автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование сетевых моделей IPTV

ГЕРГЕС МАНСОУР САЛАМА МАНСОУР

Исследование сетевых моделей 1РТУ

05.12.13- Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С НИЗ Ш2

Санкт-Петербург 2012

005009659

Работа выполнена в Санкт-Петербургском университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (СПбГУТ) на кафедре систем коммутации и распределения информации.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гольдштейн Борис Соломонович

Официальные оппонента: доктор технических наук, профессор

Комашинский Владимир Ильич

Кандидат технических наук, доцент Семенов Юрий Владимирович

Ведущая организация: Научно-Технический Центр «Севеягест»

у/ ^

Защита состоится « О9 » №. 2012г. в ,/Г часов на заседании диссертационного совета Д.219.004.02 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан <^JЗ_>■> /20 ¿/г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Харитонов В.Х.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. IP-телевидение (Internet Protocol Television, IPTV) —это предоставление услуг цифрового телевидения и других аудио -и видеоуслуг по широкополосным сетям передачи данных с использованием основных протоколов, поддерживающих информационно-телекоммуникационную сеть «Интернет». Через IPTV-сеть можно оказывать прямые и по требованию цифровые телевизионные и видеоуслуги путем передачи соответствующих программ на телевизионные приемники или видеотерминалы в стандартном формате, а также в формате с высоким разрешением.

Со времени принятия стандарта IEEE 802.16d/e глобальной совместимости доступа WiMax, применение сети широкополосного беспроводного доступа позволит расширить возможности оказания услуг IPTV с широким привлечением беспроводной мобильной связи. Обеспечение высокой скорости передачи данных на базе технологии WiMax (как мобильных, так и фиксированных пользователей) при просмотре телевизионных программ в режиме реального времени или при предоставлении услуги видео по требованию VoD (Video of Demand) делают весьма перспективным IP-телевидение на базе технологии WiMax. Кроме того, создание IPTV-сетей позволит пользователям не только подписаться, по их выбору, на любой канал, но и получить ряд новых услуг, таких, как услуга VoD, постановка на паузу передач прямого эфира и т.п.

Все это делает исследования, проводимые в диссертационной работе, актуальными.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является исследование сетевых аспектов IPTV, анализ численных характеристик IPTV-трафика и качества услуг через IPTV-сеть.

Сформулированная цель определила необходимость решения следующих научных задач.

1. Разработка математической модели организации очередей для сети IPTV и ее численный анализ.

2. Анализ использования многоадресной передачи для организации IPTV-услуг и расчет вероятности блокировки в сети IPTV.

3. Оценка влияния нарушения первоначальной очередности пакетов при многолучевом распространении сигнала в IPTV-сети.

4. Расчет заполнения буфера восстановления первоначальной очередности пакетов в разных ситуациях задержек этих пакетов.

5. Разработка схемы передачи услуги VoD через IPTV-сеть WiMax с гибридным механизмом передачи и алгоритма АНТ.

Методы исследования. Для решения этих задач используются методы теории телетрафика, вычислительной математики, имитационного моделирования.

Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в создании новых методов для исследования нового объекта в современных телекоммуникациях - IPTV-сетей. Новизна диссертационной работы заключается также в предложенной модели систем с приоритетными дисциплинами обработки услуг IPTV.

Личный вклад. Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы используются в СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при чтении лекций по курсу «Современные проблемы науки в области телекоммуникаций» и в Научно-техническом центре «Севентест» при разработке протокол-тестеров и средств сетевого мониторинга качества услуг IPTV. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на 63-й, 64-й и 65-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов СПбГУТ, на 62-й и 63-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ, на Международной конференции «FRUCT8, Lappeenranta, Finland 2010», на Международной конференции «FRUCT9, Petrozavodsk, Russia 2011», на Международной конференции «NEW2AN 2011, СПб, Russia 2011», а также на заседаниях кафедры Систем коммутации и распределения информации СПбГУТ в 2008,2009,2010 и 2011 годах.

Публикации. По материалам диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 12 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы, 3 приложения. Объем пояснительной записки - 142 страниц, иллюстраций - 48, список литературы - 68 названий.

Основные положения, выносимые на защиту:

• формализованная модель блокировки услуг в сетях IPTV;

• формулы для расчета вероятностно-временных характеристик обслуживания IPTV-трафика и факторы, влияющие на переупорядочение пакетов при таком обслуживании;

• математическая модель для исследования распределения вероятностей заполнения буфера переупорядочения в разных сетевых конфигурациях;

• новый алгоритм АНТ, обеспечивающий качественное предоставление мобильной IPTV-услуги через широкополосную беспроводную сеть доступа.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель и задачи.

В первой главе описаны характеристики IPTV-сетей, обоснована необходимость многоадресного доступа для IPTV-сервиса, описаны технология IPTV, оценки качества IPTV-услуг, различия между IPTV и Internet TV, беспроводные WiMax-технологии для IPTV и функциональная структура IPTV-сетей. Для предоставления IPTV-услуги сеть должна состоять из следующих компонентов: головной станции, телекоммуникационных сетей (опорной или периферийной сети, сети доступа, домашней сети) и абонентских устройств. Это весьма общее описание, так как для многих подсистем IPTV и разных поставщиков услуг требуется создавать уникальную, разной степени сложности архитектуру сети, но для цели и задач исследования данной диссертационной работы является достаточным. Также в главе рассмотрена технология IPTV, обобщены особенности разных способов создания сети, используемой для передачи IPTV-сигналов. Показано, что качество обслуживания (QoS) является очень важным требованием к онлайн-услуге, а для IPTV совсем непросто удовлетворять этому требованию. Так как технология WiMax обеспечивает относительно высокую скорость передачи данных и возможность обслуживания абонентов на больших расстояниях, в диссертации предложено использование этой технологии для IPTV. Доказано, что использование преимуществ этой технологии позволяет при сохранении высокого качества передачи как видео, так и аудиоданных, сделать рентабельными доставку IPTV-услуг и организовать управление ими.

Вторая глава. Исследуется возможность приложения теории телетрафика к IPTV-сетям и приводятся возможные математические модели для расчета вероятности блокировки. Дается анализ поведения очередей с учетом факторов, влияющих на их перераспределение при многоадресной передаче контента через WiMax. Этот анализ использует имитационные методы и аналитические методы расчета распределения вероятностей заполнения буфера. Отмечается, что IPTV - это услуга в режиме реального времени, к которой предъявляются очень строгие требования системой качества обслуживания QoS. В связи с этим в главе рассчитаны вероятности блокировки и другие характеристики IPTV-приложения для модели IPTV класса М/М/k/C и изучено несколько других моделей теории телетрафика для этих же целей. Предложены технологии аналитического и имитационного моделирования, которые позволяют вычислить распределение вероятностей заполнения буфера.

