик элементов указанных сетей на качество услуг;

- разработан сетевой фрагмент для экспериментального исследования влияния на качество услуг основных характеристик функционирования сети последующих поколений: задержки пакетов, вариации задержки пакетов, потерь пакетов и скорости передачи;

- получены результаты экспериментов по оценке влияния указанных характеристик функционирования сети последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов;

- определены граничные значения характеристик функционирования сети последующих поколений, при которых снижение качества услуг является ощутимым. Методы исследования

В диссертации используются методы теории сетей связи, теории вероятностей, теории сетей массового обслуживания, теории телетрафика, линейной алгебры и модельный эксперимент.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью теоретических моделей, а также адекватностью методов, используемых для получения экспериментальных результатов, и их сравнением с теоретическими оценками качества услуг. Научная новизна результатов

1. Предложено использовать модель Кларка, известную для системы, в которой происходят потери пакетов, для случая задержки пакетов и вариации задержки пакетов. Такое использование модели Кларка позволило применять в экспериментальных исследованиях математический аппарат для расчета времени пребывания системы в нестабильном состоянии, при котором наблюдается снижение качества услуг вследствие влияния задержки и вариации задержки.

2. Разработана процедура построения аналитических моделей инфокоммуника-ционных услуг на базе открытых интерфейсов, позволяющая получить расчетные выражения и, при известных значениях параметров функционирования элементов модели сети последующих поколений, численные решения для уравнений, описывающих важнейшие показатели качества обслуживания, к которым относятся доля обслуженных запросов и среднее время ожидания запроса в очереди платформы предоставления услуг.

3. Предложено нормировать значение вариации задержки пакетов для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие, что распределение задержки может не соответствовать нормальному закону и зависит, в частности, от размера пакета.

Личный вклад

Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором лично.

Практическая значимость

1. Разработан фрагмент сети последующих поколений, позволяющий моделировать влияние широкого набора значений характеристик ее функционирования на качество услуг на базе открытых интерфейсов. Использование разработанного фрагмента позволило оценивать качество услуг объективными методами, а также значительно ускорить процесс оценки качества по сравнению с методами, основанными на субъективной оценке аудитории слушателей.

2. В результате эксперимента определены граничные значения основных характеристик функционирования сетей последующих поколений. При нахождении указанных характеристик в пределах граничных значений не происходит заметного снижения качества услуг на базе открытых интерфейсов.

Результаты исследований использованы в проводившихся ФГУП ЦНИИС НИР, в рамках проекта Европейского института стандартов электросвязи (ETSI) «Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); Perceptual Impact of End-to-End Delay and End-to-End Delay Variation on Fax-over-IP (FoIP) and Modem-over-IP (MoIP)», а также в учебном процессе на базовой кафедре МТУСИ "Перспективные телекоммуникационные технологии и услуги", что подтверждается соответствующими актами. Апробация работы

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- вторая, третья, четвертая и пятая отраслевые научные конференции "Технологии информационного общества" (Москва, 2008-2011);

- 64-я и 65-я Научные сессии Российского НТОРЭС им. A.C. Попова, посвященные Дню радио (Москва, 2009, 2010);

- семинар МСЭ "Анализ, прогнозирование и механизмы регулирования развития рынков электросвязи" (Киев, 2009);

- научный семинар секции "Моделирование сетей связи, информационных систем и процессов" МНТОРЭС им. A.C. Попова (Москва, 2010);

- 12-я международная конференция и выставка "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 в рецензируемых периодических изданиях, входящих в перечень ВАК.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Показано, что модель Кларка, известная для системы, в которой происходят потери пакетов, может быть применена для моделирования систем с задержкой пакетов и вариацией задержки пакетов.

2. Аналитическая модель услуг на базе открытых интерфейсов, построенная на основе теории открытых сетей массового обслуживания (сетей Джексона), позволяет рассчитывать показатели качества обслуживания, связанные с передачей и обработкой запроса на предоставление услуги на базе открытых интерфейсов.

3. Разработанный сетевой фрагмент сети последующих поколений позволяет моделировать влияние широкого набора характеристик ее функционирования на качество услуг на базе открытых интерфейсов и оценивать качество объективными методами с достаточной точностью.

4. Гарантированное качество услуги в сети оператора связи обеспечивается при нахождении характеристик функционирования сетей последующих поколений в пределах предложенных граничных значений.

5. Значение вариации задержки пакетов целесообразно нормировать для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 129 наименований. Диссертация содержит 165 страниц текста, включая 60 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость результатов диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены определения основных понятий, использованных в диссертации, рассмотрены возможности предоставления перспективных инфокомму-никационных услуг с заданным качеством в традиционных сетях связи. Проанализированы функциональные и архитектурные особенности современных инфокоммуни-кационных услуг в сетях последующих поколений (СПП), в результате чего обоснована необходимость специальных мер для обеспечения гарантированного качества обслуживания в таких сетях.

Проанализированы методы разработки и предоставления инфокоммуникацион-ных услуг в СПП. В результате анализа показана целесообразность использования для разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг в СПП платформ предоставления услуг (ППУ) на базе открытых интерфейсов, к которым, в частности, относятся Parlay, JAIN и VXML. Указаны особенности и ограничения каждой технологии.

Во второй главе проведен сравнительный анализ архитектур систем управления качеством обслуживания, стандартизованных международными организациями, в результате чего сделаны выводы о том, что использование предложенной МСЭ-Т функции управления и доступа к сетевым ресурсам RACF (Resource and Admission Control Function), является подходом, позволяющим обеспечивать гарантированное качество на всех уровнях СПП.

Проанализирована классификация услуг в СПП, выполненная в существующих рекомендациях МСЭ-Т серии Y и G. Показана целесообразность использования метода многомерного шкалирования для классификации услуг в зависимости от их требо-

ваний к сетевым ресурсам. На основе анализа рекомендаций МСЭ-Т выделены основные характеристики функционирования СПП, оказывающие влияние на качество услуг.

Приведены существующие методы расчета характеристик качества услуг в сетях СПП на уровне средних. Систематизированы методы измерений основных характеристик качества предоставления услуг в сетях СПП для оценки их распределений. Систематизация позволила выделить два основных подхода к оценке характеристик качества - непосредственные и косвенные измерения.

Рассмотрены существующие модели систем с потерями пакетов. Проведены эксперименты на модельной сети Технопарка ФГУП ЦНИИС, результаты которых позволили предложить использовать модель Кларка (рис. 1а). известную для систем с потерями пакетов для случая, учитывающего задержку пакетов и вариацию задержки пакетов (рис. 16).

нестабильное состояние

принят

нестабильное состояние

минимальная задержка ТЬт,„

принят

стабильное состояние

минимальная задержка Тдт)п

стабильное состояние

(а)

(б)

Рис.1. Модель Кларка для потерь пакетов (а), модель для задержки пакетов и вариации задержки пакетов (б)

Полученные в ходе экспериментов результаты измерений потерь пакетов, задержки пакетов и вариации задержки пакетов приведены на рис.2 и 3. В относительно стабильном состоянии сети задержка пакетов и вариация задержки пакетов имеют постоянное значение, а вероятность потерь пакетов близка к нулю. Нестабильное состояние сети характеризуется большими значениями как задержки пакетов, так и вариации задержки пакетов и их потерь.

й

Стабильное состояние | Нестабильное состояние 600 1 - *ц-

I ,

400 Н-

200 --

о

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 А - пакет потерян Количество последовательно отправленных пакетов

Рис.2. Значения задержки и потерь пакетов при переходе сети из стабильного в нестабильное состояние

Нестабильное состояние I Стабильное

-п.:

4 ■ ^ ; ■ . ' к . состояние

400

К 200 с,

'Г Я

1*| - , '-I- -« '• . - ||

0!* \*"'_1„ М ' 'Д..--* |

$ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

- пакет потерян

Количество последовательно отправленных запросов

Рис.3. Задержка и потери пакетов при переходе сети из нестабильного в стабильное

состояние

В третьей главе разработана процедура построения аналитических моделей предоставления услуг на базе открытых интерфейсов на основе теории сетей массового обслуживания (СеМО) Джексона для расчета числовых значений показателей качества обслуживания, связанных с передачей и обработкой запроса на предоставление услуги. Разработанная процедура позволяет находить граничные значения параметров систем массового обслуживания (СМО), при которых происходит снижение качества услуги.

