автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование и разработка метода расчета пропускной способности альтернативных направлений телефонной связи с коммутацией пакетов

На правах рукописи

Гольцов Алексей Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ

Специальность 05 12 13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003065449

Работа выполнена на кафедре систем управления городских телефонных сетей Госу дарственного образовательного учреждения высшего профессионального образова ния «Московский технический университет связи и информатики» (ГОУВПО МТУСИ)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

Попова Адина Григорьевна

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Кучерявый Андрей Евгеньевич,

кандидат технических наук, доцент Иевлев Олег Павлович

Ведущая организация Федеральное государственное унитарное предприятие

«Центральный научно-исследовательский институт связи» (ФГУП ЦНИИС)

Защита диссертации состоится 4 октября 2007 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 219 001 03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при ГОУВПО «Московский технический университет связи и информатики» по адресу 111024, Москва, ул Авиамоторная, дом 8а, ауд А455

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

КосичкинаТ П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Для современного уровня развития телекоммуникационных сетей характерны наличие сложившейся инфраструктуры волоконно-оптических транспортных сетей, быстрое внедрение современных технологий коммутации пакетов Internet Protocol (IP), Multiprotocol Label Switching (MPLS) и Gigabit Ethernet (GE) для мультиплексирования, транспортировки, добавления и вывода трафика различных приложений, широкие возможности по контролю и управлению потоками трафика в цифровых системах коммутации каналов (ЦСК)

В июне 2003 года в Российской Федерации был принят закон «О связи», определивший направления развития связи в нашей стране Из многочисленных положений закона «О связи» выделим переход от термина «телефонная сеть связи общего пользования» к термину «сеть связи общего пользования» (ССОП) Эта замена имеет принципиальное значение, поскольку отражает тенденцию перехода к сетям связи, объединяющим в себе свойства сетей с коммутацией каналов (КК) и коммутацией пакетов (КП) В частности, перспективная концепция Next Generation Network (NGN) предполагает, что телефония будет надстраиваться над инфраструктурой сетей передачи данных, и отражает идею перехода к единой универсальной архитектуре сети будущего Следуя теории конвергенции, базирующейся на принципе совместного использования ресурсов различных сетей связи, можно ожидать, что создание полностью пакетной сети будет представлять собой эволюционный и длительный процесс При реализации NGN возникают новые проблемы, имеющие в отрасли телекоммуникаций важное наукоёмкое содержание

Новые технологии телекоммуникаций развиваются опережающими темпами по сравнению с темпами развития телекоммуникационных сетей Внедрение новых успуг телефонной связи, развитие справочно-информационных служб, влияние дополнительного трафика сетей мобильной связи и сети Internet может приводить к повышению вероятности потерь по вызовам на отдельных участках и на всей сети в целом Например, число абонентов сетей мобильной связи практически сравнялось с числом жителей Российской Федерации Только в Москве насчитывается порядка 5,0 млн пользователей сети Internet В Российской Федерации в 2005 году было 650 точек присутствия по технологии WiFi (Wireless Fidelity), а в 2006 году - более 7000 точек, то есть прирост идет в десятки раз Существующие сети связи общего пользования не рассчитаны на обслуживание дополнительного трафика, его появление повышает вероятность потерь по вызовам на отдельных участках и на всей сети в целом Одним из путей улучшения указанной ситуации является обслуживание избыточного трафика с привлечением ресурсов сети коммутации пакетов

Вопросы обслуживания трафика в пакетных сетях исследовались в работах Г П Захарова, В Г Лазарева, М А Шнепса-Шнеппе, В И Неймана, А П Пшеничникова, С Н Степанова, А Е Кучерявого и других Однако эволюционному процессу развития сети с одновременным нахождением в эксплуатации цифровых систем коммутации (ЦСК) различных лет поставки и современного оборудования с коммутацией пакетов и методам расчета пропускной способности для таких сетей должного внимания пока не уделялось

Объекты существующих сетей связи общего пользования связаны между собой направлениями межстанционной связи, каждое из которых содержит пучки линий исходящей и входящей связи Направление межстанционной связи выбирается системой управления ЦСК в соответствии с адресной информацией Поступивший вызов будет потерян (получит отказ в обслуживании) при занятости всех доступных ему линий в направлении межстанционной связи Одной из целей диверсификации ЦСК является создание и использование шлюзов доступа в сеть коммутации пакетов, получающих в системе маршрутизации ЦСК статус альтернативного направления связи

3

На телефонных сетях международной и междугородной связи имеется опыт организации обходных направлений, ресурс которых используется при перегрузке или техническом отказе направлений прямой связи Проблемой большинства местных телефонных сетей регионов России является отсутствие обходных направлений, они уязвимы в случае возникновения перегрузок Предлагается организовывать на местных телефонных сетях альтернативные направления с коммутацией пакетов

Для создания альтернативного направления межстанционной связи перспективны технологии коммутации пакетов IP/MPLS или GE Общая полоса пропускания альтернативного направления будет задействована для обслуживания телефонного трафика, оказавшегося избыточным для пучков прямой межстанционной связи Альтернативное направление межстанционной связи будет выполнять функции отдельной фазы обслуживания, которая заменяет собой фазу обслуживания с использованием ресурса линий прямой межстанционной связи, не являясь при атом дополнительной фазой, что важно для сохранения на низком уровне задержек в передаче речи Возможно образование транспортной структуры, повторяющей взаимное подключение систем коммутации для передачи речевого трафика - между двумя ЦСК будут существовать традиционное направление телефонной связи и альтернативное направление связи с коммутацией пакетов Для крупных операторов телефонной связи актуальна реализация альтернативного направления связи с коммутацией пакетов кольцевой структуры, объединяющей совокупность цифровых систем коммутации каналов

