автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методика оценки сквозной задержки на оптической магистральной сети со сложной архитектурой

На правах рукописи

САЛИФОВ ИЛЬНУР ИЛДАРОВИЧ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ НА ОПТИЧЕСКОЙ МАГИСТРАЛЬНОЙ СЕТИ СО СЛОЖНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

2 6 йНВ 1Ш

Специальность 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2012

005009738

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Мухамедзянов Мансур Салимгареевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ильин Герман Иванович

кандидат технических наук, доцент Будылдина Надежда Вениаминовна

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт связи»

Защита состоится 17 февраля 2012 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.079.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 31/7.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, высылать по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10 на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.079.03.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева-КАИ.

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева-КАИ: www.kai.ru

Текст объявления о защите диссертации и файл автореферата направлены для публикации на официальном сайте ВАК в сети «Интернет» по адресу: référât vak@mon.gov.ru «14» декабря 2011 года.

Автореферат разослан «_[!_» я ^ 2012jr.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.И. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях необходимости организации на телекоммуникационной сети множества разнородных сервисов (услуг) многократно возрастает важность обеспечения требуемых показателей качества работы сети. Улучшение качественных показателей телекоммуникационных услуг невозможно без действующих на сетях операторов связи механизмов учета, анализа и управления показателем сквозной задержки.

Поскольку региональные и магистральные телекоммуникационные сети имеют территориально-распределенную структуру с большим количеством сетевых объектов, процесс управления показателем сквозной задержки сигнала в такой системе обостряется необходимостью его прогнозирования на стадии проектирования сети. При этом не исчезает важность анализа и управления этим параметром на этапах эксплуатации и развития сети.

• В данных условиях для операторов связи вопрос создания системы учета показателя сквозной задержки приобретает исключительную важность на этапах проектирования, эксплуатации и развития региональных и магистральных сегментов телекоммуникационных сетей.

Прогнозирование и оценка сквозных задержек требуют создания моделей для трактов телекоммуникационных сетей, учитывающих данный показатель. Современные сетевые тракты региональных и магистральных сегментов телекоммуникационных сетей представляют собой разнородную структуру с различными методами исследования. Согласно тенденциям последних лет на региональных и магистральных сегментах начинает активно применяться оборудование с коммутацией каналов. Однако на физическом и канальном уровнях по-прежнему остается оборудование коммутации каналов. Поэтому их влияние на показатель сквозной задержки сигнала исключить невозможно. Несмотря на существование большого количества работ, изучающих вопросы оценки сквозных задержек на отдельных элементах телекоммуникационных сетей, проблема моделирования этого показателя в сложных сетевых трактах с коммутацией каналов не решена.

Таким образом актуальность работы заключается в доработке существующих моделей элементов оборудования, составляющих современный сетевой тракт в региональных и магистральных телекоммуникационных сетях.

Предлагаемые модели основных элементов телекоммуникационной сети с коммутацией каналов позволят прогнозировать показатель сквозной задержки на стадии проектирования, анализировать и разрабатывать механизмы контроля и управления данным показателем, создавать эффективные архитектурные решения на региональных и магистральных телекоммуникационных сетях, оценивать возможность обеспечения требуемого качества новых услуг (каналов) перед их внедрением на существующих сетях. В совокупности это позволит встроить систему учета сквозных задержек сигнала в действующие бизнес-процессы операторов связи.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы - повышение показателей качества работы телекоммуникационной сети за счет улучшения значений показателя сквозной задержки. Поставленная цель достигается путем разработки методик анализа и управления показателем сквозной задержки сигналов на этапах проектирования, эксплуатации и развития региональных и магистральных телекоммуникационных сетей, что потребовало проведения исследований и решения следующих задач:

1. Систематизация существующих теоретических и практических результатов исследований показателя сквозной задержки сигнала в сетях связи;

2. Моделирование процессов передачи и обработки информации в региональных и магистральных сетях связи в части показателя сквозной задержки сигнала;

3. Оценка величины временной задержки и латентности сигналов в базовых блоках цифровых систем передачи (SDH и DWDM);

4. Разработка путей совершенствования архитектуры региональных и магистральных телекоммуникационных сетей, обеспечивающих улучшение показателей качества телекоммуникационных услуг;

5. Разработка новой методики проектирования региональных и магистральных телекоммуникационных сетей связи.

Объектом исследования является система учета показателей качества работы сети на этапах проектирования, эксплуатации и развития региональных и магистральных телекоммуникационных сетей.