Разработанная процедура построения модели услуг на базе открытых интерфейсов на основе СеМО состоит из следующих этапов:

1. Определение элементов СПП, необходимых для предоставления услуги, посредством анализа схемы реализации услуги (сеть передачи данных, ППУ, терминалы пользователей, вспомогательные сервера).

2. Определение всех возможных транзакций между определенными на этапе 1 элементами, необходимыми для запроса и получения услуги, посредством анализа сценария предоставления услуги.

3. Разработка графа процесса обслуживания запроса, состоящего из транзакций, определенных на этапе 2, с указанием вероятностей перехода между узлами, определенными на этапе 1.

4. Разработка математической модели услуги в виде открытой СеМО, определение интенсивностей потоков запросов между элементами СПП, необходимыми для предоставления услуги и определенными на этапе 1.

5. Построение матрицы переходных вероятностей между узлами анализируемой СеМО, разработанной на этапе 4.

6. Нахождение интенсивностей потоков в узлах СеМО и аналитических выражений для вероятностно-временных характеристик и показателей качества обслуживания запросов услуги.

Согласно теореме Джексона, выражения стационарных распределений вероятностей запросов по узлам СеМО записываются в общем виде

р(кик2, ....*„) = Р]р, ш

(1)

где кг - число запросов в узле ¿; р; (/<:;) - вероятность наличия в /-ом узле к,- запросов.

Полная интенсивность потока запросов Я,- в узле /' при и] = 1.2.....п записывается

в виде системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)

1=1

(2)

где Ру - вероятность перехода запроса из узла /' в узел /; п - количество узлов СеМО; 7; - запросы, входящие в узел / СеМО извне; X} - средняя интенсивность потока запросов, поступающих из узла у в узел / СеМО.

Аналитические выражения вероятности наличия £ запросов для модели СМО М/М/оо, с учетом обозначений - средняя интенсивность потока обслуженных запросов и рс - коэффициент использования узла г. имеют вид:

Р' -о- ^ гъ\

Аналитические выражения вероятности наличия к запросов для модели СМО М/М/т/оо, с учетом обозначений т - количество обслуживающих приборов и ¡х" -средняя интенсивность потока обслуженных запросов одним прибором СМО, имеют вид

' Ср. ■т)"

Р 0--

Рк :

к!

-,0 < к < т,

Р о

1Ро 1

-,т < к < к>;

• т)к (p¡ • т)"

т!( 1-рд

• Р1 :

А,

7П ■

(4)

Введем обозначение для модели СМО М/М/т/со, тогда коэффициент

использования 1-го узла имеет вид р, = а;/?п.

Формулы (4) с учетом введенного обозначения от,- имеют вид

Рк =

Ро < к < т,

а,-

Ро =

Ро

т! ■ т*

-, т < к < оо.

к!

+ ■

т!

V т)

(5)

В соответствии с формулой Литтла, с учетом обозначения со - среднее время ожидания обработки запроса в ППУ, среднее количество запросов в очереди равно 10Ч = Я; ■ а). Выражение для среднего числа запросов в очереди для СМО М/М/т/оо имеет вид

Рга?

^оч — Ро''

(6)

т!- (1 -Рг)2'

Соотношение для среднего времени ожидания обработки запроса в ППУ с учетом формулы (6) записывается в виде Ро "«Г

т\ -т • ц" ■ (1 — р;)2'

Применение разработанной процедуры построения аналитических моделей с учетом соотношений (1)-(7), показано на примере услуги "Запрос справочной информации", реализованной на базе открытого интерфейса УХМЬ. Схема реализации и граф процесса обслуживания услуги с указанием вероятностей переходов запроса между

Рис.5. Граф процесса обслуживания услуги "Запрос справочной информации" Узлы на рис.5 имеют следующие обозначения:

"СетьГ' - передача запроса услуги по сетевому пути от пользователя к ППУ; "ППУ" - обработка запроса внутри ППУ;

- ю-

"Запр" - передача запроса от ППУ к информационному ресурсу;

"Сеть2" - передача запроса предоставления услуга по сетевому пути от ППУ к пользователю;

"Повт" - повторный запрос услуги через временной интервал Гпвт;

"О" - внешняя среда.

Вероятности на рис.5 имеют следующие обозначения:

Рс1 - вероятность успешной передачи запроса через сеть от терминала пользователя до ППУ;

Ршу - вероятность успешной передачи запроса от ППУ к информационному ресурсу;

Янал - вероятность наличия запрошенной информации в памяти ППУ;

Р,:рд - вероятность предоставления информационным ресурсом данных запрошенных ППУ;

Рс2 - вероятность успешной передачи запроса через сеть от ППУ до терминала пользователя;

Рпп - вероятность повторного запроса услуги через интервал времени /пвт.

Узлы, задействованные в процессе предоставления услуги "Запрос справочной информации", имеют следующие номера: "СепЛ" - 1. "ППУ" - 2, "Запр" - 3, "Сеть2" -4 и "Повт"-5.

Модель СеМО, соответствующая реализации услуги "Запрос справочной информации" в виде открытой СеМО, построена в предположении, что на вход сети посту пает пуассоновский поток запросов от пользователей на предоставление услуги с интенсивностью Азси.

Этапам предоставления услуги соответствуют узлы 1,2,3 и 4, описанные выше, причем г, = д'1, / = 1,3,4 и для узла 2 обозначим ¡пиу = /Ату Время между повторными попытками запроса услуги соответствует времени обслуживания заявок в узле 5 СеМО (рис.6) со средним значением /пвт = и5''.

Рис.6. Математическая модель услуги "Запрос справочной информации" в виде открытой СеМО

Составим матрицу переходных вероятностей Рзш, элементы которой соответствуют вероятностям перехода заявки между узлами СеМО без учета внешней среды, для модели услуги "Запрос справочной информации". Сумма элементов матрицы по строке не равна единице, так как в ней не учитываются переходы во внешнюю среду. Здесь и далее будем обозначать дополнение вероятности Р до единицы чертой сверху.

Pel 0 0 ^Cl^TIBT

0 р р 1ппу нал р р 1 илу1 нал ~р р г ппу1 пвт

0 0 Р 1 прл ~р р 1 прд пвт

0 0 0 Р с2^пвт

0 0 0 0 '

о о

О и и и Гс2гп„ I

4 0 0 0 0 '

Важнейшими показателями качества обслуживания запросов услуги являются ЯзСИ

- интенсивность потока обслуженных запросов и шзси - среднее время ожидания обработки запроса в очереди ППУ.

С целью нахождения аналитических выражений для этих показателей качества обслуживания запросов услуги необходимо определить стационарные характеристики построенной математической модели, описанной в виде открытой СеМО. Для нахождения интенсивностей потоков в узлах СеМО (рис.6) необходимо решить невырожденную СЛАУ, записанную в матричной форме

к = ¿зси-е1+ Я,-£,си. (8)

В формуле (8) значения векторов Яу и е1 определяются следующим образом

Aj = (Я^ЯгДз.Я^Яз). ?! = (1,0,0,0,0).

В скалярном виде система (8) записывается в следующем виде

h = Л™ + Я2 = Лг -Рс1, ^

Л-З = ^2 ' Рппу " Риал* (9)

Я4 = Я2 ' Рппу щ Рнал + Я3 • Япрд,

= ' Pel ' Рпвт ' Рппу ' Рпвт "I" Л-3 ' ^прд ' ^пвт "I" Л-4 ' Рс2 ' ^пвт-

Обозначим как отношение Язси к Хх и получим следующее выражение

А 1 (Pel "t" Pel ' Рnnv Pel ' ^ппу ' Рнал ' ^прл Pel ' ^ппу ' Лзал Pel ' ^ппу ' Рнал ' ^прд ' Рсг) ' ^пш"

Формулы (9), согласно принятому обозначению /15 записываются в виде Л-1 = ^си/Zl.