При проектировании сетей связи с коммутацией каналов используют методы теории телетрафика Для расчета числа каналов в обходных направлениях связи междугородных и международных сетей используется метод теории телетрафика RDA, название которого образовано системой используемых показателей величина R обозначает среднее значение избыточной нагрузки, D - ее рассеяние (разность дисперсии и среднего значения), А - интенсивность нагрузки Математическая модель обслуживания вызовов в альтернативном направлении связи с коммутацией пакетов должна учитывать возможности метода RDA и особенности технологий коммутации пакетов

Перед операторами связи стоит актуальная проблема эффективного использования ресурса каналов связи В сетях с коммутацией каналов понятие «пропускная способность» характеризует интенсивность нагрузки, которую может обслужить участок сети или система с заданной вероятностью потерь по вызовам в рассматриваемом промежутке времени В сетях с коммутацией пакетов понятие «пропускная способность» характеризуется шириной полосы пропускания, то есть объёмом трафика, который может быть пропущен каналом связи за единицу времени Пропускная способность позволяет проводить сравнение вариантов сопряжения сетевых структур и построения сетей, а также определять необходимый ресурс производительности В диссертационной работе разработаны модели функционирования альтернативного направления обслуживания вызовов и методы расчета пропускной способности Предлагаемый подход совпадает с распространенной концепцией развития сетей связи - добавлять к системам коммутации каналов шлюзы доступа к сетям коммутации пакетов, сохраняя неизменной архитектуру существующих сетей связи

Актуальность исследования подтверждается быстрым развитием технологий передачи речи с коммутацией пакетов и технических средств интеграции сетей связи, возможностью возникновения перегрузок в отдельных направлениях связи из-за внедрения новых услуг, развития справочно-информационных служб, роста объема трафика сетей Internet и сетей мобильной связи

Целью диссертации является исследование и разработка метода расчета пропускной способности альтернативного направления связи в качестве общего ресурса для обслуживания избыточного трафика телефонии от исходящих пучков линий межстанционной связи Для достижения поставленной цели решены следующие задачи

определены возможности привлечения ресурсов сети с коммутацией пакетов для реализации альтернативных направлений связи на основании сравнительного анализа технологий коммутации пакетов и исследования алгоритмов управления сетевыми ресурсами,

разработана математическая модель функционирования альтернативного направления межстанционной связи, создаваемого в качестве дополнительного сетевого ресурса и объединяющего цифровые системы коммутации каналов,

обоснована возможность использования метода ИРА и проведены аналитические расчеты зависимости пропускной способности альтернативного направления межстанционной связи с коммутацией пакетов от интенсивности поступающей нагрузки (в диапазоне 60, , 1200 Эрланг) и числа пучков линий, которым доступно альтернативное направление (в диапазоне от 1, ,28 пучков),

проведено имитационное моделирование функционирования альтернативного направления межстанционной связи и получены статистические оценки достоверности результатов аналитического расчета вероятности потерь по вызовам,

разработан метод расчета необходимой пропускной способности альтернативного направления межстанционной связи, учитывающий результаты аналитического и экспериментального исследований влияния альтернативного направления межстанционной связи на качество обслуживания вызовов

Методы исследования. В основу проводимых исследований положены методы теории телетрафика, теории вероятностей и математической статистики

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту, состоят в следующем разработана математическая модель функционирования альтернативного направления связи с коммутацией пакетов, объединяющего цифровые системы коммутации каналов,

предложено использование метода ЯОА для расчета пропускной способности альтернативного направления связи, и получены соотношения для аналитического расчета необходимого числа линий в альтернативном направлении в зависимости от числа пучков прямой связи, их емкости и интенсивности поступающей нагрузки,

проведено имитационное моделирование функционирования альтернативного направления связи и получены статистические оценки, подтвердившие результаты аналитического расчета вероятности потерь по вызовам,

разработан метод расчета пропускной способности альтернативного направления связи с коммутацией пакетов, реализуемого с использованием кольцевых транспортных структур, позволяющий производить сравнение вариантов и обоснованный выбор технического решения по результатам оценки эффективность его организации, предложены рекомендации по выбору способа повышения пропускной способности пучков межстанционной связи, испытывающих перегрузки

Личный вклад Теоретические и практические исследования, расчеты и моделирование, выводы и рекомендации иа их основе получены автором лично

Практическая ценность Разработанная методика экспертной оценки позволяет производить обоснованный выбор способа повышения пропускной способности пучков межстанционной связи, испытывающих перегрузки

Результаты аналитических и экспериментальных исследований, оформленные в виде рекомендаций, позволяют сравнивать варианты организации альтернативного направления связи с учетом особенностей используемой технологии коммутации пакетов, структуры телефонной сети и технических возможностей шлюзов доступа к сети коммутации пакетов

Реализация результатов работы Основные теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы в учебном процессе кафедры систем управления городских телефонных сетей МТУСИ, в проектных работах ОАО «Ги-просвязь», предложенный метод расчёта пропускной способности альтернативного направления использован при проектировании сегмента цифровой сети опытной зоны ОАО МГТС для определения направления перехода к сетям с коммутацией пакетов, что подтверждено соответствующими актами

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждались на конференции Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А С Попова в 2005 году (Москва), на Международных форумах информатизации в 2005 и 2006 годах (Москва), на научной конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно - технического состава МТУСИ в 2006 году, на первой научно - технической отраслевой конференции «Технологии информационного общества» в 2007 году, на заседаниях кафедры систем управления городских телефонных сетей МТУСИ