Исследована применимость технологии IPTV при одновременной многолучевой передаче (доступ СМР) и кратко обсужден выбор пути при СМР-передаче. В силу сложности механизмов СМР-передачи, анализ состоит из описания аналитического метода и событийного моделирования. Далее кратко описывается модель поведения предлагаемого механизма распределения данных при СМР-передаче в IPTV-сети. Начинается это

исследование с описания самого механизма распределения данных, а затем подробно описываются аналитическая и имитационная модели поведения пакетов СМР. На рис. 1 представлена эта модель механизма распределения данных СМР-передачи для ТУ. Поток данных делится на сегменты, каждый из которых, в свою очередь, делится на к еще более малых частей, к частей передаются с помощью группы путей, т.е. одновременно к разными альтернативными сетями. Маршрутизатор приема вновь объединяет эти пути. К сожалению, эти части могут прийти на принимающий маршрутизатор через разные временные интервалы из-за того, что задержки имеют стохастический характер. По этой причине части могут прийти в «неправильном порядке». Так как эти ¿-части будут передаваться через разные пути, это может быть незаметно. Последовательность ¿-частей в одном пути не должна быть нарушена, так как пакеты обычно не могут обгонять друг друга. Нарушение последовательности пакетов при многолучевой передаче может оказать серьезное влияние на потребительские свойства СМР.

буфер для повторного упорядочения

к путей

вновь собранный поток данных

Рис. 1 Модель механизма распределения данных, ^-количество пакетов в сегментах; т -количество сегментов; его- преобразование частоты дискрепизации; ¿й-место назначения

Для того чтобы нивелировать асинхронностъ прибытия пакетов, в принимающем маршрутизаторе предлагается создать ограниченный буфер для упорядочения пакетов. Однако когда буфер уже заполнен, а на принимающий маршрутизатор все еще приходят пакеты, то эти пакеты теряются. Потерю пакетов следует минимизировать, так как потеря пакетов негативно сказывается на качестве (ДО услуги 1РТУ. Таким образом, важно сделать переполнение буфера минимально возможным. Этого можно добиться, в частности, путем выбора путей с подходящими характеристиками задержки. Далее в работе определяются основные необходимые условия распределения задержек, позволяющие гарантировать, что пакеты прибывают к месту назначения в первоначальном порядке. Для дальнейшего изложения введем следующие обозначения: ^ - задержка пакета /, Д',- интервал времени между отправлениями пакетов /-1 и /, Г( - время передачи пакета /, Л, - время прибытия пакета / в пункт назначения, Дг, - интервал времени между прибытием пакетов 1-1 и /. Очевидно, что существует только два ограничения для того, чтобы произошла задержка пакета г: 1) с1, >0, задержка возможна только при положительном значении 4„ 2) г/, > -А',,

что означает, что /' не может обогнать пакет /-1 . Тем не менее, пакеты могут прибыть в пункт назначения одновременно. Поэтому & может быть представлена вероятностной функцией /С^-ц.Д»), которая удовлетворяет

условию: 0)

Чтобы быть уверенными, что задержка не отличается от нормы, нам потребуется строгое ограничение на /(с1(,.]), Д'Д В особом случае, если пакеты передаются с одинаковой скоростью, т.е. каждые к единиц времени, имеем постоянный интервал времени между прибытием смежных пакетов , и тогда (1) удовлетворяется. Для простоты допустим, что

задержка выражается неким целочисленным значением, кратным единице времени. Следовательно, _Д4-1> может быть любым целым числом, удовлетворяющим условию:

£:<* ®

Любая вероятностная функция, соответствующая / по (2), может быть представлена в виде цепи Маркова, как это показано на рис. 2, иллюстрирующем случай при * = т.е. пакеты отправляются каждую единицу времени. Здесь установлено, что / соответствует / единицам времени, стрелки соответствуют переходам между состояниями с соответствующими вероятностями. Эти вероятности перехода могут быть представлены в виде матрицы вероятностей перехода р, состоящей из элементов рц. При конечной максимальной задержке с1„ матрица вероятностей перехода будет иметь вид:

d, = /(<*,-,) г

рОО Р11 F*22 РЗЗ

Рис. 2 Представление задержки в виде однородной цепи Маркова при к= 1

Р 0,0 ?0,1 Р 0,2 Р 0 .0-1 Р 0 ,л

Pi .0 Р\, 1 Р 1.2 Pi. , п - 1 Pi ,н

Р к ,0 р к .1 Рк, г •• Р к ,я - 1 Р к ,п

0 Р к + 1.1 Р к + 1.2 " Р i + 1 ,я - 1 Р к + 1 ,

0 0 Р к + 1 .2 ' Р к + 2 .я - 1 Р к + 2 ,

Р.,1-1

Р я ,п

Матрица р состоит из четырех частей: На главной диагонали расположены вероятности текущего состояния задержки. Выше главной диагонали

расположены вероятности перехода, которые увеличивают длительность текущих состояний задержки. Ниже главной диагонали расположены вероятности перехода, которые иллюстрируют укорочение текущего состояния задержки. Максимальное укорочение состояния задержки зависит от интервала времени между прибытием пакетов /-1 и ь Поэтому не все состояния меньше текущего состояния. Это можно выразить равенством рц =0^»</'-£-1. При заданной задержке (1 мы должны решить задачи в контрольных точках: ¿=с1.р (3)

Так что результирующая матрица вероятностей перехода, а следовательно, и представленная цепь Маркова, является неприводимой и периодичной. Таким образом, доказано, что процесс задержек является рекуррентным. Матрица вероятностей переходов р может быть использована в нашей имитационной модели для того, чтобы доказать, что

1) задержка пакетов соответствует заданному распределению задержек <1 и

2) при передаче по одному пути очередность пакетов не нарушается. Но прежде чем использовать матрицу р, нужно решить уравнение (3). Алгоритм описывает задачу линейного программирования (ЛП) вычисления матрицы вероятностей перехода. Это можно выразить уравнением (4)._

Алгоритм: Определение матрицы переходов

Максимизирующий /{р)-Цри /-0 >0 (4)

При условии, что п = х№> (5)

1-0 Р= 0, / < } - к -1; 0 < ри <1, j-k<i< у, <Ри<сг> , = 1 0 < рК] <1, » > у (6) (7) (8) (9) (Ю)

Ограничения, накладываемые на переменные: уравнение (5) описывает п+1 уравнений контрольных точек, которые выведены из уравнения (3). Сумма элементов всех строк и столбцов в матрице р должна удовлетворять нормировочному условию, т.е. сумма всех вероятностей равна 1, что описывается уравнением (6). Уравнения (7) описывают вероятности переходов, расположенных ниже главной диагонали матрицы р.

Для того чтобы подтвердить, что значение следующей задержки не меньше значения текущей задержки минус интервал времени между отправлением пакетов М и г из источника, эти вероятности должны быть равны 0. Вероятности между главной диагональю и нулевыми значениями

определяют неравенство (8). Эти вероятности отражают медленное уменьшение задержек без необходимости переупорядочения пакетов. Вероятности на главной диагонали матрицы определяются неравенством (9), то есть задержки остаются постоянными. Увеличение задержек между отправлением двух пакетов иллюстрируется неравенством (10). Определена применимость TV при одновременной многолучевой передаче (СМР) и кратко обсужден вопрос выбора пути при СМР-передаче.