^2 - ¿зеи 'Pel/fl' _

— -^зеи ' Pel " -Рппу " РкэлИъ (10)

Я4 — Язси ' Pci • Pnnw ' (^нал Рнал ' ^прд)//l' я5 = ЯзСИ-(1/А-1).

Полученных соотношений (10) достаточно для нахождения аналитических выражений искомых показателей качества обслуживания услуги "Запрос справочной информации". Выражения для ЯзСИ и шзш имеют вид

J _ • Pel • Рппу (^прд • Р нал + ^нал) _ , р , р fp . р , n 1

лэси у- ~~ Л1 гс2 гппу V прд 'нал '

- - ^ 1 (11)

— тп1 т • ц2 ' (.1 — Рг)2'

На рис.7 приведен график зависимости среднего времени ожидания обработки запроса в ППУ шзси от времени обслуживания запроса, построенный на основе соотношения (12) для двух значений интенсивности поступления запросов на предоставление услуги ЯзСИ = 90, 100. Из графика видно, что задержка обработки запроса увеличивается с ростом Язси.

и.« 0.6 0.4 0.2 0.0

. . АЗП1 = 100 '

• V ; ........ ...

^

0.081 0.083 0.085 0.087 0.089 0.091 0.093 0.095 0.097 0.099

Рис.7. Среднее время ожидания в очереди ППУ в зависимости от времени обработки запроса

В четвертой главе разработан сетевой фрагмент СПП (рис.8) на базе модельной сети Технопарка ФГУП ЦНИИС. построенной в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т (2.3900, для исследования влияния характеристик функционирования СПП на качество услуг. Сетевой фрагмент соответствует требованиям рекомендации МСЭ-Т в. 1050 и позволяет моделировать широкий набор значений характеристик функционирования СПП. получать объективную оценку уровня качества услуг и значительно сократить время, требуемое для оценки влияний по сравнению с методами усредненной субъективной оценки аудитории пользователей.

Управление характеристиками

ППУ на базе

Обозначения:

Сетевые фрагменты модельной сети

Направление передачи потока данных

Интерфейс ЮОВАЭЕ-ТХ

Рис.8. Схема сетевого фрагмента для исследования влияния характеристик функционирования СПП

Существующие исследования влияния характеристик функционирования СПП на качество услуг имеют ряд недостатков:

- измерения проводились на уровне средних значений;

- не учитывалась возможность динамического изменения уровня качества обслуживания в процессе предоставления услуги;

- измерения проводились для отдельных значений характеристик;

- не учитывалось влияние важных характеристик (например, вариации задержки пакетов и скорости передачи).

Разработанный сетевой фрагмент на базе модельной сети позволил избежать указанных недостатков при исследовании влияния следующих характеристик функционирования СПП:

- задержки пакетов при передаче речи (рис.9);

- вариации задержки пакетов при передаче речи:

- потерь пакетов при передаче речи;

- ограничения скорости передачи при передаче речи и видеоинформации (рис.10.11 соответственно).

Результаты экспериментов позволили оценить уровень качества услуги в зависимости от значений характеристик функционирования СПП. На рис.9 указаны первое (ПГЗ) и второе (ВГЗ) граничные значения, определенные на основе рекомендации МСЭ-Т С. 109. Значения качества обслуживания, отложенные по оси ординат, выше ПГЗ соответствуют уровню, при котором большинство пользователей удовлетворено качеством передачи речи, а ниже ВГЗ - не удовлетворено качеством передачи речи.

юо

200

300

400

500 600

Задержка, мс

Рис.9. Влияние задержки пакетов на качество передачи речи

5 -......

4 —

3 —

2 4 -1

0 —

20

—'— 154 Кбит/с -в»-155 Кбит/с 156 Кбит/с -157 Кбит/с 158 Кбит/с -159 Кбит/с 160 Кбит/с

Длительность вызова, с

4 3 2

Рис.10. Влияние ограничения скорости на качество услуги передачи речи

^ ^ -----------------

0 ~ —*—4 Мбит/с

38 4 : -в-4.01 мбит/с

2 —---—"*~4.025Мбит/с

1 "пггтггг '"""---' 1 : ' —-■ Ж 4,03 Мбит/с

д I........~~......:....................~~......................: --—* ';..........................." ............... . Мбит/с

0 10 20 30 40 50

Длительность вызова, с Рис. 11. Влияние ограничения скорости на качество услуги передачи видео

Показано, что значение вариации задержки пакетов целесообразно нормировать для случая равномерного распределения задержки пакетов. В диссертации с использованием модельной сети Технопарка ФГУП ЦНИИС получены экспериментальные результаты, подтверждающие, что распределение задержки может не соответствовать

нормальному и зависит, в частности, от размера пакета. Аналнз экспериментальных результатов показал, что влияние равномерного распределения задержки пакетов на отрезке [0 мс, 15мс] не приводит к ощутимому снижению качества передачи речи.

Требуемая скорость передачи зависит в значительной степени от применяемых алгоритмов кодирования (кодеков) исходного сигнала. Например, граничное значение для кодека G.711, использованного при передаче речи, составило 160 Кбит/с. Следует отметить, что это значение зависит как от объема заголовка, так и от объема полезной нагрузки передаваемого кадра.

Показано, что потери пакетов оказывают существенное влияние на качество передачи речи. Предложены ПГЗ и ВГЗ для потерь, которые соответствуют значениям 1 % и 2%.

Оценки качества, полученные в результате эксперимента на сетевом фрагменте СПП, сравнены с теоретическими расчетами по Е-модели. Анализ существующих методов оценки качества показал, что значение уровня качества услуги целесообразно выражать в единицах усредненной субъективной оценки MOS. Взаимосвязь теоретических оценок R-фактора и оценок MOS, согласно рекомендации МСЭ-Т G.107 задана соотношениями для трех отрезков значений R-фактора Я < 0: MOS = 1;

0 < Я < 100: MOS = 1 + 0,035 ■ Я + Я ■ (Я - 60) ■ (100 - Я) ■ 7/106; Я > 100: MOS = 4,5.

Значения R-фактора согласно Е-модели вычисляются по формуле Я = Я0 — Is — Id — Ie-eff + А,

где Я0 - соотношение сигнал/шум; Is - комбинация влияний на голосовой сигнал, к которым относятся, в частности, шумы квантования и местный эффект; Id - влияние, обусловленное задержкой; lde_eff - влияния, вызванные кодеками с низкими скоростями; А - преимущественный фактор.

В соответствии с рекомендацией МСЭ-Т G.109, определение значения R-фактора, с учетом влияния характеристик функционирования СПП, выполняется по формуле Я = Я0 — /dd(ra) - Ze-eff(fpl).

где Я0 - максимальные значения слагаемых R-фактора (кроме /dd и /e_eff); Ui - влияние задержки передачи пакетов Га; /е_еff - влияние потерь пакетов Рр1.

Предлагаемая формула для расчета значений R-фактора, с учетом влияния вариации задержки пакетов и скорости передачи, имеет вид Я = «О ~ ~ le-eff(Ppl) ~ 'dv(V0 ~ V;) - IBW(B0 - Bt),

где V0, Ba - требуемые значения вариации задержки пакетов и скорости передачи соответственно; Vj,Bi - текущие значения вариации задержки пакетов и скорости передачи в момент времени £.

Таким образом, учет влияния вариации задержки пакетов и скорости передачи в формуле для расчета значений R-фактора позволяет прогнозировать уровень качества услуг на этапе проектирования СПП с большей точностью, а гарантированное качество услуг может быть обеспечено при нахождении характеристик функционирования СПП в пределах предложенных граничных значений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализирована эффективность методов разработки и предоставления ин-фокоммуникационных услуг в СПП. В результате анализа показана целесообразность использования технологий на базе открытых интерфейсов Parlay, JAIN и VXML, для разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг в СПП.