Предметом исследования является временная задержка и латентность сигналов, возникающие в процессе передачи и обработки цифровой информации на физическом и канальном уровнях систем передачи SDH и DWDM.

Методы исследования. Использование структурно-функционального метода анализа, системного метода, теории оптики, практического опыта эксплуатации оборудования магистральной сети позволило наиболее полно организовать научный поиск и исследование для решения поставленных задач.

Вопросам развития и совершенствования архитектуры телекоммуникационных сетей с учетом параметра сквозной задержки сетевых трактов уделено внимание в работах следующих российских и зарубежных ученых: Галкин А.Н., Гилберт Хелд, Гончаров A.A., Засецкий A.B., Калягин A.M., Костас Сукулис, Котляр В.В., Макаренко A.B., Мак-Квери Стив, Мак-Грю Келли, Медушонков Ю.А., Наний O.E., Новожилов Е.О., Слепов H.H., Стеклов В.К., Шринивас В. и др.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Описана структура параметра сквозной задержки для современных сетевых трактов региональных и магистральных телекоммуникационных сетей;

2. Получены аналитические выражения для процессов передачи/обработки информации, обуславливающих временные задержки и латентность сигнала в функциональных элементах устройств цифровых систем передачи с коммутацией каналов;

3. Предложены научно обоснованные направления совершенствования существующей архитектуры и концепция формирования сетевых трактов региональных и магистральных телекоммуникационных сетей, обеспечивающие уменьшение показателя сквозной задержки сигналов;

4. Разработана методика проектирования параметра сквозной задержки сигнала на стадии теоретических расчетов, позволяющая задавать необходимый уровень показателя задержки на новых участках телекоммуникационных сетей и оценивать будущие параметры каналов связи перед их формированием на реальной сети.

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности реализации проектов на магистральной сети и работы подразделений операторов связи, выполняющих функции по развитию и эксплуатации магистральных сетей. Предлагаемый анализ и методики оценки слагаемых сквозной задержки дают возможность научно обоснованного управления величиной сквозной задержки на существующих и проектируемых участках магистральной оптической сети.

На защиту выносится:

1. Принципы комплексной классификации слагаемых сквозной задержки сигнала в различных устройствах цифровых систем передачи;

2. Модели сквозной задержки для сигналов Е12 ^ ЙТМ-К в оборудовании синхронной цифровой иерархии, отражающие детерминированные факторы процессов передачи/обработки информации;

3. Количественная оценка слагаемых сквозной задержки сигнала, отражающая степень влияния различных процессов передачи/обработки информации в исследуемых системах связи;

4. Архитектурные и технические решения в региональных и магистральных телекоммуникационных сетях позволяющие оптимизировать показатель сквозной задержки сигнала под необходимые требования;

5. Новая методика проектирования региональных и магистральных телекоммуникационных сетей связи, направленная на создание системы анализа и управления сквозной задержки сигнала на этапах проектирования, эксплуатации и развития телекоммуникационных сетей связи.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы -докладывались на VII межвузовской научно-

технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (г. Екатеринбург, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (г. Екатеринбург, 2008 г.); Семинар на кафедре «Связь» (г. Екатеринбург, 2010 г.); Научное обсуждение результатов в УрТИСИ СибГУТИ (г. Екатеринбург, 2010 г.).

По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, из них три - в журнале, входящем в перечень ВАК, две - в научных трудах Международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2009» (г. Екатеринбург, 2009 г.), две - в сборнике научных трудов «Молодые ученые - транспорту-2009» (г.Екатеринбург, 2010 г.), одна работа в журнале «Транспорт Урала» (№2,2008г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 225 наименований и 31 приложения. Работа включает в себя 123 рисунка и 8 таблиц. Основной текст работы изложен на 144 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении представлена общая характеристика работы, показана актуальность темы, определяются цель и задачи работы, новизна полученных результатов и их практическая значимость, формулируются защищаемые научные положения и приводится краткое содержание диссертации.

В первой главе анализируется состояние изученности параметра сквозной задержки сигнала, современное состояние технологических решений на магистральных оптических сетях России и тенденции изменения структуры сетевого трафика. Приведена терминология диссертационной работы, обзор литературных источников и исследований по данному направлению. Основные термины, которые используются в данной работе: Задержка сигнала (англ. Delay, [г]) - среднее время, затраченное сигналом для физического прохождения через элемент без какой-либо обработки. Характеризуется физикой процессов в элементе.