В третьей главе предлагается адаптивная гибридная схема (Adaptive Hybrid Transmission (АНТ)) предоставления мобильных EPTV-услуг по запросу через широкополосную беспроводную сеть доступа WiMax,802.16e. В предлагаемом алгоритме используется гибридный механизм, который объединяет многоканальную многоадресную и одноканальную схемы передачи, что позволит не только уменьшить вероятность блокировки канала, но и снизить общую нагрузку беспроводной системы, имеющей, как уже говорилось, очень ограниченные ресурсы. Системы услуг видео по запросу VoD могут быть подразделены на систему обеспечения услугой VoD (TVoD), которая основана на одноадресной передаче, и услугой, подобной услуге VoD (NVoD), которая основана на широкополосной (т.е. многоадресной) передаче. Это означает, что в TVoD-системе каждому клиенту выделяется отдельный канал, что позволяет получать запрошенное видео без задержки, как если бы фильм уже находился в видеомагнитофоне клиента. АНТ-схема объединяет TVoD-схему передачи, основанную на одноадресной передаче, и NVoD-схему, основанную на многоадресной передаче. Благодаря адаптивной схеме распределения ресурсов, которая приводит к самой низкой вероятности блокировки сервиса, АНТ-схема более фокусируется на определении, какой контент будет передаваться через NVoD-схему в пределах ограниченного ресурса в зоне мобильной станции WiMax. Предложенный сценарий услуги видео по запросу для IPTV показан на рис. 3.

Рис. 3 Предлагаемая процедура обслуживания для IPTV VoD-сервиса

Сценарий услуги видео по запросу для IPTV состоит в следующем.

1)Контент видео с его метаданными и данными защиты, которые созданы и контролируются провайдером контента, передаются поставщику услуг.

2)Согласно соглашению, поставщик услуг готовит контент для провайдера контента.

3)После выбора видео конечным пользователем к поставщику услуг отправляются запрос (ы) и уведомление, что требуемое содержание отправляется (или нет) в многоадресном режиме. Если там уже существуют многоадресный поток для виртуального интерфейса (PJ), сервер сообщает потребителю групповой адрес многоадресного видеопотока, после чего потребитель может присоединиться к многоадресному потоку передачи.

4)Если же многоадресный поток видео передачи еще не создан, поставщик услуг взаимодействует с сетью и с помощью функции управления интенсивностью обновления вновь поступающего видеопотока определяет, является ли этот контент часто запрашиваемым. Если видео не является часто запрашиваемым, оно передается в одноадресном режиме. Если же это часто запрашиваемый контент, контроллер множества базовых станций запускает алгоритм многоканальной передачи контента, а затем, при необходимости, определяет условия отправления контента конечному пользователю.

5)После завершения шага 4, поставщик услуг предоставляет информацию доступа к контенту (например, многоканальный адрес передачи контента), а затем конечный пользователь может получить видео.

Полная архитектура мобильной IPTV VoD-сети с множеством базовых

станций представлена на рис. 4. WiMax-стандарт определяет два типа MBS-

доступа: через одну BS и через группу станций. Груша BS создает зону

MBS в WiMAX-сети.

Рис.4 Архитектура сети для мобильных станций с использованием базовых станций

Зона 1 множество базовых станций

Зона 2 множество базовых станций

Базовая станция может синхронно передавать многоадресные данные с идентификатором соединения (СШ) и ведомством защиты (SA) при передаче данных в той же самой MBS-зоне. Заметим, что когда все станции BS находятся в одной зоне MBS, то у них для одного многоадресного MBS-потока один и тот же многоадресный идентификатор СШ (МСШ). Чтобы эффективно управлять мобильными VoD-услугами, добавлено одно дополнительное функциональное устройство, а именно, MBS-контроллер, а предложенная АНТ-схема используется здесь для соответствующего контроля системы. Функции каждого объекта в предложенной архитектуре подробно описаны следующим образом: Диспетчер МВБ создает и сохраняет информацию о сеансе связи. Он также передает пакеты от разделённого контента (content chopper). Для того чтобы организовать доставку многоадресного VoD-контента через одноадресный канал и при этом не нарушить нормативы времени задержки запуска, контент следует разделить. Предположим, что есть i,h кинофильм дайною L,. При многоканальной многоадресной передаче число каналов «,, необходимых для передачи ¡л видео размером Li, соответствует требованию к времени задержки запуска VoD sd< 10 с для следующего уравнения:

Log2^+ij где I,-длина видео (11)

Это уравнение адаптировано для расчета минимальной задержки запуска. Первоначально оно использовалось при скоростном вещании. После расчета числа каналов разделитель поделит данный контент ровно на Nсегментов:

n = 2' = 2"' -1 , где rij - номер канала (12)

¡. о

Это можно увидеть на Рис. 5, где даны несколько примеров числа сеансов, нужных для многоканальной мультиадресной передачи. Для анализа предложенного механизма рассматриваем группу го К видео Vx,...,Vk, каждое длиной L со скоростью прибытия Я,,...,Лк, соответственно, которые передаются через С каналов. Кроме того, принимаем, что при 1 < i < j < К, т.е. популярность этих видео увеличивается с индексом так, что Fj - наименее, a Vt - наиболее популярное видео.

Уровень популярности контента (частоты запроса), вычисленный и присвоенный поставщиком услуг, определяется на основе статистических данных и стратегии обслуживания провайдера. При проведении численного анализа предполагалось, что запросы разных видео поступают в соответствии с 7ф_/:распределением. Основываясь на этом допущении и модели запроса видео, вычисляем по формуле Эрланга вероятность потерь данных при их передаче, установив модель М/М/С/С.

S = {jc|0 < х < С} (13)

Разделенные

контенты СЮ

»-»- (8С/<10 секунды)

Л_I

'длина ¡-ог контента (= и>

У' I )_I_I_I У I

|Т."1 ..1 -I -I ./«I -I "I »1 «I ч -I -I Ч^ПТ"

*21 "1 у-Г"! 321

»[ аа Ь аз] «г) »»| »2

ЕН

'I "I

•в «' Л»

I ■ . ч?

одноадресный поток

одноадресный поток

время

Рис. 5 Распределение контента для многоканальной многоадресной передачи

На рис. 6 представлена диаграмма состояний передачи для предлагаемой схемы. Представим эту формулу для установившегося значения вероятности блокировки. Пусть Рх- вероятность того, что существует одноадресный поток, который можно получить по формуле 14.