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 16 опубликованных работах

Объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений Она включает 101 страницу машинописного текста, 36 рисунков, 25 таблиц, 2 приложения Список литературы включает 108 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы выбор темы диссертации, ее актуальность, новизна, определены цель и задачи исследования, структура и объем диссертации, коротко изложено ее содержание

В первой главе рассмотрены направления развития телекоммуникаций для создания сетей связи на базе современных технологий коммутации каналов и пакетной коммутации

Общей тенденцией развития сетей, в том числе сети одного из крупнейших операторов связи России - ОАО «Московская городская телефонная сеть» (ОАО «МГТС»), является наличие сложившейся инфраструктуры волоконно-оптических сетей связи, которая может быть эффективно использована для пакетной передачи всех видов информации Структура сетей связи включает в себя транспортную сеть и сеть доступа Транспортная сеть (Transport Network) должна обеспечивать транзит входящего и исходящего трафика пользователей с заданными временными показателями, доступ ко всем разделяемым ресурсам сети при гарантированном качестве услуг, высокой эффективности и доступной стоимости Перечислим требования к транспортному уровню при использовании принципов КП для передачи речи обеспечение гарантированной полосы пропускания, достаточной для передачи сигнала с приемлемым качеством, минимальная задержка доставки информации для обмена информацией в реальном времени Основным средством доступа к транспортному уровню телекоммуникационной сети остаются цифровые системы коммутации каналов Перечислим тенденции развития ЦСК

значительный рост абонентской емкости ЦСК (в том числе путем размещения ступеней концентрации нагрузки в непосредственной близости от абонентских групп), программное обеспечение ЦСК развивается в направлении совершенствования функций управления потоками трафика с целью защиты направлений связи от перегрузок (в том числе за счет маршрутизации части телефонных вызовов на обходные направления связи),

устанавливаются шлюзы доступа к ресурсам сетей связи с коммутацией пакетов, выполняемые в виде отдельных устройств или в виде встроенных модулей,

реализуется интегрированный доступ на базе'технологии xDSL, позволяющий предоставить абонентам услугу Tnple Play (передача данных, речи и видео) и переходить к интерактивным услугам телевещания и «видео по запросу», обеспечивая разделение трафика телефонии и трафика передачи данных,

возможность коррекции режима работы ЦСК с учетом изменения номенклатуры востребованных услуг и структуры потоков информации от абонентов

Можно сослаться на опыт ОАО «МГТС» в вопросах расширения спектра услуг за счет технологии xDSL Одновременно с услугами телефонии, абоненты ОАО «МГТС» могут получать услугу доступа к Internet через сеть передачи данных общего пользования, которая в настоящее время преобразована в мультисервисную первичную транспортную сеть (МПТС) и проходит стадию коммерческой эксплуатации как сеть небольшой емкости

Характерной особенностью предоставления услуг телефонии в современных сетях является наличие в создаваемом разговорном тракте участков сети с разными принципами коммутации и алгоритмами кодирования информации В сложных соединениях присутствуют сети с коммутацией каналов, участки сети мобильной связи и IP сети Последовательно могут включаться стандартные кодеки G 711 (64 кбит/с), кодеки мобильной связи FR GSM и EFR GSM (13 кбит/с), кодеки G 723 1 (6,3 кбит/с)

При развитии сетей связи действует правило - «в разговорном тракте должно присутствовать наименьшее число низкоскоростных кодеков разного типа» Универсальным решением признается использование кодеков телефонии G 711 (64 кбит/с)

7

Для описания функционирования систем и сетей телекоммуникации разработаны методы теории массового обслуживания (ТМО) Основоположником ТМО является датский математик А К Эрланг По мере совершенствования средств и сетей связи положения ТМО развивались в работах Б С Лившица, В И Неймана, А Д Харкеви-ча, А П Пшеничникова, Г П Башарина и других ученых

Распространенным методом исследования работы сетей связи с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов является метод декомпозиции, предполагающий независимое исследование функционирования участков сети Каждый участок ТфОП, участвующий в реализации разговорного тракта, может рассматриваться как независимая система массового обслуживания (СМО) вида М/МЛ/ с отказами, характеристики которой определяются по первой формуле Эрланга при условии, что поступающий поток вызовов близок по своим характеристикам к пуассоновскому потоку При проектировании систем коммутации каналов отличие реальных потоков телефонных вызовов от пуассоновского потока нивелируется использованием параметров потока для часа наибольшей нагрузки

В соответствии с положениями метода декомпозиции ТМО узел сети с коммутацией пакетов может быть представлен как СМО вида в/МАУ с ожиданием Такой подход не учитывает групповой характер поступления пакетов на обслуживание и наличие в потоке пакетов данных долгосрочной зависимости Учесть фрактальный характер потоков трафика в сетях с коммутацией пакетов позволяют методы теории фрактальных процессов, область применения которых в настоящее время ограничена оценкой алгоритмов управления потоками трафика и расчетом емкости буферной памяти в сетевых элементах

Наиболее универсальным методом исследования, пригодным для решения задач значительной сложности, является метод статистического моделирования Математическая модель процесса обслуживания может быть реализована в виде программы для ЭВМ Источниками вызовов и продолжительности их обслуживания являются числовые последовательности от генераторов случайных чисел Результаты моделирования используют для проверки гипотез, уточнения эмпирических коэффициентов