Латентность сигнала (англ. Latency, [т]) - скрытая задержка, которая превышает время распространения сигнала через элемент из-за его попутной

обработки устройствами сети или алгоритмами программного обеспечения. Характеризуется параметрами передаваемого сигнала и быстродействием алгоритмов обработки сигнала в элементе.

Сквозная задержка тракта (англ. End-to-End delay, [L]) - это общее среднее время, затраченное в процессе передачи информации (передача информации из точки возникновения в точку назначения) по данному тракту (Рис.1).

Прикладной уровень

Представительный _уровень_

Сеансовый уровень

Транспортный уровень

Сетевой уровень

Канальный уровень

Л &

о

X

н

X ф

н (0 п;

Прикладной уровень

Представительный _уровень_

Сеансовый уровень

Транспортный уровень

Сетевой уровень

Канальный уровень

I Физический уровень J Задержка

сигнала

Физический уровень

<L

среда передачи

fi

№ is*

Рис. 1. Слагаемые сквозной задержки сигнала, отнесенные к модели ОБ1 Решение поставленных в диссертационной работе задач разделено на три части: декомпозиция сложной сетевой инфраструктуры на отдельные подсистемы и функциональные блоки для выделения отдельных процессов и механизмов, оказывающих влияние на возникновение сквозной задержки (Глава 2); проведение аналитического моделирования для нахождения выражений, связывающих основные процессы передачи, обработки и хранения информации со значением показателя сквозной задержки (Глава 3); сопоставление результатов моделирования с результатами практических измерений на реальных участках сети и получение теоретических следствий в виде рекомендуемых архитектурных решений и системы учета показателя сквозной задержки на этапах численного расчета (Глава 4).

В диссертационной работе инфраструктура региональных и магистральных телекоммуникационных сетей рассматривается как совокупность относительно обособленных подсистем и разнородных процессов, связанных общей функциональной целью. В качестве подсистем рассматриваются определенные

технологии передачи информации. В каждой подсистеме выделяются отдельные изолированные функциональные элементы (процессы) таким образом, чтобы их дальнейшее суммирование позволило создать единую модель показателя сквозной задержки сигнала, учитывающую множество разновидностей сетевых трактов.

В любой системе связи ключевыми параметрами обеспечения качества обслуживания является коэффициент ошибок, полоса пропускания и сквозная задержка. Несмотря на то, что показатели гарантированного качества обслуживания существуют уже достаточно долго, простого и точного подхода к оценке величин задержки и латентности сигналов современные методы не предлагают. А уже изученные фрагменты не дают возможности комплексно оценивать сквозную задержку трактов сети. Существующие хорошо разработанные физические основы, учитывающие основные механизмы передачи сигналов в цифровых системах передачи, использованы в первой главе для всестороннего исследования механизмов появления сквозных задержек.

Во второй главе с помощью результатов анализа современных сетевых трактов и происходящих в них процессов, выявляется структура сквозной задержки сигнала, отражающая ее отдельные слагаемые.

На данный момент такая структура в научной литературе встречается фрагментарно. В диссертационной работе структура изучается комплексно и с таким уровнем декомпозиции, который позволяет полноценно оценить существующие тракты региональных и магистральных телекоммуникационных сетей. Структура (Рис.2) основана на актуальных функциональных и технологических особенностях существующей инфраструктуры магистральной сети, выявленных в первой главе.

Рис. 2. Структура сквозной задержки тракта на участке сети с архитектурой

WDM+SDH+10GE WAN

Данная структура отражает некоторые результаты исследования, показывающие перечень слагаемых сквозной задержки на участке сети с использованием оборудования трех технологий передачи: WDM, SDH, 10GE WAN.

Одним из крупных слагаемых в структуре является задержка распространения (Тсреда), которая характеризует физическую среду распространения сигнала. В' зависимости от природы сигнала различают три основне среды: оптоволокно (Job), радиоэфир (Тапм), медь (Ттдб). Всего же работе были проанализированы 12 видов сред передачи.

Другим крупным слагаемым сквозной задержки является узловая задержка, состоящая из задержек, вносимых системами передачи. Результатом исследования узловой задержки является получение трех структур узловой задержки для трех | технологий передачи: WDM, SDH, 10GBase-W (тракт MDI-PCS и XGMII-LLC). Каждому слагаемому в структурах узловой задержки дано описание механизма возникновения и точки возникновения, дана оценка его значимости в общей величине задержки для соответствующей системы передачи.

Выделение отдельных слагаемых и локализация мест их возникновения позволяет упростить выполнение следующего этапа - формулирование моделей , сквозной задержки сигнала.