£ \

24

2 >ч

*=0

К-т 2 г=0

2 я,

2 ^

К-м 2 ^

Ж5СЗОСЗЭ

ЗРиМ (с-т-О^ии/ (с-т)^«„1 <с-т+1)Ц«„|

Рис. 6 Диаграмма переходов для предложенного алгоритма

С- пропускная способность системы, - скорость запроса контента I, т - общее количество многоадресного контента, М - общее число каналов, зарезервированных дм многоканальной системы передачи, Ц - длина 1-го контента, N - объем памяти сервера, необходимый для

одновременного выполнения нескольких сеансов передачи данных, щ - скорость обслуживания потока /(= скорости обслуживания контента £, без возникновения блокировки), Ним - средняя скорость обслуживания одноадресного потока, рип1 - вероятность обслуживания одноадресного видео V,, /л -индекс обслуживания видео нормального размера в одноадресном потоке, К - общее количество контента, х - среднее число соединений.

Р. =

1 ^ К-т

г.

К-т Л

Л;

х\

Ра

к

К-т Л" ( Л.

м„.

Ек

¡-Д.

М..„:

ч с-х

х\

для 0<х<с-т,

для с - т < х < с,

для

С < X.

Так как статистическая вероятность не зависит от распределения времени обслуживания, а зависит от среднего значения этого распределения, рассчитаем среднюю интенсивность обслуживания по формуле (15):

К — тп

л,- 1

м„

где Ри

¡=1

11 V-, К ' м' > Щ

к

(15)

Для получения уравнения нормализации, применим формулу:

1-1

Р о =

^ с

£ <2

•*/) I МиШ

1=0

1

Л

(16)

Наконец, для расчета вероятности блокировки применим следующую формулу:

_ Р*

ЫоеЬпщ

(.-»Я'2-^ Где^м ^Ж:^) 07)

Так как УоБ-система делит контент на две подгруппы - популярное и непопулярное видео, первой из перечисленных подгрупп присваивается М каналов дня многоканальной многоадресной передачи, а последней отдаются остающиеся С-М каналов для одноадресной передачи. Формула (18) позволяет вычислить минимальную вероятность блокировки мобильной беспроводной системы и оптимальное распределение ресурсов передачи. Применение этой формулы является попыткой определить оптимальное число каналов, необходимых для передачи видео с рассчитанным выше показателем прибытия при минимизации полосы пропускания.

РшЬ(С,М) =

ш О йМ<С

(Р'-»'/(С-/Я)!)/(1/2;;0м^г)

(18)

Затем принимаем допущение, что при обслуживании 1РТУ УоБ-запроса базовой станции без возникновения блокировки, поставщик услуг получает доход Я за оказанные услуги. При блокировке запроса допускаем, что поставщик услуг немедленно теряет доход в размере Ь. Под распределением ресурсов понимается, например, если в единицу времени система оказывает услуги в среднем N клиентам и отклоняет запросы М клиентов, тогда доход системы составляет:

Наконец, определяем полный дохо^ системы подформуле: ^

Доход

¿-I /=1

/! с\

(19) (20)

Четвертая глава. Представлена и описана модель функционирования схемы передачи, а также произведены оценка и анализ показателей, полученных путем моделирования. В этой главе обсуждаются результаты анализа работы IPTV-системы. Работа системы анализировалась на основании моделирования с использованием программы Matlab. Основной целью этой главы является исследование работы IPTV с точки зрения вероятности блокировки IPTV. Представлены соотношения между блокировкой, производительностью и двумя основными транспортными параметрами (интервалом между моментами прибытия запросов /-1 и / и временем обслуживания). Основная задача этого исследования -определение вероятности блокировки в разных пунктах и на разных уровнях IPTV-сети. Разумеется, число таких пунктов и уровней ограничено.

Исследуем занятость буфера повторного упорядочения пакетов при разном распределении задержек на трассе. Дальнейшие результаты имеют аналитический характер, так как они получены с помощью абстрактных моделей. Однако они позволяют более глубоко проникнуть в суть рассматриваемого практического вопроса (как выбрать наиболее подходящие тракта передачи). Сначала исследуем поведение системы при аналогичных распределениях задержек на трассе с равными средними значениями и с равными стандартными отклонениями. После этого изучим различные распределения задержек на трассе, то есть распределения задержек с равными средними значениями задержки, но с разными стандартными отклонениями. В последнем разделе исследуем влияние различных параметров задержки на трассе для одного типа распределения и покажем результаты при одновременной передаче по двум и по трем параллельным путям.

Теперь исследуем поведение буфера повторного упорядочения при разных типах распределения задержки. По этой причине для путей рассматриваются три различных распределения задержки: усеченное Гауссово (обозначается gaus), равномерное (uní) и бимодальное распределение (bi). Проводим исследование одновременной передачи по двум путям. Занятость буфера с различными комбинациями распределений задержки изображена на рис. 7; на оси Y располагаются значения вероятности того, что пакеты будут сохранены в буфере повторного упорядочения, характеристики наполняемости которого будут представлены на оси X. Для простоты построен график только Ы, где bi -распределение занятости буфера. Уклон и большая занятость буфера не очень вероятны. Однако для двух бимодальных распределений задержки большая доля масс вероятности заполняет буфер более чем 30 пакетами. Нужно отметить, что максимальное количество пакетов в буфере в исследуемом сценарии = 50В этой работе исследуются критерии выбора пути. Понятно, что алгоритм выбора должен выбрать те пути, которые обеспечивают самую

короткую задержку. Как правило, это важно, когда заявка на трафик исходит от интерактивного приложения в реальном времени с ограничениями времени обслуживания, например передача LPTV-трафика или VoIP. Считаем, что усеченные распределения задержки подобны распределению Гаусса. Исследуем поведение системы при прохождении пакетов по трем путям.

о i о« £ с S® ом

г I

"-V-.

т^ЗЗР""*»»!:"^..........................

Ч

К : Ч Ч"-.<-:. ХЛ

' -...............IV™?.....

_i_~r—"

Занятность буфера повторного упорядочения (количество пакетов в буфере)

Рис. 7 Занятость буфера повторного упорядочения в случае различных распределений задержки О-ёаия^аия, 2-иш,иш, З-ип^аив, 4-Ы,наи5, 5-Ы,Ы, 6-Ы,ши)

\U

¡= В ¡1

и- i

~ткр...... •4........... 8 и&ы 1.......i/Au

у

у Г - у у I /у \ \УС\ \

Занятность буфера повторного упорядочения (количество пакетов в буфере)

Рис. 8 Занятость буфера при прохождении пакетов данных одновременно по трем путям (1- случаи (а), 2- случаи (Ь), 3-случаи (с), 4- случаи (<!), 5-случаи (е))