2. Определен перечень характеристик функционирования СПП, оказывающих существенное влияние на качество услуг. Систематизированы существующие методы измерения указанных характеристик, в результате чего выделены две основные группы методов измерений: непосредственные и косвенные.

3. Предложено использовать модель Кларка, известную для системы, в которой происходят потери пакетов, для систем с задержкой пакетов и вариацией задержки пакетов. Это позволило применять в экспериментальных исследованиях математический аппарат модели Кларка для расчета времени пребывания системы в нестабильном состоянии, при котором наблюдается снижение качества услуги вследствие влияния задержки и вариации задержки.

4. Разработана процедура построения аналитических моделей предоставления услуг на базе открытых интерфейсов в СПП, позволяющая получить выражения для численного анализа показателей качества обслуживания таких услуг и находить граничные значения параметров функционирования СПП, при которых снижается качество обслуживания.

5. Разработан сетевой фрагмент для моделирования влияния широкого набора характеристик функционирования СПП: задержки пакетов, вариации задержки пакетов, потерь пакетов и скорости передачи. Использование разработанного фрагмента позволило оценивать качество услуг объективными методами, а также значительно ускорить процесс оценки качества по сравнению с методами, основанными на субъективной оценке аудитории слушателей.

6. Предложено нормировать значения вариации задержки пакетов для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие, что распределение задержки может не соответствовать нормальному закону и зависит, в частности, от размера пакета. Показано, что равномерное распределение задержки пакетов на отрезке [О мс, 15мс] не приводит к ощутимому снижению качества услуги передачи речи.

7. Найдены граничные значения основных характеристик функционирования сетей последующих поколений. К указанным значениям относятся: задержки пакетов -145 мс (ПГЗ) и 200 мс (ВГЗ), потери пакетов - 1 % (ПГЗ) и 2 % (ВГЗ), а также скорость передачи для кодека G.711 - 160 Кбит/с. Гарантированное качество услуг может быть обеспечено оператором связи при нахождении характеристик функционирования сетей последующих поколений в пределах граничных значений.

8. В формуле оценки уровня качества обслуживания согласно E-модели целесообразно учитывать влияние важных характеристик функционирования СПП: вариации задержки пакетов и скорости передачи. Учет указанных характеристик позволяет точнее прогнозировать уровень качества на этапе проектирования СПП.

9. Результаты исследований использованы в проводившихся ФГУПЦНИИС НИР, в рамках проекта Европейского института стандартов электросвязи по оценке влияния характеристик функционирования СПП на качество услуг передачи факсимильных сообщений, а также в учебном процессе на базовой кафедре МТУ СИ "Перспективные телекоммуникационные технологии и услуги", что подтверждается соответствующими актами.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ В ведущих периодических изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Андреев Д.В., Шалагннов В.А. Исследование вопросов управления сетевыми ресурсами для обеспечения качества инфокоммуникационных услуг в сетях следующего поколения // Электросвязь - М.: Электросвязь, 2009. - №10. - С. 49-53.

2. Шалагннов В.А. Проблемы учета информации для тарификации инфокоммуникационных услуг в NGN-сетях // Электросвязь - М.: Электросвязь, 2010. - №4. -С. 63-64.

3. Шалагннов В.А. Моделирование сети следующего поколения при оценке качества инфокоммуникационных услуг // T-Comm - M.: ИД Медиа Паблишер, 2010. -№7.-С. 182-185."

4. Шалагинов В.А. Результаты исследования влияния вариации задержки пакетов на качество передачи голосовой информации в сетях СПП // Естественные и технические науки - М.: Спутник+, 2010. - № 3. - С. 338-340.

В других изданиях

5. Шалагинов В.А., Ярлыкопа С.М. Особенности разработки инфокоммуникационных услуг на языке VoiceXML // Сети и системы связи - М.: Сети п системы связи, 2008. -№1. - С. 44-47.

6. Шалагинов В.А. Задачи исследования качества услуг на базе открытых интерфейсов в сетях следующего поколения // В сб.: Труды МТУСИ - М.: ИД Медиа Паблишер, 2008. - Т. 1 - С. 78-81.

7. Шалагинов В.А. Сравнительный анализ архитектур для обеспечения качества услуг связи в сетях следующего поколения // T-Comm, Спецвыпуск "Технологии информационного общества", - М.: ИД Медиа Паблишер. 2009. - Ч. III. - С. 167-171.

8. Шалагннов В.А. Классификация инфокоммуникационных услуг и математическая модель нх предоставления в СПП // В сб.: Труды LXIV науч. сессии, посвященной Дню Радио, НТОРЭС им. A.C. Попова, - М.: Инсвязьиздат, 2009. - С. 3134.

9. Шалагинов В.А. Разработка аналитических моделей инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов в СПП // В сб.: Труды LXV научной сессии, посвященной Дню Радио, НТОРЭС им. A.C. Попова: - М.: Инсвязьиздат, 2010. - С. 244246.

10. Шалагинов В.А. Экспериментальное исследование характеристик качества инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов в СПП // В сб.: Труды LXV научной сессии, посвященной Дню Радио, НТОРЭС им. A.C. Попова: - М.: Инсвязьиздат, 2010. - С. 246-248.

11. Ефимушкин В.А., Шалагинов В.А. Инфокоммуникационные услуги на базе открытых интерфейсов в сетях следующего поколения: Учеб. пособие. -М.: ЦНИИС, 2010.-51 с.

Шалагинов Виктор Алексеевич (Россия)

Исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов

В диссертационной работе выполнено исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов. Проведенное исследование позволило получить граничные значения характеристик, необходимые для предоставления услуг с гарантированным уровнем качества.

Victor A. Shalaginov (Russia)

Research of NGN Network Performance Characteristics Impairment to Quality of Services Based on Open Interfaces

The research of impairment of NGN network performance characteristics to Quality of Services based on open interfaces has been made in this work. The research provides boundary values, which helps provide services based on open interfaces with guaranteed quality.

Подписано в печать 02.03.2011. Формат 60x90 1/16. Объем 1,2 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ №03804

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495)542-7389 www.chertez.ni

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Шалагинов, Виктор Алексеевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ эффективности методов предоставления инфокоммуникационных услуг в сетях последующих поколений

1.1. Анализ способов предоставления перспективных инфокоммуникационных услуг с гарантированным качеством в традиционных сетях связи

1.2. Исследование архитектурных и функциональных особенностей инфокоммуникационных услуг в сетях последующих поколений

1.3. Оценка эффективности существующих методов разработки и внедрения инфокоммуникационных услуг

1.4. Сравнение технологий для разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов

Выводы

ГЛАВА 2. Анализ методов измерения и оценки характеристик функционирования сетей последующих поколений

2.1. Анализ документов международных организаций по стандартизации систем управления качеством обслуживания

2.2. Классификация инфокоммуникационных услуг в зависимости от их требований к сетевым ресурсам

2.3. Анализ существующих методов оценки характеристик функционирования сетей последующих поколений на уровне средних

2.4. Систематизация методов измерения основных характеристик функционирования сетей последующих поколений для оценки их распределений

Выводы

ГЛАВА 3. Разработка и исследование аналитических моделей предоставления услуг на базе открытых интерфейсов в сетях последующих поколений

3.1. Разработка процедуры построения математических моделей предоставления услуг на базе открытых интерфейсов в сетях последующих поколений

3.2. Исследование модели предоставления услуг критичных к задержкам передачи данных в реальном времени

3.3. Исследование модели предоставления услуг, некритичных к задержкам передачи данных

3.4. Анализ показателей качества обслуживания запросов на предоставление услуг на базе открытых интерфейсов

Выводы

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов

4.1. Разработка сетевого фрагмента предоставления 113 инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов

4.2. Исследование влияния характеристик 120 функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на разработанном сетевом фрагменте

4.3. Анализ адекватности экспериментальных 137 результатов, полученных на сетевом фрагменте

4.4. Определение граничных значений характеристик 144 функционирования сетей последующих поколений для обеспечения гарантированного качества услуг

Введение 2011 год, диссертация по радиотехнике и связи, Шалагинов, Виктор Алексеевич

Актуальность работы

Основные тенденции развития отрасли телекоммуникаций, к которым относятся расширение спектра оказываемых услуг, переход к сетям последующих поколений, а также рост числа пользователей в таких сетях и значительное увеличение объемов информационного обмена, предъявляют постоянно возрастающие требования к производительности сетевого и серверного оборудования, пропускной способности каналов связи и качеству обслуживания. Обеспечение гарантированного качества услуг в сети последующих поколений является комплексной проблемой. Одним из этапов в решении этой проблемы является задача исследования влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг.