В третьей главе с помощью методов аналитического моделирования сформулированы аналитические выражения, связывающие параметр сквозной задержки сигнала с отдельными функциональными блоками оборудования

исследуемых подсистем телекоммуникационных сетей. Отдельным функциональным блокам поставлено в соответствие определенное слагаемое сквозной задержки сигнала.

Для различных слагаемых сквозной задержки существует различная степень изученности в научной литературе.

В ходе изучения определено, что для оценки задержки сигнала (t) и латентности сигнала (г) необходимо применять различные методы:

1. Для расчета задержки сигнала (t) необходимо использовать формулы, описывающие закон распространения сигнала по физическому пути выбранного элемента. Например, в оптических элементах оборудования волнового уплотнения каналов используются аналитические выражения из волновой теории распространения света (те же, что используются для вычисления задержки распространения). В этом случае задача сводится к определению оптической длины (10пт) и показателя преломления среды (и), зависящего от многих факторов: длина волны (Я), ширина спектра (An), мощность сигнала, материал среды распространения, количество различных примесей (Л,,/, - коэффициенты ф. Селмейера), температурная и другие характеристики окружающей среды.

2. Для расчета латентности сигнала (т) необходимо анализировать работу каждого элемента, выполняемые им алгоритмы и их быстродействие, зависимость быстродействия алгоритмов от внутренних и внешних параметров. Латентности сигнала присуща запись и хранение информации в буферных устройствах.

В работе большое внимание уделено построению моделей, оценивающих задержку и латентность сигналов Е12 + STM-N в оборудовании синхронной цифровой иерархии, отражающие детерминированные факторы процессов передачи/обработки информации. В тракте оборудования SDH выделены три типа процессов: синхронное . сопряжение, асинхронное сопряжение и мультиплексирование/демультиплексирование. Каждому из трех процессов присущи свои особенности и базовая модель. На рисунке 3 показана базовая модель процесса асинхронного сопряжения. Рассматривая частные случаи этих моделей, строятся аналитические модели для каждого функционального элемента.

U=Fx, кГц

выравнивание! скорости Г

В

X'

„кГц 1 (с=Р>г,кГц

Рис. 3. Базовая модель процесса асинхронного сопряжения В Таблице 1 показаны некоторые аналитические выражения для функциональных блоков оборудования SDH в части тракта E1-LPC-HPC-STM4. Таблица 1 - Аналитические выражения для моделирования блоков оборудования SDH

Блок

Аналитическое выражение

(i + 288-j)

RSOH _пер '

ATJG4+ ' ^RSOH __ up '

RSOH

Q-16705) (г-17569-288-5).

£STM4 '

JJ5TM4 ^gAUU4-f ' njun _ njJ

(61-p + l) (58 p + 1) 17569 16705

*RSOH — gSTM4 AUG4+ ~~ ^STM4 jjAUG4+

. _ (33696 - Q (33696 - i - 288 ■ s) .

TMSOH_nip — jjAUG 4 j)AUG4+

В

MSOH

0-67105) Q-68545 + 288 -s)

MSOH _np '

в

(121-p + l) (116-p + l) _ 34849 33409

Bx

BA

AUG

AUG _nep '

(24' ,/+8-ft-3-i-8).

j^AUGi >

(3-i-24-j-8-fc + 53).

В

45

> 'XC/C

AUPTR

(6312-Q (6264-/-72-5), ^ Q -6265) Q-6337 + 72-д).

> Тлит _ np ^VC4 '

'■AUPTR '

47 73

Г +

в

VC4

в

AU4

_ (16-j+8-fc-3-t + 2064-j-2071) Q-2064■ s + 2087) ,

ГНРТ_пер ~ , j^VCf + >

HPT

(3-/-16-y-8-/t-2064-i + 2101) (i-2064• s + 2063) .

1НРТ_пр

В

В

30 24

НРА

(7 + Q Q-9) (16-у + 8-Л-2ч'-8) (48 • j + 8 • fc - 7 • i + 672 ■ s - 679)

ХНРЛ_тр — J}™11 ВЮ2 + 2го02 + gri/ез- +

(687 + 1-672-у). (г -1) (i-1) 2-»-16-./-8-* + 38

+ gTUG3 ' THPA_rp ~ ^ГС12 JJ1™ + ^TUGl +

(7• г -48■ j-S-k-672• j + 769) Q-672^ + 671)_

jST1

Б

В

8 30

gTim + gtu02

90

16

В

LPT

..g-7) (■'-!) ■ .