Результаты этого исследования представлены на рис. 8 в виде функции распределения вероятностей для пяти сценариев: а) все пути имеют одинаковые параметры ц = 50, а = 10; Ь) все пути имеют одинаковые параметры: р. = 25, ст = 10; с), два пути имеют параметры: ц = 50, о = 10, а один путь имеет параметры ц. = 25, а = 10; ф два пути имеют параметры: ц = 25, с =10, а один путь имеет параметры ц = 50, о = 10 и е) два пути имеют параметры ц = 25, а = 5, а один путь имеет параметры ц = 50, о = 10. На рис. 8 видно, что в случаях а) и Ь) наблюдается похожее распределение занятости буфера. Из этого следует, что задержка сама по себе не оказывает влияния на занятость буфера, что уже было продемонстрировано для соответствующей занятости буфера по двум путям. Для случаев с) и (1) примечательно то, что в случае с1), с точки зрения занятости буфера, имеет место почти в два раза большее время задержки, чем в случае с). Интуитивно может показаться, что чем больше путей с небольшой задержкой по времени, тем выше будет качество передачи данных, но как можно увидеть на примере случая (1), это неверно. Рассмотрим этот случай подробнее. Допустим наличие одиночного пакета с действительно большим временем задержки. К тому времени, когда этот запоздавший пакет придет, буфер повторного упорядочения может быть заполнен пакетами из путей с малым временем задержки. Этот пример показывает, что путь с большой задержкой пакетов является доминирующим среди прочих путей, ибо оказывает наибольшее влияние на занятость буфера. Выбор путей должен выровнять изменение диапазона средних задержек. Недавно полученные

данные для систем передачи речи через 1Р показывают, что в этом случае пользователь не замечает, проводится ли передача по пути с высоким или низким уровнем задержки. Так что и при трансляции телевидения, возможно, было бы разумнее выбрать путь с более высокой средней задержкой, чтобы разгрузить буфер повторного упорядочения и избежать потери пакетов. Наконец, для случаев <1) и е) можно видеть, что в случае е), с точки зрения занятости буфера, система работает хуже, чем в случае <1). Здесь стандартное отклонение на более коротких путях меньше, чем в (1), и таким образом, большие и малые задержки маловероятны.

Услуга передачи видео по запросу (УоБ) на базе 1Р-сети превращается в передачу все более и более растущего специализированного одноадресного потока. Если УоЭ сервер обладает достаточной пропускной способностью или интенсивность входного потока запросов обслуживания умеренно низкая, то для сервера эта одноадресная передача является простой и не доставляет проблем. Однако в реальности количество запросов разных видео чрезвычайно неравномерно, и поэтому во время популярных мероприятий или при возникновении событий, вызывающих особый общественный резонанс, часто возникает концентрация запросов одного и того же контента и даже "взрыв" запросов. Такие ситуации становятся критическими для серверов одноадресной передачи, потому что возможности сервера ограничены его конструкцией, и это приводит к высокой вероятности блокировки сервиса. Передача часто запрашиваемого видео посредством мультисессии мультибросков, а менее популярного видео посредством одноканальной передачи, приводит к уменьшению вероятности блокировки сервиса. Предоставление 1РТУ-услуги и, особенно, видео по запросу (УоЭ) (известные спортивные игры, популярные фильмы), в ближайшем будущем будет ведущей технологией. Многоадресная передача будет осуществляться для мобильного ГРТУ по \У1Мах-сетям беспроводного доступа в соответствии с 0>о8. Преимущества широкополосного доступа в сеть Интернет и масштабируемых видеотехнологий позволили Интернет-телевидению протокола 1Р стать приложением, составляющим серьезную конкуренцию современным провайдерам городских сетей. Предлагаем гибридную схему сети широкополосного доступа для мобильных 1РТУ-услуг по запросу. Предложенный алгоритм использует гибридный механизм, который комбинирует многоканальную многоадресную и одноканальную схемы и уменьшает не только вероятность блокировки сервиса, но и полное потребление полосы пропускания сетей 1РТУ. Чтобы оценить 1РТУ-УоО, сравниваем предложенный алгоритм с традиционной одноадресной и многоадресной схемами передачи. Основываясь на вычислении оптимального количества передаваемого в мультиадресном режиме видео, на рис. 9 представлено сравнение количества сеансов передачи популярного видео в мультиадресном режиме с передачей видео, где норма

прибытия запроса Л = 6/мин., а длина видео 50 минут. При всех равных условиях, для обслуживания очень популярного видео с помощью многоканальной системы передачи требуется намного меньше сеансов, и это позволяет улучшить эффективность всей системы с точки зрения уменьшения вероятности блокировки VoD-запроса. Для оценки выполнения алгоритма параметрам присвоены следующие значения. Сервер MBS может обслуживать 300 параллельных каналов, и 100 запросов, средняя длина которых 90 минут (5400 секунд). Показатель прибытия запросов Я изменяется от 5/60 до 20/60 и рассчитывается для Zipf-распределения. Чтобы найти лучшее распределение, которое минимизирует вероятность блокировки обслуживания, применён наш адаптивный метод распределения ресурсов. На рис. 10 представлена вероятность блокировки при разных показателях запроса (request rates) и при передаче контента в количестве, изменяющемся от 1 до 25, как и в ранее рассмотренной модели. Анализ результатов показывает, что лучшая передача видео по многоадресным каналам за несколько сеансов характерна для 8 особо популярных видео. Этот результат определяет, сколько контента нужно доставить для оптимальной работы канала передачи. Основываясь на предыдущем распределении контента, сравниваем возможность возникновения блокировки сервиса при старом и

предложенном нами механизме передачи контента.

8 ю ч

о

23456789

Заказанное многоадресное видео л Рис. 9. Сравнение числа сеансов, необходимых для часто запрашиваемого видео непредсказуемой длины (1 -одноадресный, 2 - многоадресный)

Количество многоадресного контента дг Рис.10. Распределение контента по нескольким многоадресным каналам (1- средняя скорость запроса 12/60, 2-10/60,3-8/60)

Как можно видеть на рис.11, вероятность блокировки сервиса УоГ) растет с увеличением абсолютной скорости запросов сервиса. Установлено, что при скорости запросов сервиса Х=3/мин, клиенты не замечают задержки в поступлении видео. Однако с увеличением скорости запросов вероятности блокировки становятся различными. В этом случае предложенный нами алгоритм может обеспечить низкую вероятность блокировки. Теперь оценим выгодность каждой схемы с точки зрения поставщика ГРТУ-услуг.

Рис.12 показывает результаты, полученные с помощью модели расчета вознаграждения/штрафа поставщика услуг. Предполагалось, что при успешной работе базовой станции за передачу одного VoD IPTV без блокировки, система получает вознаграждение в размере R (= 10$). В противном случае, если запрос пользователя отклоняется, предполагалось, что поставщик услуг сразу же теряет L (= 5$).

-„хЮ

о о

к й

га ю

8 5га':

.......»»■•<"........................

.л*

:........Ч"*"

Скорость запроса сервиса (запрос/ед. времени) Рис. 11 Вероятность блокировки Уой-сервиса (1- предлагаемый алгоритм, 2 -одноадресный, 3-многоадресный)

"5 8 11 14 17

Скорость запроса сервиса (запрос/ед. времени)

Рис. 12 Доход ШТУ-провайдера сервиса (1-предлагаемый алгоритм, 2-только одноадресный, 3- только многоадресный)

Этот график показывает, что поскольку трафик растет, доход, полученный при использовании каждого из этих алгоритмов, немного уменьшается из-за вероятности блокировки услуги. Как уже говорилось ранее, если контент пользуется большим спросом (например, популярная спортивная игра или фильмы), то предложенный нами алгоритм может обеспечить более высокий доход.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведённые в диссертационной работе, позволили получить следящие основные результаты.