Исследованию вопросов построения сетей последующих поколений, расчета и развития мультисервисных сетей связи посвящены работы Башарина Г. П., Вишневского В. М., Гольдштейна Б. С., Гордиенко В. Н., Деарта В. Ю., Докучаева В. А., Ершова В. А., Крылова В. В., Кузнецова В. А., Кучерявого А. Е., Мардера Н. С., Назарова А. Н., Пшеничникова А. П., Рослякова А. В., Самуйлова К. Е., Семенова В. А., Соколова Н. А., Степанова С. Н., Сычева К. И., Шувалова В. П., Яновского Г. Г. и других.

Постепенный переход от телекоммуникационных услуг в существующих традиционных сетях с коммутацией каналов к инфокоммуникационным услугам в сетях последующих поколений с коммутацией пакетов ведет к необходимости учета особенностей передачи информации при предоставлении услуг. Анализ методов внедрения новых услуг показал, что разработку и предоставление инфокоммуникационных услуг целесообразно осуществлять на базе технологий открытых интерфейсов, позволяющих обеспечить независимость от платформ предоставления услуг, сетей передачи и механизмов управления трафиком. Такой подход к реализации инфокоммуникационных услуг представлен, например, в работах Шнепс-Шнеппе М. А., Атк1гееИо А., ЫссгагсН С., Бакагт Р.

Проблемы предоставления услуг с гарантированным качеством в сетях последующих поколений и способы их решения освещены в работах российских и зарубежных авторов ЕфимушкинаВ. А., Кучерявого Е. А., Нетеса В. А., Самуйлова К. Е., Степанова С. Н., IversenV., Jiang W., Kim S., Moeller S., Raake A., Ross K., Schulzrinne H., Vegesna S., Xiao X. и других. При этом следует отметить, что работы, посвященные исследованию влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов, встречаются редко.

Кроме того, существующие исследования не учитывают влияния всех основных характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг. Предоставление инфокоммуникационных услуг без гарантий качества существенно снижает их привлекательность для абонентов, что в свою очередь, ведет к уменьшению прибыли оператора связи.

Таким образом, исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов является актуальной задачей. Ее решение позволяет находить граничные значения и нормировать указанные характеристики, рассчитывать уровень качества на этапе проектирования сети последующих поколений, а также поможет предоставлять инфокоммуникационные услуги с гарантированным качеством, используя все преимущества сетей последующих поколений.

Объектом исследования является процесс предоставления услуг на базе открытых интерфейсов в сетях последующих поколений.

Предметом исследования являются характеристики функционирования сетей последующих поколений, которые оказывают существенное влияние на качество услуг на базе открытых интерфейсов.

Цель диссертации состоит в исследовании влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов и нахождении граничных значений, при которых снижение качества услуг является ощутимым.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- проведен анализ эффективности применения технологий разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг в сетях последующих поколений, на основании которого был осуществлен выбор объекта исследования;

- определен перечень характеристик функционирования сетей последующих поколений, оказывающих существенное влияние на качество услуг, а также систематизированы существующие методы оценки и измерения указанных характеристик;

- разработана процедура построения аналитических моделей предоставления инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов в сети последующих поколений для исследования влияния характеристик элементов указанных сетей на качество услуг;

- разработан сетевой фрагмент для экспериментального исследования влияния на качество услуг основных характеристик функционирования сети последующих поколений: задержки пакетов, вариации задержки пакетов, потерь пакетов и скорости передачи;

- получены результаты экспериментов по оценке влияния указанных характеристик функционирования сети последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов;

- определены граничные значения характеристик функционирования сети последующих поколений, при которых снижение качества услуг является ощутимым.

Методы исследования

В диссертации используются методы теории сетей связи, теории вероятностей, теории сетей массового обслуживания, теории телетрафика, линейной алгебры и модельный эксперимент.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью теоретических моделей, а также адекватностью методов, используемых для получения экспериментальных результатов, и их сравнением с теоретическими оценками качества услуг.

Научная новизна результатов

1. Предложено использовать модель Кларка, известную для системы, в которой происходят потери пакетов, для случая задержки пакетов и вариации задержки пакетов. Такое использование модели Кларка позволило применять в экспериментальных исследованиях математический аппарат для расчета времени пребывания системы в нестабильном состоянии, при котором наблюдается снижение качества услуг вследствие влияния задержки и вариации задержки.

2. Разработана процедура построения аналитических моделей инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов, позволяющая получить расчетные выражения и, при известных значениях параметров функционирования элементов модели сети последующих поколений, численные решения для уравнений, описывающих важнейшие показатели качества обслуживания, к которым относятся доля обслуженных запросов и среднее время ожидания запроса в очереди платформы предоставления услуг.

3. Предложено нормировать значение вариации задержки пакетов для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие, что распределение задержки может не соответствовать нормальному закону и зависит, в частности, от размера пакета.

Личный вклад

Все результаты, составляющие содержание данной работы, получены автором лично.

Практическая значимость

1. Разработан фрагмент сети последующих поколений, позволяющий моделировать влияние широкого набора значений характеристик ее функционирования на качество услуг на базе открытых интерфейсов. Использование разработанного фрагмента позволило оценивать качество услуг объективными методами, а также значительно ускорить процесс оценки качества по сравнению с методами, основанными на субъективной оценке аудитории слушателей.

2. В результате эксперимента определены граничные значения основных характеристик функционирования сетей последующих поколений. При нахождении указанных характеристик в пределах граничных значений не происходит заметного снижения качества услуг на базе открытых интерфейсов.

Результаты исследований использованы в проводившихся ФГУП ЦНИИС НИР, в рамках проекта Европейского института стандартов электросвязи (ETSI) «Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); Perceptual Impact of End-to-End Delay and End-to-End Delay Variation on Fax-over-IP (FoIP) and Modem-over-IP (MoIP)», а также в учебном процессе на базовой кафедре МТУСИ "Перспективные телекоммуникационные технологии и услуги", что подтверждается соответствующими актами. Апробация работы

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

- вторая, третья, четвертая и пятая отраслевые научные конференции "Технологии информационного общества" (Москва, 2008-2011);

- 64-я и 65-я Научные сессии Российского НТОРЭС им. A.C. Попова, посвященные Дню радио (Москва, 2009, 2010);

- семинар МСЭ "Анализ, прогнозирование и механизмы регулирования развития рынков электросвязи" (Киев, 2009);

- научный семинар секции "Моделирование сетей связи, информационных систем и процессов" МНТОРЭС им. A.C. Попова (Москва, 2010);

- 12-я международная конференция и выставка "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 в рецензируемых периодических изданиях, входящих в перечень ВАК. Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Показано, что модель Кларка, известная для системы, в которой происходят потери пакетов, может быть применена для моделирования систем с задержкой пакетов и вариацией задержки пакетов.

2. Аналитическая модель услуг на базе открытых интерфейсов, построенная на основе теории открытых сетей массового обслуживания (сетей Джексона), позволяет рассчитывать показатели качества обслуживания, связанные с передачей и обработкой запроса на предоставление услуги на базе открытых интерфейсов.

3. Разработанный сетевой фрагмент сети последующих поколений позволяет моделировать влияние широкого набора характеристик ее функционирования на качество услуг на базе открытых интерфейсов и оценивать качество объективными методами с достаточной точностью.