Во второй главе определена система показателей качества услуг и особенности управления потоками трафика на цифровой сети связи общего пользования, проанализированы возможности привлечения ресурсов сети с коммутацией пакетов для реализации альтернативных направлений связи

Одной из основных характеристик качества обслуживания вызовов на телефонной сети связи общего пользования является интенсивность пропущенной нагрузки на 1-ом участке сети А| обсл = (1 - РвО А|, где А| - интенсивность поступающей нагрузки и Рв! - вероятность потерь по вызовам на 1 -ом участке сети

Для оценки общей вероятности потерь по вызовам используется выражение т

Рв сети = 1 - П (1 - РвО, где гп - число участков сети, участвующих в соединении 1 = 1

При проведении проектно-изыскательных работ величина А| проект, характеризующая предполагаемую интенсивность нагрузки на I - пучок линий, определяется для ЧНН по результатам расчета и распределения нагрузки в системе коммутации, или по данным статистики Для заданных величин А| проект и Рв доп по первой формуле Эрланга рассчитывается число линий в I - ом пучке межстанционной связи VI

При возникновении перегрузок в отдельных пучках межстанционной связи, если А| > А1 проект, вероятность потерь вызовов превышает допустимое проектное значение Рв1 > Рв доп При проектировании межстанционных связей на телефонных сетях общего пользования величину Рв доп ограничивают значением 5 промиль

8

При проектировании направлений в сторону узлов специальной службы и в сторону объектов междугородной связи величину Рв доп ограничивают значением 1 про-миля Для инженерных расчетов допустимую интенсивность нагрузки в i - ом пучке линий связи Ai доп можно определять как Ai доп = Ui х Vi, где Ui - допустимое использование линии, соответствующее ее 80% занятости в течение заданного промежутка времени (Ui = 0,8 Эрл) Применение величины Pbi позволяет сопоставлять варианты организации направлений связи с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов По данным зарубежных фирм при передаче речи методами коммутации пакетов прослеживается линейная зависимость между необходимой полосой пропускания канала связи и числом одновременных разговоров, которое определяет интенсивность нагрузки Ai

Одной из задач, которые МСЭ-Т ставит перед администрациями национальных сетей связи, является выработка рекомендаций по установлению соответствия между данными текущего измерения качества обслуживания на сети и выработкой решений о целесообразности уменьшения нагрузки на отдельных пучках или направлениях связи Целью измерения интенсивности телефонной нагрузки и наблюдения за использованием компонентов сети является активизация или отмена методов управления, позволяющих минимизировать ухудшение качества, если количество попыток осуществления вызова растет, превышая пропускную способность направлений связи ЦСК, обеспечить работу сети в экстремальные периоды, которые могут быть результатом перегрузки или неисправности

Систематизация методов управления трафиком на местных телефонных сетях, проведенная для ЦСК разного типа, показала, что основной целью их активизации является обеспечение стабильной работы сети при перегрузках К причинам, вызывающим перегрузку направлений связи, можно отнести несоответствие интенсивности нагрузки расчетному количеству линий и, как следствие, появление повторных вызовов, ошибки маршрутизации, работу Call - центров по результатам событий, которые вызывают массовые вызовы (объявления агентств, телевизионных компаний) Исследованию влияния перегрузок и повторных вызовов на работу сетей связи посвящены труды таких отечественных ученых как С Н Степанов, М А Шнепс-Шнеппе

На рисунке 1 представлена зависимость доли обслуженной нагрузки Ai обсл от интенсивности поступившей нагрузки Ai пост Фактор увеличения повторных вызовов от пользователей, получивших отказ в обслуживании, проявляется в области значений Ai пост й Ai проект Лавинообразный рост числа повторных вызовов может приводить к неконтролируемому росту вероятности потерь по вызовам Pbi и к достижению порога перегрузки системы управления С этого момента может развиться общий отказ оборудования ЦСК, охватывающий все направления связи

Система управления ЦСК может давать оценку интенсивности обслуженной нагрузки по пучкам связи, видам оборудования и по направлениям связи Проблема состоит в том, что факт возникновения перегрузок может быть зафиксирован только при существенном росте числа поступающих вызовов, значительная часть которых не обслуживается При проведении аналитических расчетов можно прогнозировать интенсивность поступающей на пучок линий нагрузки как А = Кпоступ х 1соед, где Кпоступ -число поступивших на пучок линий вызовов, tcoefl - среднее время занятия линии пучка успешно завершившимся вызовом

Основой для разработки эффективных методов построения и оценки качества функционирования сетей связи является изучение характеристик трафика, создаваемого пользователями телекоммуникаций Традиционные телефонные сети фиксированной связи с коммутацией каналов оптимизированы для двухстороннего речевого трафика

Доля обслуженной нагрузки Ai обсл, %

Рисунок 1 - Изменение доли обслуженной i - ым направлением связи нагрузки в зависимости от поступающей нагрузки

Развитие средств доступа пользователей к ресурсам телекоммуникационных сетей приводит к перераспределению потоков трафика и изменению их структуры Ожидается, что на работу сетей фиксированной телефонной связи Российской Федерации в течение продолжительного времени будут оказывать существенное влияние трафик сетей мобильной связи и Internet-трафик Под влиянием трафика мобильной связи изменяется сложившееся распределение потоков нагрузки, которое учитывалось при проектировании сетей связи Можно также сослаться, на результаты исследований Internet-трафика, проведенных группой ученых под руководством А Е Кучерявого в Санкт - Петербурге Хотя трафик наиболее многочисленной группы Internet-пользователей оказался близок разговорному трафику абонентов телефонии, средняя продолжительность сеанса связи значительно превышает среднюю длительность телефонного разговора