1. Подробно описаны IPTV-сети и проблемы, возникающие в результате блокировки пакетов данных из-за особенностей архитектуры IPTV.

2. Определены проблемы применения технологии IPTV при одновременной многолучевой передаче (доступе СМР) и обсуждены вопросы выбора пути при СМР-передаче.

3. Разработаны варианты распределения вероятности заполнения буфера повторного упорядочения задержек в разных путях.

4. Исследовано поведение буфера повторного упорядочения пакетов данных при разных типах распределения задержки, - усеченном Гауссовом, равномерном и бимодальном распределениях, - с целью оценки поведения системы в разных условиях обслуживания.

5. Разработан АНТ-алгоритм, с помощью которого можно эффективно оказывать мобильную IPTV-услугу через широкополосную сеть беспроводного доступа.

6. Предложена АНТ-модель механизмов передачи, комбинирующая многоканальную многоадресную передачу и одноадресную схему для того, чтобы не только уменьшить вероятность блокировки услуг, но и снизить общее потребление полосы пропускания беспроводной системы.

7. Предложена модель определения размера прибыли/штрафа поставщика IPTV-услуг.

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ

1 МС Гергес, Варианты применения теории массового обслуживания в сетях IPTV, 62-я НТК: Тез. Докл. СПбГУТ. СПБ, 2010г. С. 36-37.

2 В S Goldstein, M.S. Gerges, Performance evaluation of packet-reordering on concurrent multipath transmission for IPTV, 8th FRUCT Conference, Lappeenranta,

Finland 9-12, November 2010.

3. M.C. Гергес, Оценка производительности алгоритма поддержки

очередности пакетов в сети IPTV, Проблемы информатики. 2011г. № 1. С. 27-32.

4. А. А. Бородинский, А.Б. Гольдштейн, М.С. Гергес, Особенности построения системы эксплуатационного управления услугами IPTV, 63-я НТК: Тез.

Докл. СПбГУТ. СПБ, 2011г, С. 199-200.

5 М С Гергес, Оценка производительности алгоритма поддержки очередности пакетов в сети IPTV, 63-я НТК: Тез. Докл. СПбГУТ. СПБ, 2011г, С. 211-215.

6 М С. Гергес, Улучшение схемы передачи IPTV-VoD в широкополосных сетях, 63-я НТК: Тез. Докл. СПбГУТ. СПБ, Февраль 2011г, С. 186-187.

7. M.S. Gerges, Improving IPTV on-demand Transmission Scheme for Broadband Network, 9th FRUCT Conference, Petrozavodsk, Russia, 2011.

8. Б.С. Гольдштейн, М.С. Гергес, Об одном подходе к организации 1P1V-услуги «Видео по запросу» с применением гибридного механизма, Техника Связи №1,2011, С. 16-21.

9. М.С. Гергес, Улучшение качества передачи IPTV-услуги видео по запросу через широкополосную сеть доступа, Проблемы информатики. 2011г. №3. С. 79-88.

10 B.S. Goldstein, M.S. Gerges, Improving IPTV on-demand Transmission Scheme over WiMax, NEW2AN conf., St. Petersburg, Russia, August 2011, S.Balandin et al (Eds.): NEW2AN/ruSMART, IEEE, 2011, LNCS 6869, pp. 541-549.

11. M.C. Гергес, Оценка показателей выполнения повторного упорядочивания пакетов в сети IPTV, Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. № 4,2011, С. 37-41.

12. М.С. Гергес, Схема передачи данных услуги Интернет-телевидения "Видео по запросу" с применением гибридного механизма, Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. № 1,2012.

Подписано к печати 24.11.2011. Тираж 80 экз. Объем 1 печ. л. Заказ №34 Тип. СПбГУТ, 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

61 12-5/1815

Ж

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ I IГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ * Ц|1> ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»_

на правах рукописи

ГЕРГЕС МАНСОУР САЛАМА МАНСОУР

Исследование сетевых моделей 1РТУ

Специальность 05Л2ЛЗ - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

Б.С. Гольдштейн

Санкт-Петербург 2012

Содержание

Список сокращений...............................................................................4

Список обозначений..............................................................................8

Введение..............................................................................................Ю

1. Оценка мультимедийных услуг и исследование сетей 1РТУ..................14

1.1 Общая оценка мультимедийных услуг ..............................................................14

1.2 Архитектура 1РТУ-сети .....................................................................................25

1.3 Функциональная структура 1РТУ сетей.............................................................38

1.4 Выводы .................................................................................................................47

2. Исследование вопросов применения теории телетрафика к сетям 1РТУ...48

2.1 Распределительная сеть 1РТУ...........................................................48

2.2 Возможные математические модели вероятности блокировки пакетов........54

2.3 Качество оценка производительности упорядочивания пакетов при одновременном многолучевом распространении данных в 1РТУ-сети.... 61

2.4 Аналитическая модель сети 1РТУ ......................................................................73

2.5 Выводы ..................................................................................................................82

3. Усовершенствование схемы передачи 1РТУ-УоБ в широкополосных сетях связи.............................................................................................83

3.1 Сети 1РТУ прова...........................................................................83

3.2 Категории видео-услуг .......................................................................................85

3.3 Д¥1Мах применение и проблемы для 1РТУ........................................................91

3.4 Адаптивный гибридный механизм передачи..................... ...............................96

2

3.5 Сценарии обслуживания IPTV-видео по запросу.......................................101

3.6 Предложенный алгоритм (АНТ)........................................................................104

3.7 Модель реализации АНТ.................................................................................109

3.8 Модель системы АНТ и численный анализ ...................................................111

3.9 Выводы ................................................................................................................115

4. Натурный эксперимент в сети IPTV ................................................................116

4.1 Вместимость буфера повторного упорядочивания пакетов для различных задержек на трассе......................................................................117

4.2 Улучшение качества передачи IPTV требует использование сети с широкополосной схемой передачи...................................................124

4.3 Выводы.....................................................................................129

Заключение......................................................................................130

Список литературы..............................................................................131

Приложение А...................................................................................137

Приложение Б...................................................................................139

Приложение В...................................................................................141

