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

Шалагинов, Виктор Алексеевич

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

кандидата технических наук: Шалагинов, Виктор Алексеевич
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.12.13

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Исследование влияния характеристик функционирования сетей последующих поколений на качество услуг на базе открытых интерфейсов»

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

На правах рукописи

ШАЛАГИНОВ ВИКТОР АЛЕКСЕЕВИЧ

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

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степенп кандидата технических наук

Москва 2011

4841569

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

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Ефимушкин Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов Сергей Николаевич

кандидат технических наук, доцент Иевлева Татьяна Викторовна

Ведущая организация: Институт Проблем Управления

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

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан «"(О» 2011

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Ерохин С. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Личный вклад

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

Практическая значимость

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные научные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации

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

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЕРТАЦИИ

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

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

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

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

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

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

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

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

нестабильное состояние

принят

нестабильное состояние

минимальная задержка ТЬт,„

принят

стабильное состояние

минимальная задержка Тдт)п

стабильное состояние

(а)

(б)

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

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

й

Стабильное состояние | Нестабильное состояние 600 1 - *ц-

I ,

400 Н-

200 --

о

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

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

Нестабильное состояние I Стабильное

-п.:

4 ■ ^ ; ■ . ' к . состояние

400

К 200 с,

'Г Я

1*| - , '-I- -« '• . - ||

0!* \*"'_1„ М ' 'Д..--* |

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

- пакет потерян

Количество последовательно отправленных запросов

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

состояние

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

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

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

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

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

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

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

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

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

р(кик2, ....*„) = Р]р, ш

(1)

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

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

в виде системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)

1=1

(2)

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

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

Р' -о- ^ гъ\

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

' Ср. ■т)"

Р 0--

Рк :

к!

-,0 < к < т,

Р о

1Ро 1

-,т < к < к>;

• т)к (p¡ • т)"

т!( 1-рд

• Р1 :

А,

7П ■

(4)

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

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

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

Рк =

Ро < к < т,

а,-

Ро =

Ро

т! ■ т*

-, т < к < оо.

к!

+ ■

т!

V т)

(5)

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

Рга?

^оч — Ро''

(6)

т!- (1 -Рг)2'

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

т\ -т • ц" ■ (1 — р;)2'

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

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

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

- ю-

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

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

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

"О" - внешняя среда.

Вероятности на рис.5 имеют следующие обозначения:

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

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

Янал - вероятность наличия запрошенной информации в памяти ППУ;

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

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

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

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

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

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

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

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

Pel 0 0 ^Cl^TIBT

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

0 0 Р 1 прл ~р р 1 прд пвт

0 0 0 Р с2^пвт

0 0 0 0 '

о о

О и и и Гс2гп„ I

4 0 0 0 0 '

Важнейшими показателями качества обслуживания запросов услуги являются ЯзСИ

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

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

к = ¿зси-е1+ Я,-£,си. (8)

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

Aj = (Я^ЯгДз.Я^Яз). ?! = (1,0,0,0,0).

В скалярном виде система (8) записывается в следующем виде

h = Л™ + Я2 = Лг -Рс1, ^

Л-З = ^2 ' Рппу " Риал* (9)

Я4 = Я2 ' Рппу щ Рнал + Я3 • Япрд,

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

Обозначим как отношение Язси к Хх и получим следующее выражение

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

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

^2 - ¿зеи 'Pel/fl' _

— -^зеи ' Pel " -Рппу " РкэлИъ (10)

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

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

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

лэси у- ~~ Л1 гс2 гппу V прд 'нал '

- - ^ 1 (11)

— тп1 т • ц2 ' (.1 — Рг)2'

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

и.« 0.6 0.4 0.2 0.0

. . АЗП1 = 100 '

• V ; ........ ...

^

0.081 0.083 0.085 0.087 0.089 0.091 0.093 0.095 0.097 0.099

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

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

Управление характеристиками

ППУ на базе

Обозначения:

Сетевые фрагменты модельной сети

Направление передачи потока данных

□

Интерфейс ЮОВАЭЕ-ТХ

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

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

- измерения проводились на уровне средних значений;

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

- измерения проводились для отдельных значений характеристик;

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

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

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

- вариации задержки пакетов при передаче речи:

- потерь пакетов при передаче речи;

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

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

юо

200

300

400

500 600

Задержка, мс

Рис.9. Влияние задержки пакетов на качество передачи речи

5 -......

4 —

3 —

2 4 -1

0 —

20

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

Длительность вызова, с

4 3 2

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

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

0 ~ —*—4 Мбит/с

38 4 : -в-4.01 мбит/с

2 —---—"*~4.025Мбит/с

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

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

0 10 20 30 40 50

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В других изданиях

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

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

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

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

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

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

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

Шалагинов Виктор Алексеевич (Россия)

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

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

Victor A. Shalaginov (Russia)

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

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

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

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

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Шалагинов, Виктор Алексеевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

1.3. Оценка эффективности существующих методов разработки и внедрения инфокоммуникационных услуг

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

Выводы

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

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

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

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

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

Выводы

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

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

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

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

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

Выводы

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

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

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

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

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

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

Актуальность работы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

Методы исследования

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

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

Научная новизна результатов

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

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