Возможности повышения пропускной способности ЦСК местных сетей телефонной связи ограничены имеющимся ресурсом линий межстанционной связи Поэтому при проектировании объектов телефонной сети обычно закладывается значительная избыточность по линейно-кабельным сооружениям и станционному оборудованию, позволяющая включать дополнительные цифровые потоки вида Е1 при возникновении систематических перегрузок

Влияние перегрузок в направлениях сети фиксированной связи может быть уменьшено путем направления избыточной нагрузки на альтернативные направления с коммутацией пакетов Альтернативное направление межстанционной связи на базе интегрированных структур технологий IP/MPLS и 10GE сможет объединять совокупность цифровых систем коммутации каналов

В третьей главе разработана математическая модель функционирования альтернативного направления связи с коммутацией пакетов, на основе которой определена зависимость необходимой пропускной способности альтернативного направления связи от интенсивности поступающей нагрузки, числа пучков межстанционной связи и их емкости

Цифровая система коммутации канала а может рассматриваться пак совокупность г поп но доступных пучков линий связи, каждый из которых представлен как СМО вида М/МN с отказами. Альтернативное направление с коммутацией пакетов в общем виде может быть представлено как СМО вида G/MA/att, на вход которой поступает совокупность рекуррентных потоков вызовов, потерянных на пучках линий прямой связи. Признак G соответствует произвольному (General) распределению независимых промежутков между вызовами.

Воспользуемся общепринятым предположением, что потоки тепефонных вызовов, поступающих на исходящие пучки линий связи систем коммутации каналов, являются пуассонсвсшми. Как показана в работах А. Д. Хзркеаича, поиск свободной пинии для обслуживания аызова в исходящем пучке линий связи может рассматриваться как рекуррентная операция просеивания. Поскольку в результате такой операции, примененной к пуассоновскому потоку, получается пуассоновский поток, предлагается рассматривать альтернативное направление связи как СМО вида M/M/Valt (рисунок 2).

Возможность обосновать пропускную способность альтернативного направления связи с коммутацией пакетов с учетом девиации поступающей нагрузки дает применение метода RDA, который впервые предложили R.I.Wilkinson и G. Bretsohneider.

Необс луженное вызовы

О О

Поступающие Система коммутации 1 вызовы

Система коммутации j

Система коммутации Z

Рисунок 2 - Математическая модель функционирования альтернативного направления связи с коммутацией пакетов, объединяющего системы коммутации каналов

Метод RDA предполагает замену совокупности пучков прямой связи одним пучком, для которого должны быть определены интенсивность нагрузки Аэкв и число линий №кв Расчет величин Аэкв и Ыэкв производился методом RDA с учетом параметров суммарной избыточной нагрузки R и D по специальной программе на языке Borland Pascal версии 7 0 По известным значениям Аэкв и 1Чэкв может быть определено необходимое число линий в альтернативном направлении связи Valt необх как результат решения уравнения

Palt=(аэквЕМэкв + Va|t необх(АЭКв)) ' R. (1>

где (^(NsKB+Valt необх)^экв

)) - результат расчета по первой формуле Эрланга

для значений интенсивности нагрузки Аэкв и числа линий (Мэкв + Valt необх), R - среднее значение суммарной избыточной нагрузки,

Palt- вероятность потерь по вызовам, являющаяся одним из основных показателей качества обслуживания К нему могут быть добавлены показатели качества обслуживания, традиционно используемые в сетях коммутации пакетов

Пропускную способность альтернативного направления с коммутацией пакетов будем определять по формуле

Ообщ = Синф потока х Valt необх, (2)

где Синф потока- относительная полоса пропускания для телефонного разговора, определяемая с учетом результатов исследований фирмы CISCO для различных кодеков технологий ATM, FR, семейства технологий Ethernet и IP

Применение метода RDA позволяет проводить оценку величины Valt необх для широкого диапазона изменения средней интенсивности поступающей нагрузки с учетом ее девиации, а также емкости и числа пучков линий, которым доступно альтернативное направление Научно-практический интерес имеет исследование функционирования альтернативного направления межстанционной связи в условиях перегрузки

Перечислим особенности использования метода RDA для оценки пропускной способности альтернативного направления с коммутацией пакетов

возможность маршрутизации на альтернативное направление избыточной нагрузки от пучков линий прямой межстанционной связи, которые могут размещаться на нескольких цифровых системах коммутации, объединяемых альтернативным направлением,

использование для реализации альтернативного направления информационных технологий с коммутацией пакетов, которые позволят повышать число установленных телефонных соединений путем снижения Синф потока,

возможность использования методов управления потоками трафика в ЦСК по изменению числа пучков, которым доступен ресурс альтернативного направления,

возможность выявления по заданным кодам Internet - трафика для его дальнейшей маршрутизации на альтернативное направление с целью устранения негативного влияния на функционирование телефонной сети

При расчете пропускной способности альтернативного направления связи с коммутацией пакетов должны учитываться

характер изменения функции Valt необх = F(n), где п - число пучков линий межстанционной связи, избыточная нагрузка от которых может поступать на альтернативное направление с коммутацией пакетов,

характер изменения функции Valt необх = F(Ai), где Ai - интенсивность нагрузки на 1-ый пучок линий межстанционной связи