4. Гарантированное качество услуги в сети оператора связи обеспечивается при нахождении характеристик функционирования сетей последующих поколений в пределах предложенных граничных значений.

5. Значение вариации задержки пакетов целесообразно нормировать для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 129 наименований. Диссертация содержит 165 страниц текста, включая 60 рисунков и 10 таблиц.

Заключение диссертация на тему "Исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов"

Выводы

1. Сформулированы требования и разработан сетевой фрагмент СПП для моделирования влияния широкого набора значений характеристик ее функционирования: задержки пакетов, вариации задержки пакетов, вероятности потерь пакетов и скорости передачи. Использование разработанного фрагмента позволило оценивать качество услуг объективными методами, а также значительно ускорить процесс оценки качества по сравнению с методами, основанными на субъективной оценке аудитории слушателей.

2. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие, что распределение задержки может не соответствовать нормальному закону и зависит, в частности, от размера пакета. Предложено нормировать значения вариации задержки пакетов, для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения. Показано, что равномерное распределение задержки пакетов на отрезке [Оме, 15мс] не приводит к ощутимому снижению качества услуги передачи речи.

3. Определены граничные значения основных характеристик функционирования сетей последующих поколений. К указанным значения относятся задержки пакетов - 145 мс (ПГЗ) и 200 мс (ВГЗ), потери пакетов -1% (ПГЗ) и 2% (ВГЗ), а также скорость передачи для кодека вЛП -160 Кбит/с. Гарантированное качество услуг может быть обеспечено оператором связи при нахождении характеристик функционирования сетей последующих поколений в пределах граничных значений.

4. Показано, что в формуле оценки уровня качества согласно Е-модели целесообразно учитывать влияние важных характеристик функционирования СПП, а именно вариации задержки пакетов и скорости передачи. Учет указанных характеристик позволяет прогнозировать с большей точностью уровень качества на этапе проектирования СПП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализирована эффективность методов разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг в СПП. В результате анализа показана целесообразность использования технологий на базе открытых интерфейсов Parlay, JAIN и VXML, для разработки и предоставления инфокоммуникационных услуг в СПП.

2. Определен перечень характеристик функционирования СПП, оказывающих существенное влияние на качество услуг. Систематизированы существующие методы измерения указанных характеристик, в результате чего выделены две основные группы методов измерений: непосредственные и косвенные.

3. Предложено использовать модель Кларка, известную для системы, в которой происходят потери пакетов, для систем с задержкой пакетов и вариацией задержки пакетов. Это позволило применять в экспериментальных исследованиях математический аппарат модели Кларка для расчета времени пребывания системы в нестабильном состоянии, при котором наблюдается снижение качества услуги вследствие влияния задержки и вариации задержки.

4. Разработана процедура построения аналитических моделей предоставления услуг на базе открытых интерфейсов в СПП, позволяющая получить выражения для численного анализа показателей качества обслуживания таких услуг и находить граничные значения параметров функционирования СПП, при которых снижается качество обслуживания.

5. Разработан сетевой фрагмент для моделирования влияния широкого набора характеристик функционирования СПП: задержки пакетов, вариации задержки пакетов, потерь пакетов и скорости передачи. Использование разработанного фрагмента позволило оценивать качество услуг объективными методами, а также значительно ускорить процесс оценки качества по сравнению с методами, основанными на субъективной оценке аудитории слушателей.

6. Предложено нормировать значения вариации задержки пакетов для случая равномерного распределения задержки пакетов, как худшего случая распределения. Получены экспериментальные результаты, подтверждающие, что распределение задержки может не соответствовать нормальному закону и зависит, в частности, от размера пакета. Показано, что равномерное распределение задержки пакетов на отрезке [0 мс, 15мс] не приводит к ощутимому снижению качества услуги передачи речи.

7. Найдены граничные значения основных характеристик функционирования сетей последующих поколений. К указанным значениям относятся: задержки пакетов - 145 мс (ПГЗ) и 200 мс (ВГЗ), потери пакетов -1% (ПГЗ) и 2% (ВГЗ), а также скорость передачи для кодека 0.711 -160 Кбит/с. Гарантированное качество услуг может быть обеспечено оператором связи при нахождении характеристик функционирования сетей последующих поколений в пределах граничных значений.

8. В формуле оценки уровня качества обслуживания согласно Е-модели целесообразно учитывать влияние важных характеристик функционирования СПП: вариации задержки пакетов и скорости передачи. Учет указанных характеристик позволяет точнее прогнозировать уровень качества на этапе проектирования СПП.

9. Результаты исследований использованы в проводившихся ФГУП ЦНИИС НИР, в рамках проекта Европейского института стандартов электросвязи по оценке влияния характеристик' функционирования СПП на качество услуг передачи факсимильных сообщений, а также в учебном процессе на базовой кафедре МТУ СИ "Перспективные телекоммуникационные технологии и услуги", что подтверждается соответствующими актами.

Библиография Шалагинов, Виктор Алексеевич, диссертация по теме Системы, сети и устройства телекоммуникаций

1. РД 45.126-99. Концепция взаимодействия операторов интеллектуальных сетей связи и их присоединения к базовой телефонной сети общего пользования. М.: Минсвязи РФ, 1999. 17 с.

2. Рекомендация МСЭ-Т Е.800. Definitions of terms related to quality of service. МСЭ-Т, 2008.

3. Гольдштейн Б.С., Ехриель И.М., Рерле Р.Д. Интеллектуальные сети. М.: Радио и связь, 2000. 504 с.

4. Ерохина И., Кодачигов В."Связьинвест" округлит "цифру". Компания готовит восьмимиллиардную программу развития Электронный ресурс. /. 2007. URL: http://www.comnews.ru/index.cfm7id =32515

5. Самуйлов К.Е., Филюшин Ю.И. Роль интеллектуальной сети в эволюции систем связи // Открытые системы, 1996. № 2.

6. Концептуальные положения по построению мультисервисных сетей на ВСС России. М.: Минсвязи РФ, 2001. 32 с.

7. Олифер H.A. Простое повышение пропускной способности не гарантирует работоспособности приложений Электронный ресурс. / URL: http://www.osp.ru/lan/2002/ll/135505/

8. Закон Нильсена о росте скорости передачи доступной абоненту для подключения к сети Интернет Электронный ресурс. / URL: http://wvvw.useit.com/alertbox/980405.html

9. Next Generation Networks in Europe. Broadband in 2011 and beyond Электронный ресурс. / Arthur D. Little, 2007. 84 p. URL: http://www.lgi.com/PDF/Next%20Generation%20Networks%20in%20Europe %20-%20English.pdf

10. Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Транспортные сети и сети доступа. М.: Инсвязьиздат, 2007. 166 с.

11. Шнепс-Шнеппе М.А. Лекции по сетям связи нового поколения NGN. М.: МАКС Пресс, 2005. 232 с.

12. Мардер Н.С. Современные телекоммуникации. М.: ИРИАС, 2006. 384 с.

13. Шалагинов В.А. Задачи исследования качества услуг на базе открытых интерфейсов в сетях следующего поколения // В сб.: Труды МТУ СИ. М.: ИД Медиа Паблишер, 2008. Т. 1 С. 78-81.

14. Mcintosh S., Nelson Е. Telecom switches emphasis: Preliminary analysis of the 2007 Telecom Industry Survey // IBM Institute for Business Value, 2007. 16 p.

15. БарабашП.А., Воробьев С.П., Курносов В.И., Советов Б.Я. Инфокоммуникационные технологии в глобальной информационной инфраструктуре. СПб.: Наука, 2008. 552 с.

16. Величко В.В., Катунин Т.П., Шувалов В.П. Основы инфокоммуникационных технологий. М.: Горячая линия Телеком, 2009. 712 с.

17. Poikselka М., Niemi A., Khartabil Н. The IMS: IP multimedia concepts and services. John Wiley & Sons, 2006. 417 p.

18. Яновский Г.Г. IP Multimedia Subsystem: принципы, стандарты и архитектура // Вестник связи, 2006. № 3.