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

A/V Audio/Video

AAA Authorization and

Accounting

AAS Adaptive Antenna System

ADSL Asymmetrical DSL

ADU Application Data Unit

АНТ Adaptive Hybrid

Transmission

ARQ Automatic Repeat Request

ASN Access Service Network

ATM Asynchronous Transfer

Mode

BCQ Blocked Call Queueing

BER Bit Error Rate

BPSK binary phase-shift keying

BSF Broadband Services Forum

BSs Base Stations

BTC block turbo coding

CAP Carrier-less Amplitude and

Phase

CAPEX Capital Expenditures

CID connection identifier

CMP Concurrent Multi-Path

CO Central Office

C-OFDM Coded Orthogonal

Frequency Division

Multiplexing

CPS Common Part Sub-layer

CS Convergence Sub-layer

CTC Convolution Turbo Coding

DAC Digital-to-Analog

Converter

DL Down Link

DMT Discrete Multi Tone coding

Аудио и видео Авторизация и учёт

Адаптивная антенная система Асимметричная цифровая абонентская линия

Блок прикладных данных Адаптивный гибридный механизм передачи

Автоматический повторный запрос Сеть доступа к услугам Асинхронный способ передачи данных

Создание очереди блокированных вызовов

Скорость поврежденных битов Двухпозиционная или двоичная фазовая модуляция

Форум широкополосных услуг Базовые станции Блочное турбокодирование Фазовая модуляция с подавлением несущей и фазы Капитальные затраты Идентификатор соединения Параллельный множественный доступ Центральный офис

Кодированное ортогональное частотное мультиплексирование

Подуровень общей части Подуровень конвергенции Сверточное турбокодирование Аналоге- цифровой конвертор

Нисходящий канал

Дискретное многотональное кодирование 4

DSL Digital subscriber line

DST Destination

DSLM DSL modem

ЕАР Extensible Authentification

Protocol

EVM Error Vector Magnitude

FB Fast Broadcasting

FCH Frame Control Head

FDD Frequency Division Duplex

FIFO First In First Out

HARQ Hybrid Automatic Repeat

Request

HDTV High Definition TV

IE Information Element

IF Intermediate-Frequency

IGMP IP Group Membership

Protocol

IMS IP Multimedia Subsystem

IP Internet Protocol

IPTV Internet Protocol Television

ISP Internet Service Provider

ITU International

Telecommunications Union

LBS Location-Based Service

MAC WiMax medium access

control

MAN Metropolitan Area Network

MBSs Multicast and Broadcast

Services

MIMO Multiple Input Multiple

Output

MPEG Moving Expert Group

MS Mobile Station

MSD Multi-Source Download

NF Noise Figure

NY Network Virtualization

Цифровая абонентская линия

Место назначения

Модем

Протокол расширенной аутентификации

Величина вектора ошибки Скоростное вещание Заголовок управления кадром Дуплексная связь с частотным разделением

Первым поступил - первым обслужен Гибридный автоматический повторный запрос

Телевидение высокой четкости Информационный элемент Промежуточная частота Протокол управления элементами групп 1Р

Мультимедийная подсистема на базе

протокола1Р.

Интернет-протокол

1Р-телевидение

Интернет-провайдер

Международный союз

телекоммуникаций

Услуга на базе местных средств

Управление доступом в среде \ViMax

Общегородская сеть

Групповые и широковещательные услуги

Коллективный вход - коллективный выход

Экспертная группа по вопросам движущегося изображения Подвижная станция (МБ)

Мульти-исходная загрузка

Шум-фактор

Виртуализация сети

NVoD Near Video-on-Demand NWG Nework Workig Group OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OOD Out-of-order

OSI Open Systems

Interconnection P2P Peer-to-peer

PAPR Peak to Average Power Ratio

PCR Program Clock Reference

PDV Packet Delay Variation

PHY Physical layer PLR Packet Loss Ratio

PMF Probability Mass Functions

PON Passive Optical Network PSTN Public Switched Telephone

Network, PSTN QAM Quadrature Amplitude

Modulation QoE Quality of Experience

QoS Quality-of-Service

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying RF Radio Frequency

ROHC Robust Header

Compression RTG Receive Transition Gaps RTP Real Time transport

Protocol SA security association

SAW Surface Acoustic Wave SDTV Standard Definition TV SDV Switched Digital Video SFDR Spurious Free Dynamic Range

SFID Service Flow ID

SFN Single Frequency Network

Почти настоящее видео по запросу Группа сетевых работ Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением Причины и последствия нарушения порядка пакетов

Взаимодействие открытых систем

Однораговый к одноранговому Отношение пиковой мощности к средней

Программный часовой указатель Вариация задержки пакетов Физический уровень Коэффициент потерянных пакетов Вероятностные функции всего или значительной части множества реализаций случайной величины Технология пассивных оптических сетей Коммутируемая телефонная сеть общего пользования, ТФОП Квадратурная амплитудная модуляция

Радиочастота

Помехоустойчивое сжатие заголовков

Приемо-переходные интервалы Протокол транспортировки данных в реальном времени Ассоциация защиты информации Поверхностная акустическая волна Телевидение стандартной четкости Коммутируемое цифровое видео Динамический диапазон, свободный от незаконных Бездействий на сигнал Идентификация обслуживающего потока Одночастотная сеть

Метод экспертных оценок Качество обслуживания Квадратурная фазовая манипуляция

SISO Single-Input Single-Output

SLA Service Level Agreements

SNR Signal to Noise Ratio

SORA Shared overlay routing

architecture

SRC Sample rate conversion

SS Security Sub layer

SS Subscriber Station

STB Set-Top Box

TCP Transmission Control

Protocol

TDD Time Division Duplex

TDM Time-division multiplexing

TTG Transmit Transition Gaps

TV Television

TV Transport Virtualization

TVoD True Video-on-Demand

TWG Technical Working Group

UDP User Datagram Protocol

UL Up Link

UMB Ultra Mobile Broadband

VCO voltage-controlled

oscillator

VCR Video Cassette Recording

VDSL Very-high-speed DSL

VoD Video on-Demand

VoIP Voice Over IP

WiMax Worldwide Interoperability

for Microwave Access

Система с единственным входом/единственным выходом Соглашения об уровне обслуживания Отношение сигнал/шум Архитектура маршрутизации с с общими альтернативными путями Преобразование частоты дискретизации Подуровень защиты информации Пользовательские станции Коробка Set-Top Протокол управления передачей

Дуплексный канал с временным разделением

Временное мультиплексирование Переходно- транзитные интервалы Телевидение

Транспорт виртуализации Физическое видео по запросу Техническая рабочая группа Протокол передачи пользовательских дейтаграмм

Линия связи для сигналов от терминала Земли на спутник

Сверхмобильная широкополосная сеть Управляемый напряжением осциллятор

Запись на видеокассету Высокоскоростная DSL Видео по запросу Передача речи поверх IP Технология WiMax

Список обозначений

Глава 1

С0 пропускная способность одного телевизионного канала

к доступных телевизионных каналов

а; популярность канала /

т способен обслужить максимальное число каналов

В( г) вероятность блокировки для канала /

Вргос принимая распределение Пуассона для прибывающих и отправляемых запросов

^ эбьам скорость запроса пользователем ТУ-услуг

Цэзьам скорость отключения пользователя от ТУ

Р(г) вероятность того, что канал / «подключен»