12

Расчеты, проведенные при фиксированном использовании линий, позволили выявить наличие линейной зависимости между величиной Valt необх и числом пучков линий прямой связи п при выполнении неравенства п >n min Введение границы n min отражает тот факт, что при малых значениях n зависимость Valt необх = F(n) несколько отличается от линейной зависимости При Vi = const рекомендуется производить оценку необходимого числа линий в альтернативном направлении Valt необх"1, на которое поступает избыточный трафик от n пучков линий связи, по формуле

Vait необх"1 = х n ЬаК J -ь . (3)

где аа|{ и t>au - коэффициенты линейной аппроксимации зависимости

Valt необх = F(n), полученные в результате аналитического расчета и представленные в таблице 1,

{[aaltх n + ^alt ]+"целое числ0 с округлением в большую сторону

Таблица 1- Результаты оценки коэффициентов aa[t и fc>a)t для линейной аппроксимации зависимости Valt необх = F(n) при Vi = const и Ui = 0,8 Эрланг

Vi, линии aalt balt n min Vi, линии aalt balt n min

60 1,00 15 1 150 0,25 17 4

90 0,75 15 1 180 0,15 16,4 4

120 0,40 16 1 210 0,10 16,2 4

Проведем предварительную оценку величины Ообщ для числа пучков п = 24 емкостью Vi = 120 каходый при Ui = 0,8 Эрланг = const Из таблицы 1 получим aa[t= 0,4 и ba)t= 16 По формуле (3) рассчитаем Valt необх"1 = [0,4 х 24 + 16] + 1 = 26 линий По формуле (2) при Синф потока= 82,4 кбит/с получим Ообщ = 2142,4 кбит/с

Полученные значения Valí необх01 и Ообщ совпадают с результатами аналитического расчета на ЭВМ по методу RDA для л = 24 при Vi = 120 Следует отметить, что результаты статистического моделирования альтернативного направления с коммутацией пакетов также хорошо согласуются с результатами аналитического расчета, их отклонение друг от друга не превышают 10% с доверительной вероятностью 0,95

В четвертой главе приводятся результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния дополнительного ресурса альтернативного направления межстанционной связи с коммутацией пакетов на качество обслуживания вызовов, на основе которых разработан метод расчета пропускной способности альтернативного направления

Эффективность использования ресурсов альтернативного направления межстанционной связи зависит от ряда факторов, среди которых количество пучков линий, испытывающих перегрузку, степень перегрузки отдельных пучков прямой связи, изменение характеристик потоков трафика при совместной передаче речевого трафика и Internet-трафика Альтернативное направление межстанционной связи с коммутацией пакетов может быть использовано в качестве средства защиты от перегрузок в пучках линий прямой межстанционной связи

Расчеты, выполненные по методу RDA для характерных вариантов работы (перегрузка в одном пучке линий и низкое использование остальных пучков линий), показали, что значения Valt необх"' для альтернативного направления определяются интенсивностью нагрузки в том пучке линий, который испытывает перегрузку Влияние остальных пучков линий при выборе Valt необх"1 и Ообщ может не учитываться

Традиционно на телефонных сетях общего пользования используется режим обслуживания с отказами, но в последнее время получают распространение варианты обслуживания с ожиданием или с ограниченным ожиданием Например, современные справочно-информационные службы используют режим обслуживания с ожиданием, предоставляя часть информации через подсистему интерактивного голосового меню

Актуальным становится расчет необходимой пропускной способности альтернативного направления межстанционной связи, выполненный для диапазона значений А = 60 .1200 Эрланг Нижняя граница диапазона представляет вариант подключения удаленных ступеней концентрации абонентской нагрузки в опорную систему коммутации каналов Возможно включение информационных центров обслуживания вызовов (Call-центров) в ЦСК через учрежденческую АТС с использованием нескольких потоков Е1 Верхняя граница диапазона соответствует варианту включения ЦСК большой емкости в опорно-транзитные узлы

Приведем результаты расчетов по методу RDA, выполненные для частных случаев Например, расчет, проведенный для варианта организации альтернативного направления через пакетные IP-сети по технологии Time Division Multiple of Internet Protocol (TDMolP), показал, что изменение величины Valt с шагом 30 линий обеспечивает снижение вероятности потерь по вызовам в шлюзах доступа к альтернативному направлению Paft на два порядка при одном шаге Расчет, проведенный для трафика телефонии и трафика Internet, показал, что увеличение средней длительности соединения в 3,3 раза ведет к увеличению необходимой пропускной способности альтернативного направления связи Ообщ в 15 раз Рассмотрим основные этапы разработанного метода расчета пропускной способности альтернативного направления связи с коммутацией пакетов

Подготовительный этап включает в себя определение исходных данных определение целей и задач включения цифровой системы коммутации в альтернативное направление связи с коммутацией пакетов,

выбор технологии коммутации пакетов и типа кодеков для передачи речи в рамках альтернативного направления,

определение технических возможностей по организации альтернативного направления связи с коммутацией пакетов с привлечением кольцевых транспортных структур,

предварительный выбор одного или нескольких видов доступа к ресурсам сети с коммутацией пакетов,

оценка возможностей цифровой системы коммутации по альтернативной маршрутизации вызовов на направление с коммутацией пакетов,

проведение мероприятий по сбору данных статистики с целью выявления пучков линий, испытывающих перегрузки в разное время суток,

прогнозирование возможных изменений в распределении нагрузки с учетом предоставления новых услуг, включения корпоративных пользователей, последующего увеличения абонентской емкости,

разработка схемы взаимной связи между системами коммутации каналов с учетом альтернативного направления с коммутацией пакетов и проверка создаваемых разговорных трактов по числу переприемов и по вносимым задержкам,