19. NGN Functional Architecture. ETSI TISPAN RES 282 001. 2007.

20. Requirements for QoS in a NGN. ETSI TISPAN TS 181 018. 2007.

21. Barnet L., Visitación M., Gilpin M., Symons C. Metrics for Application Development Электронный ресурс. // Forrester Research. 2005. URL: http:// www.forrester.com/rb/Research/metricsforapplicationdevelopment/q/id/3 5 916 m

22. Кулямин B.B. Петренко О.Л. Место тестирования среди методов оценки качества ПО Электронный ресурс. // Институт системного программирования РАН. URL: http://www.ispras.ru.

23. McCall J., Richards P., Walters G. Factors in Software Quality. Three volumes AD-A049-014, AD-A049-015, AD-A049-055. NTIS, 1977.

24. Boehm B.W., Brown J. R., Kaspar H., Lipow M., MacLeod G., Merritt M.J. Characteristics of Software Quality. North Holland, 1978.

25. Липаев B.B. Методы обеспечения качества крупномасштабных программных средств. М.: СИНТЕГ, 2003. 520 с.

26. ГОСТ 28195-89 Оценка качества программных средств. Общие положения. Введ. 01.07.1990. М.: Издательство стандартов, 1989.

27. Шнепс-Шнеппе М.А., Килин A.M. Parlay X новая концепция web-услуг для телекоммуникаций Электронный ресурс. / URL: http://www.sotovik.ru

28. Voice extensible Markup Language version 2.0 Электронный ресурс. / World Wide Web Consortium, 2004. URL: http://www.w3.org/ TR/voicexml20/.

29. Журавлев C.B., Темкина T.A. Платформы для создания новых услуг // ИКС, 2005. № 8.

30. Есауленко А. Открытый доступ: возможны варианты // Сети, 2005. №10.

31. Ефимушкин В.А., Шалагинов В.А. Инфокоммуникационные услуги на базе открытых интерфейсов в сетях следующего поколения: Учеб. пособие. М.: ЦНИИС, 2010.51 с.

32. Ефимушкин В.А. Ледовских Т.В. Качество услуг связи: задачи национальной стандартизации // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт, 2008. № 5.

33. Шалагинов В.А. Сравнительный анализ архитектур для обеспечения качества услуг связи в сетях следующего поколения // T-Comm, Спецвыпуск "Технологии информационного общества", М.: ИД Медиа Паблишер, 2009. Ч. III. С. 167-171.

34. Jongtae S. Mi Y.C., Soon S.L., Jinoo J. Overview of NGN QoS Control // IEEE Communication, 2007. №9.

35. Шалагинов B.A., Андреев Д.В. Исследование вопросов управления сетевыми ресурсами для обеспечения качества инфокоммуникационных услуг в сетях следующего поколения // Электросвязь, 2009. № 10.

36. Росляков A.B. Ваняшин C.B., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В., Чичнева И.А. Сети следующего поколения NGN. М.: Эко-трендз, 2009. 424 с.

37. PacketCable Dynamic Quality-of-Service Specification. CableLabs, 2005.

38. DSL Evolution Architecture Requirements for the Support of QoS-Enabled IP Services. Technical Report. DSL Forum, 2003.

39. Ekstrom H. QoS Control in the 3GPP Evolved Packet System // IEEE Communication Magazine, 2009. №2. P 76-83.

40. IP Multimedia Subsystem (IMS) v 8.6.0. Tech. Spec. 23.228 / 3GPP.

41. Resource and Admission Control Sub-System (RACS): Functional Architecture// ETSI TISPAN ES 282 003, 2008.

42. Рекомендация МСЭ-Т Y.2111 Next Generation Networks Quality of Service and performance. МСЭ-Т, 2006.

43. Соколов H.A. Городские и сельские телефонные сети. Телекоммуникационные сети. Монография в 4-х главах. Глава 3. М.: Альварес Паблишинг, 2004. 192 с.

44. Рекомендация МСЭ-Т G.1010. End-user multimedia QoS categories. МСЭ-Т, 2001.

45. Рекомендация МСЭ-Т Y.1540. Internet protocol aspects Quality of service and network performance, Internet protocol data communication service - IP packet transfer and availability performance parameters. МСЭ-Т, 2007.

46. Рекомендация МСЭ-Т Y.1541. Internet protocol aspects Quality of service and network performance, Network performance objectives for IP-based services. МСЭ-Т, 2006.

47. IP Performance Metrics Working Group Электронных! ресурс. / URL: http://www.ietf.org/dyn/wg/charter/ippm-charter.html.

48. RFC 4737. Packet Reordering Metrics. IETF, 2006.

49. RFC 3763. One-way Active Measurement Protocol (OWAMP) Requirements. IETF, 2004.

50. RFC 5357. A Two-Way Active Measurement Protocol. IETF, 2008.

51. Шалагинов В.А. Классификация инфокоммуникационных услуг и математическая модель их предоставления в СПП //LXIV научная сессия, посвященная Дню Радио, НТОРЭС им. А.С. Попова: Сб. трудов науч. конф. М.: Инсвязьиздат, 2009. С. 31-34.

52. Столлингс В. Современные компьютерные сети. СПб.: Питер, 2003. 783 с.

53. Шринивас В. Качество обслуживания в сетях IP. М.: Вильяме, 2003. 368 с.

54. Roger L.F. Fundamentals of telecommunications. New Jersey: John Wiley & Sons, 2005. 675 p.

55. Шалагинов B.A. Проблемы учета информации для тарификации инфокоммуникационных услуг в NGN-сетях // Электросвязь, 2010. № 4.

56. Wang Y.A., Huang C., Li J., Ross K.W. Queen: Estimating Packet Loss Rate between Arbitrary Internet Hosts Электронный ресурс. // Polytechnic Institute of NYU, NY, USA. URL: http://cis.poly.edu/~angelawang/papers/ pam09.pdf

57. Шалагинов B.A. Моделирование сети следующего поколения при оценке качества инфокоммуникационных услуг // T-Comm, 2010. №7. С. 182185.

58. Jain M., Dovrolis C. End-to-end available bandwidth: measurement methodology, dynamics, and relation with TCP throughput Электронный ресурс. / URL: http://conferences.sigcomm.org/sigcomm/2002/papers/e2ebw.pdf

59. Liu X., Ravindran К., Liu В., Loguinov D. Single-hop probing asymptotic sin available bandwidth estimation: sample-path analysis // Proceedings of ACM SIGCOMM. Sicily: Italy, 2004.

60. Lin L., Jia W. An Efficient Method for End-to-end Available Bandwidth Measurement // Performance Challenges for Efficient Next Generation Networks, ITC 19, 2005.

61. Степанов C.H. Основы телетрафика мультисервисных сетей. М.: Эко-Трендз, 2010 г. 392 с.

62. Наумов В.А., Самуйлов К.Е., Яркина Н.В. Теория телетрафика мультисервисных сетей. М.: РУДН, 2007. 191 с.

63. Сычев К.И. Многокритериальное проектирование мультисервисных сетей связи. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. 272 с.

64. Ершов В.А., Кузнецов II.А. Мультисервисные телекоммуникационные сети. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 432 с.

65. Лагутин B.C., Степанов С.Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000. 320 с.

66. Назаров А.Н., Сычев К.И. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. М.: Физматлит, 2010. 407 с.

67. Докучаев В.А., Гадасин Д.В., Красавина З.А., Яковенко Н.В. Архитектура и принципы построения мультисервисных телекоммуникационных систем. М.: МТУ СИ. 2000.

68. Корнышев Ю.Н., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. М.: Радио и Связь, 1996. 270 с.

69. Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н., Моченов А.Д., Иванов В.И., Бурдин В.А., Крыжановский А.В., Марыкова. Л.А. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. М.: Горячая линия Телеком, 2004. 150 с.

70. Крылов В.В., Самохвалова С.С. Теория телетрафика и ее приложения. СПб.: БХВ, 2005. 288 с.