Х[ скорость прибытия пользовательского запроса на канал /

ц.1 число пользователей, покинувших канал / в течение секунды

Глава 2

Л скорость прибытия заявок одного потребителя

С число слотов для пользователей

М источников входящего потока

N серверов; процессы потока Пуассона

2 о ь несколько единичных интервалов времени

А>. время, прошедшее между отправлением пакетов х и у

1к время задержки в пути к

б/ задержка пакета/

А' интервал времени между отправлениями пакетов / -1 и /

Т время передачи пакета /

Я время прибытия пакета / в пункт назначения

А(г интервал времени между прибытиями пакетов / -1 и I

Р матрицы вероятностей перехода

с1п максимальной задержке матрица вероятностей перехода

С, вектор нижних границ значений на главной диагонали Р

С, вектор верхних значений переменных на главной диагонали Р

Глава 3

Ь1 длина /-го контента

п: многоканальной многоадресной передаче число каналов

задержкой запуска Рх статическая вероятность, что существует одноадресный поток

С пропускная способность системы

Я скорость запроса контента г

т общее количество многоадресного контента

М общее число каналов, зарезервированных для многоканальной системы

передачи

N объем памяти сервера, необходимый для одновременного выполнения

нескольких сеансов передачи данных ц средняя скорость обслуживания одноадресного потока

¡лит средняя скорость обслуживания одноадресного потока

Рит вероятность возможности обслуживания одноадресного видео К/

/л индекс обслуживания видео нормального размера в одноадресном потоке

К общее количество контента

х среднее число соединений

Я поставщик услуг получает доход за оказанные услуги

Ь при блокировке запроса, допускаем, что поставщик услуг немедленно теряет доход в размере

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования и состояние предмета исследования

«Мы называем это IPTV. И, без сомнения, - это то, куда идет мир».

Председатель совета директоров компании Microsoft

Билл Гейтс.

IP-телевидение (Internet Protocol Television, IPTV) —это предоставление услуг цифрового телевидения и других аудио - и видеоуслуг по широкополосным сетям передачи данных с использованием основных протоколов, поддерживающих информационно-телекоммуникационную сеть «Интернет». Через IPTV-сеть можно оказывать прямые и по требованию цифровые телевизионные и видеоуслуги путем передачи соответствующих программ на телевизионные приемники или видеотерминалы в стандартном формате, а также в формате с высоким разрешением.

Со времени принятия стандарта IEEE 802.16d/e глобальной совместимости доступа WiMax, применение сети широкополосного беспроводного доступа позволит расширить возможности оказания услуг IPTV с широким привлечением беспроводной мобильной связи. Обеспечение высокой скорости передачи данных на базе технологии WiMax (как мобильных, так и фиксированных пользователей) при просмотре телевизионных программ в режиме реального времени или при предоставлении услуги видео по требованию VoD (Video of Demand) делают весьма перспективным IP-телевидение на базе технологии WiMax. Кроме того, создание IPTV-сетей позволит пользователям не только подписаться, по их выбору, на любой канал, но и получить ряд новых услуг, таких, как услуга VoD, постановка на паузу передач прямого эфира и т.п.

Все это делает исследования, проводимые в диссертационной работе, актуальными.

Цель и задачи исследования

Целью диссертации является исследование сетевых аспектов 1РТУ и анализ численных характеристик 1РТУ-трафика и качества услуг через 1РТУ-сеть.

Сформулированная цель определила необходимость решения следующих научных задач.

1. Разработка математической модели организации очередей для сети 1РТУ и ее численный анализ.

2. Анализ использования многоадресной передачи для организации 1РТУ-услуг и расчет вероятности блокировки в сети 1РТУ.

3. Оценка влияния нарушения первоначальной очередности пакетов при многолучевом распространении сигнала в 1РТУ-сети.

4. Расчет заполнения буфера восстановления первоначальной очередности пакетов в разных ситуациях задержек этих пакетов.

5. Разработка схемы передачи услуги УоЭ через 1РТУ-сеть \ViMax с гибридным механизмом передачи и алгоритма АНТ.

Методы исследования

Для решения этих задач используются методы теории телетрафика, вычислительной математики, теории оптимизации, имитационного моделирования.

Научная новизна

Научная новизна исследования состоит в создании новых методов для исследования нового объекта в современных телекоммуникациях - 1РТУ-сетей. Новизна диссертационной работы заключается также в предложенной модели систем с приоритетными дисциплинами обработки услуг 1РТУ.

Личный вклад

Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Практическая ценность работы

Результаты диссертационной работы используются в СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при чтении лекций по курсу «Современные проблемы науки в области телекоммуникаций» и в Научно-техническом центре «Севентест» при разработке протокол-тестеров и средств сетевого мониторинга качества услуг IPTV. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и были одобрены на 63-й, 64-й и 65-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов СПбГУТ, на 62-й и 63-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ, на Международной конференции «FRUCT8, Lappeenranta, Finland 2010», на Международной конференции «FRUCT9, Petrozavodsk, Russia 2011», на Международной конференции «NEW2AN 2011, СПб, Russia 2011», а также на заседаниях кафедры Систем коммутации и распределения информации СПбГУТ в 2008, 2009, 2010 и 2011 годах.

Публикации

По материалам диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 12 печатных работ.

Объем и структура работы.

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы, 3 приложения. Объем пояснительной записки - 142 страниц, иллюстраций - 48, список литературы - 68 названий. Основные положения, выносимые на защиту • Формализованная модель блокировки услуг в сетях IPTV;

• Формулы для расчета вероятностно-временных характеристик IPTV-передачи и факторов, влияющие на переупорядочение пакетов при такой передаче;

• Математическая модель для исследования распределения вероятностей заполнения буфера переупорядочения в разных сетевых маршрутах;

• Новый алгоритм АНТ, обеспечивающий предоставление мобильной IPTV-услуги через широкополосную беспроводную сеть доступа.

Диссертация состоит из следующих глав:

Глава 1, Описаны характеристики IPTV-сетей, обоснована необходимость многоадресного доступа для IPTV-сервиса, описаны технология IPTV, качество IPTV-услуг, различия между IPTV и Internet TV, беспроводные WiMax, IPTV-сети и функциональная структура IPTV-сетей.

Глава 2, Описывается возможность приложения теории телетрафика к IPTV-сетям и приводятся возможные математические модели для расчета вероятности блокировки. Исследована применимость IPTV при одновременной многолучевой передаче (доступ СМР) и кратко обсужден выбор пути при СМР-передаче. В силу сложности механизмов СМР-передачи, анализ состоит из описания аналитического метода и событийного моделирования.

Глава 3, Предлагается адаптивная гибридная схема предоставления мобильных IPTV-услуг по запросу через широкополосную беспроводную сеть доступа. В предлагаемом алгоритме используется гибридный механизм, который объединяет многоканальную многоадресную и одноканальную схемы передачи, что позволит не только уменьшить вероятность блокировки канала, но и снизить общую нагрузку беспроводной системы.

Главе 4, Представлена и описана модель функционирования схемы передачи, а также произведены оценка �