определение подхода к выбору методов защитного управления трафиком и, в частности, определение условий доступа к альтернативному направлению связи

14

Итогом работы инженерного состава оператора связи на подготовительном этапе должно стать определение области значений параметров расчета пропускной способности альтернативного направления связи с коммутацией пакетов

Этап расчета пропускной способности альтернативного направления связи с коммутацией пакетов будет выполняться при организации нового альтернативного направления или при включении в него системы коммутации

Этап включает в себя расчет необходимого числа линий в альтернативном направлении \Zatt необх"1, на которое поступает избыточный трафик от п пучков пиний связи На рисунке 3 представлены зависимости \Zalt необх"' = Р(ш), полученные в предположении, что на ЦСК могут быть активизированы методы защитного управления Предполагается, что альтернативное направление становится доступным для тех пучков связи, где фиксируется одновременное занятие 80% линий Число пучков, для избыточной нагрузки которых доступно альтернативное направление, может меняться в диапазоне п* = 1 28 при емкости каждого пучка \Л = 120 линий и VI = 210 линий В реальных условиях величина УаИ необхп) в зависимости от числа пучков меняется скачкообразно при подключении к альтернативному направлению каздого нового пучка прямой связи Величина изменения ДValt зависит от емкости подключаемого пучка линий

Рисунок 3 - Результаты расчета необходимого числа линий Va!t необхп) в зависимости от числа пучков линий пх, которым будет доступно альтернативное направление связи

Следует учитывать возможность передачи избыточной нагрузки на альтернативное направление от пучков линий различной емкости Для этих целей можно определять величины аац и Ьац при помощи интерполяции, вводя обозначение а*ац и

Ь*ац. Предположим, имеется совокупность пучков прямой связи емкостью Vi = 60 общим числом Лео = 4 и имеется совокупность пучков прямой связи емкостью Vi = 90 общим числом Пзо = 6 Определим и Ь*ац как

a*a)t = (neoаацво + "soaa(t' и b*alt= *Пй)ЬаК 80 + ns°balt ^' Пь (4)

где ni = (Пбо + Пдо) - число пучков, которым доступно альтернативное направление с коммутацией пакетов

Применение на ЦСК различных методов защитного управления поступающим трафиком создает возможность изменения величины nz в широком диапазоне Зависимость Valt необх"' = F(nj) позволяет оценить влияние методов защитного управления ЦСК на величину Valt необх"' При определении а *ац и b *a)t для расчета

Valí необх"' следует исходить из максимально возможного значения величины пг

Этап оценки вероятности потерь по вызовам в альтернативном направлении связи предполагает проведение оценки качества обслуживания вызовов в зависимости от ряда факторов и с учетом ресурса альтернативного направления связи с коммутацией пакетов Для выбора варианта включения цифровой системы коммутации в альтернативное направление связи разработана экспертная методика оценки и выбора способа повышения пропускной способности ЦСК В качестве метода аналитического исследования может быть использован метод RDA Целью расчетов ро методу RDA при известном числе линий в альтернативном направлении связи Valt является оценка показателя вероятности потери вызовов при их передаче на обслуживание на альтернативное направление с коммутацией пакетов

В таблице 2 представлены результаты расчета вероятности Palt при Valt = 30 линий и при Valí = 60 линий Расчет выполнен для совокупности из восьми пучков межстанционной связи емкостью Vi = 30, , 90 линий в каждом Среднее использование линий в пучках прямой межстанционной связи принималось Ui = 0,8 Эрланг и Ui = 0,9 Эрланг Рассмотренный вариант соответствует случаю повышения интенсивности трафика по всем исходящим пучкам межстанционной связи (например, при организации включения в систему коммутации дополнительных ступеней удаленного абонентского доступа) При среднем использовании линии Ui = 0,8 Эрланг эффективную защиту от потерь по вызовам (Palt s IxW"4) может обеспечить выбор числа линий Valt = 30 линий в альтернативном направлении

Таблица 2 - Результаты расчета вероятности потерь в альтернативном направлении Palt цифровой системы коммутации, п = 8 пучков

Vi, линии Ai, Эрл Среднее значение суммарной избыточной нагрузки R, Эрл Суммарное рассеяние избыточной нагрузки, D Вероятность потерь в альтернативном направлении Palt

Valt = 30 линий Valt = 60 линий

Среднее использование линии Ui ~ 0,8 Эрланг

30 24 7,70 15,80 3,5 Ю-4 0,0000

60 48 5,13 14,76 2,6 Ю-* 0,0000

90 72 i 3,07 10,22 1,1 10* 0,0000

Среднее использование линии Ui = 0,9 Эрланг

30 27 6,86 29,35 6,7 "КГ1 0,0000

60 54 19,81 63,83 1,0 10"* 1,4 Ю"4

90 81 19,68 79,52 1,210"1 4,8 10"4

Этап обоснованного выбора варианта включения цифровой системы коммутации в альтернативное направление связи предполагает выполнение ориентировочной оценки величины \Zalt необхп) альтернативного направления, которую предлагается проводить для наиболее загруженного пучка каналов цифровой системы коммутации емкостью V, используя формулы инженерного расчета

\/аИнеобхп> = 25 + 4х(1-ЕТ-2) в диапазоне 60 < А <210 Эрланг, (5)

\Zatt необх"' = 46 + 2,3 х (1_ЕТ - 7) в диапазоне 210 2 А< 600 Эрланг, \Zalt необх"' = 76 +1,6 х (1_ЕТ-20) в диапазоне 600 < А< 1200 Эрланг, где [_ЕТ = [\//30]- число потоков Е1 для реализации V линий пучка прямой межстанционной связи, 30 - число временных каналов (линий) для передачи речи в одном потоке Е1