71. Iversen V.B. Teletraffic Engineering Handbook. ITU-D, 2002. 323 p.

72. НетесВ.А. Качество обслуживания на сетях связи. Обзор рекомендаций МСЭ-Т // Сети и системы связи. № 3, 1999. С. 56-59.

73. Кучерявый Е.А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет. СПб.: Наука и техника, 2004. 336 с.

74. Xiao X. Technical, commercial and regulatory challenges of QoS. Amsterdam: Morgan Kaufmann, 2008. 286 p.

75. Вишневский В.M. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера, 2003. 512 с.

76. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория расчета. М.: Наука, 1989. 336 с.

77. Башарин Г.П. Лекции по математической теории телетрафика. М.: РУДН, 2009. 342 с.

78. Жожикашвили В.А., Вишневский В.Н. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. 192 с.

79. Ивницкий В.А. Теория сетей массового обслуживания. М.: Изд-во физико-математической литературы, 2004. 772 с.

80. Dàttatreya G.R. Performance Analysis of Queuing and Computer Networks. Portland: Chapman & Hall, 2008. 472 p.

81. Шалагинов В.А. Разработка аналитических моделей инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов в Cl 111 // В сб.: Труды LXV научной сессии, посвященной Дню Радио, НТОРЭС им. А.С. Попова. М.: Инсвязьиздат, 2010. С. 244-246.

82. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. 600 с.

83. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Мир, 1979. 432 с.

84. Шалагинов В. А., Ярлыкова С. М. Особенности разработки инфокоммуникационных услуг на языке VoiceXML // Сети и системы связи, 2008. № 1. С. 44-47.

85. Описание программного продукта "Microsoft Office SharePoint Server 2007" Электронный ресурс. / URL: http://office.microsoft.com/ru-ru/sharepointserver/HAl 01748 861049.aspx

86. Описание программного продукта "Novell Teaming + Conferencing" Электронный ресурс. / URL: http://www.mosqit.ru/solutions/collaboration/42-novell-teaming-conferencing.html

87. Описание услуги "Телевидение высокой четкости" Электронный ресурс. / URL: http://www.stream.ru/tv/hdtv/

88. Описание услуги "Телевидение высокой четкости" http://www.hdtvinfoport.com/ Электронный ресурс. / URL: http ,7/www.stream.ru/tv/hdtv/

89. Васильев А.Б. Тарасов Д.В., Андреев Д.В., Кучерявый А.Е. Тестирование сетей связи следующего поколения. М.: ФГУП ЦНИИС, 2008. 144 с.

90. Рекомендация МСЭ-Т Q.3900. Methods of testing and model network architecture for NGN technical means testing as applied to public telecommunication network. МСЭ-Т, 2006.

91. Интернет-портал по распространению информации о стандартах в области сети Интернет и телекоммуникаций Электронный ресурс. / URL: http://www.tech-invite.com/Ti-etsi-standards-TISPAN06.html

92. Рекомендация МСЭ-Т Y.2011. General principles and general reference model for Next Generation Networks. МСЭ-Т, 2004.

93. Семенов Ю.В. Проектирование сетей связи следующего поколения. СПб.: Наука и Техника, 2005. 240 с.

94. Mobile Networks at the Tipping Point: The Data Explosion and Next Generation Network Challenge Электронный ресурс. / IDC, 2010. URL: http:/Avww.thenewnetworkishere.coiri/pdfs/juniper-lte-and-epc-transformation.pdf

95. Построение единого пространства услуг на базе существующих телекоммуникационных сетей Электронный ресурс. / URL: http://www.magcomline.com/tehn/t5l.htm

96. Саморезов В.В. Модели предоставления инфокоммуникационных услуг: дисс. канд. техн. наук. СПб., 2005. 132 с.

97. Потапов Д.А. Модели и методы реализации инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов: дис. . канд. техн. наук. СПб., 2007. 148 с.

98. Chandler N. Beyond QoS: Voice Quality Management for VoIP Networks Электронный ресурс. / URL: http://www.commsdesign.com/article/printable Article.jhtml?articieID=201001377, 2007.

99. Описание программного продукта IxLoad Электронный ресурс. / URL: http://www.ixiacom.com/

100. IxLoad. Getting Started with Aptixia IxLoad. Ixia, 2009. 31 p.

101. Эмулятор характеристик качества Dummynet Электронный ресурс. / URL: http://info.iet.unipi.it/~luigi/papers/ccr-final52.pdf

102. Rizzo L. Dummy net: a simple approach to the evaluation of network protocols // SIGCOMM Comput. Commun, 1997. № 1. P. 31-41.

103. Carbone M., Rizzo. L. Adding Emulation to PlanetLab Nodes Электронный ресурс. / URL: http://info.iet.unipi.it/~luigi/papers/20090212-CoNext.pdf

104. Carbone M., Rizzo L. An emulation tool for PlanetLab Электронный ресурс. / URL: http://info.iet.unipi.it/~luigi/papers/20100316-cc-preprint.pdf

105. Ross K.W. Multiservice Loss Models for Broadband Communication Networks. London: Springer-Verlag, 1995. 343 p.

106. Moeller S. Telephone transmission impact on synthesized speech: quality assessment and prediction // Acta Acustica united with Acustica, 2004. Vol. 90. P.121-136.

107. Moeller S., Kim D.-S., Malfait L. Estimating the quality of synthesized and natural speech transmitted through telephone networks using single-ended prediction models // Acta Acustica united with Acustica, 2008. Vol. 94. P.21-31.

108. Шалагинов В.А. Результаты исследования влияния вариации задержки пакетов на качество передачи голосовой информации в сетях СПП // Естественные и технические науки, 2010. № 3. С. 338-340.

109. Jiang W., Schulzrinne Н. Modelling of packet loss and delay and their effect on real-time multimedia service quality / Proceedings of 10th International Workshop Network and Operations System Support for Digital Audio and Video

110. NOSSDAV 2000), Chapel Hill, 2000.

111. Шалагинов В.А. Экспериментальное исследование характеристик качества инфокоммуникационных услуг на базе открытых интерфейсов в СПП // В сб.: Труды LXV научной сессии, посвященной Дню Радио, НТОРЭС им. А.С. Попова. М.: Инсвязьиздат, 2010. С. 246-248.

112. TTY & TTD Over VoIP: Dispelling the "Packet Loss" Myth Электронный ресурс. / URL: http://www.cisco.coin/web/about/responsibility/ accessibility/downloads/w\vl/regaffairs/pdf/DispellingthePacketLossMyth.pdf

113. End-to-End Packet Delay and Loss Behavior in the Internet Электронный ресурс. / URL: http://wvvw.flux.utah.edu/~kwright/papersumms/ networkpapers/bolot-sigcomm93.html

114. Рекомендация МСЭ-Т P.862. Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs. МСЭ-Т, 2001.

115. Рекомендация МСЭ-Т P.862.1. Mapping function for transforming P.862 raw result scores to MOS-LQO. МСЭ-Т, 2003.

116. Raake A. Speech Quality of VoIP Assessment and Prediction. John Wiley & Sons Ltd, 2006. 309 p.

117. Рекомендация МСЭ-Т P.800. Methods for subjective determination of transmission quality. МСЭ-Т, 1996.

118. Рекомендация МСЭ-Т G.107. The E-model: a computational model for use in transmission planning. МСЭ-Т, 2009.

119. Рекомендация МСЭ-Т G.109. Definition of categories of speech transmission quality. МСЭ-Т, 1999.

120. Raake A. Predicting speech quality under random packet loss: Individual impairment and additivity with other network impairments // Acta Acustica, 2004. № 6. P. 1061-1083.

121. Иванова B.M. Калинина B.H., Нешумова JI.A., Решетникова И.О. Математическая статистика. М.: Высш. Школа, 1981. 371 с.

122. Copeland R. Converging NGN Wireline and Mobile 3G Networks with IMS. London: Auerbach Publications, 2009. 518 p.