На этапах реализации проекта и использования ресурса альтернативного направления связи с коммутацией пакетов должен предусматриваться контроль качества связи и возможность активизации методов управления потоками трафика, предусматривающих маршрутизацию избыточного трафика на альтернативное направление

Заключение

1 На основе анализа показателей качества связи и специфики предоставления услуг связи разработана математическая модель функционирования альтернативного направления связи с коммутацией пакетов, объединяющего цифровые системы коммутации каналов сети связи общего пользования с использованием кольцевых транспортных структур Модель предполагает использование метода РФА теории массового обслуживания для расчета пропускной способности альтернативного направления с коммутацией пакетов

2 Разработан алгоритм расчета по предложенной математической модели, позволяющий расширить границы ГША и учесть влияние на необходимую пропускную способность альтернативного направления связи с коммутацией пакетов таких факторов как

количество пучков линий межстанционной связи, которым доступен дополнительный ресурс альтернативного направления,

используемая технология пакетной коммутации и характеристики кодеков,

степень перегрузки отдельных пучков связи,

возможность изменения в широком диапазоне количества пучков линий, которым доступен ресурс альтернативного направления, из-за активизации различных методов оперативного управления системами коммутации для защиты от перегрузок,

изменение характеристик потоков трафика при совместной передаче речевого трафика и Мегпе^трафика

3 Разработан метод расчета пропускной способности альтернативного направления телефонной связи с коммутацией пакетов

4 Разработана методика экопертно-аналитической оценки для выбора ресурса альтернативного направления с учетом особенностей структуры телекоммуникационной сети и возможностей используемой технологии коммутации пакетов

5 Проведено математическое моделирование функционирования альтернативного направления связи, представленного как система массового обслуживания, которое подтвердило справедливость полученных аналитических соотношений для описания функционирования альтернативного направления связи с коммутацией пакетов Результаты аналитического расчета хорошо согласуются с результатами эксперимента, их отклонение друг от друга не превышают 10% с доверительной вероятностью 0,95

Список публикаций по теме диссертации

1 Гольцов А В Анализ требований к мультисервисным сетям связи // Международный форум информатизации (МФИ-2005) Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» - М - МТУСИ - 2005 - С 116

2 Гольцов А В Возможности аппаратуры нового поколения NG SDH // Международный форум информатизации (МФИ-2005) Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» - М - МТУСИ - 2005 - С 117

3 Гольцов А В Эволюция сети МГТС II Электросвязь -2005 - Ns9 - С 5-7

4 Гольцов А В, Попова А Г Создание и развитие интегрированных телекоммуникационных сетей нового поколения //Дел в ЦНТИ «Информсвязь» от 12,07 05 г

№ 2261 св 2005 - С 57-66

5 Гольцов А В Внедрение новых технологий телекоммуникаций на городских телефонных сетях связи II Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно технического состава Тез докл - М МТУСИ, 2006 - Книга 1 -С 169

6 Гольцов А В Системы интегрированного доступа городских сетей связи// Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно технического состава Тез докл — М МТУСИ, 2006 - Книга 1 -С 170

7 Гольцов А В., Попова А Г, Степанова И В Интегрированные системы предоставления телефонных услуг - Радио и связь, 2006 - 108с

8 Гольцов А. В Развитие интегрированного доступа к ресурсам транспортных телекоммуникационных сетей//Труды МТУСИ Сборник статей -М -2006 -С 15-24

9 Гольцов А В Разработка подходов к управлению потоками трафика с использованием ресурса межсетевых шлюзов // Международный форум информатизации (МФИ-2006) Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные систе-мы»-М -МТУСИ -2006 —С 114-115

10 Гольцов А В Развитие алгоритмов управления сетевыми ресурсами и маршрутизации на конвергентной сета связи общего пользования // Международный форум информатизации (МФИ-2006) Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» - М - МТУСИ - 2006 — С 116

11 Гольцов А В, Дедоборщ В Г Взаимозависимость темпов реконструкции сети и освоения технологий новых услуг //Электросвязь -2006 - №11 - С 20-22

12 Гольцов А В Интеграция ресурсов сетей связи на базе средств управления качеством обслуживания QoS и средств маршрутизации в цифровых системах коммутации каналов II Деп в ЦНТИ «Информсвязь» от 26 05 06 № 2280 св 2006 - С 14-23

13 Гольцов А В, Степанова И В Использование виртуальных сетевых структур для создания альтернативных обходных направлений II Деп в ЦНТИ «Информсвязь» от26 05 06 № 2280 св 2006 -С 53-61

14 Гольцов А В Метод расчета пропускной способности альтернативных направлений связи на базе интегрированных сетевых структур II Московская отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества» Тез докл -М МТУСИ, 2007 - С 5

15 Гольцов А В Реализация альтернативных направлений между системами коммутации каналов на базе сетевых структур пакетной коммутации// Московская отраслевая научно - техническая конференция «Технологии информационного общества» Тез докл - М МТУСИ, 2007 - С 6

16 Гольцов А В, Попова А Г, Дедоборщ В Г Влияние поступающего в сеть ОАО МГТС интегрального трафика на проектирование сети // Электросвязь - 2007 - №4 -С 45-47

Подписано в печать 19 Об 07 Формат 60x84/16 Объем 1,2 уел пл Тираж ЮОэкз Заказ 120 ООО «Инсвязьиздат» Москва, ул Авиамоторная, 8