¡-ГТ_тр ¡¡УС!! gCU ' T LPT _np '

- Bm g

VC\i' XLPT „VCI2 '

Блок

Аналитическое выражение

LPA

> + ■-!) (i-2)

Вс

вЕ

' *1РЛ »= С-1)'

В

1 16

; В" + всп

(8) (9)

(10)

PPI

А,, +

9

рЕ1

= / _ (L + 0,5) . _ (¿ + 0,5) _ 8,5

SPI _ пир лазер* TSPI_np--+ ¿фдмд ' TSP1 ~ + *фдиод + ¡лазер ~ gEl ^ *фдиад *пакр

SPI

По сформулированным выражениям проведена оценка значений задержки и латентности сигналов в отдельных элементах исследуемых подсистем и на ее основе получена карта узловых задержек в различных трактах передачи/приема информации оборудования с различными режимами функционирования. Результаты количественной оценки представлены на рисунке 4 (задержка распространения для 12 видов сред передачи), на рисунке 5 (узловая задержка в 12 оптических и 5 электрических элементах оборудования WDM) и на рисунке 6 (узловая задержка в 15 электрических блоках оборудования SDH).

0.5 0,45

2 о

° 0,4

■о

Е

0.35 0,3

0.4867 0,4897 0,4893 0,4903

0,3729

Ё

I F Е =

lies '

2 5 1 6 Я

s s О

Рис. 4. Оценка задержки распространения в различных средах передачи 57 л

Ш FEC кодер S FEC декодер

® Компенсатор дисперсии на основе пассивного волокна s Мупьтипгвксор/Демугътиппексор на основе AWG

■ Оптический приемник Ш Оптический передатчик с анеиним модулятором

■ Линейный усилитель в Восстановитель данных В Усилитела EDFA в Разветвитель сварной а Аттенюатор на поглощающем фильтре оТонкоппеночный фигътр

Рис. 5. Оценка узловой задержки в элементах оборудования WDM (в микросекундах)

Рис. 6. Оценка узловой задержки в функциональных блоках оборудования SDH

В четвертой главе проведено сопоставление результатов моделирования с результатами практических измерений на реальных участках сети и получение теоретических следствий в виде рекомендуемых архитектурных решений и системы учета показателя сквозной задержки на этапах численного расчета.

Сравнение расчетных значений слагаемых сквозной задержки с измеренными значениями на реальных участках магистральной сети компании ОАО «Ростелеком» показало достаточное соответствие. Исходя из оценок величины слагаемых, проведен анализ степени их влияния на суммарную величину сквозной задержки в сетевых трактах с различной конфигурацией и различными режимами функционирования. На базе этого анализа сформулированы определенные рекомендации по улучшению архитектурных решений с точки зрения изучаемого показателя.

Анализ действующих принципов работы подразделений ведущих магистральных операторов связи в России выявил следующее: необходимы система мониторинга величины сквозной задержки на участках сети и методы оценки параметра сквозной задержки на этапах, когда возможен только численный расчет. Закрыть эти потребности помогут основные принципы системы учета показателя сквозной задержки, сформулированные в диссертационной работе. Для этого используются предложенные ранее рекомендации, систематизируется их использование, добавляются исследованные в диссертационной работе механизмы анализа, результаты оценки сквозной

задержки и все сводится в упорядоченный алгоритм действий, применимый на этапах проектирования, эксплуатации и развития участков региональных и магистральных телекоммуникационных сетей. Система учета сквозных задержек

на участках магистральной сети состоит из шести этапов и показана на рисунке 6.

телекоммуникационной сети Первый уровень детализации (Рис. 6) состоит из двух процессов: П1 - для

управления задержками уже существующей сети; П2 - для планирования задержек на вновь строящихся сетях или участках сети. Каждый процесс состоит из нескольких подпроцессов (этапов). Для каждого этапа (Ш.х и П2.х) показан перечень получаемых данных. На втором уровне детализации (рассматривается в диссертационной работе) каждого из этапов более подробно описан порядок действий и перечень получаемых в ходе их реализации данных.

Данные разработки можно внедрять на практике для подразделений операторов связи и иных компаний (проектных организаций, компаний интеграторов и т.д.).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы, показан личный вклад автора. На основании выполненных исследований получена совокупность актуальных научно-технических решений по совершенствованию архитектур и методов моделирования телекоммуникационных сетей и систем.

В приложениях показаны результаты проведенных тестов на реальном участке магистральной сети и на стендовом оборудовании, показаны аналитические выражения для расчета задержки распространения в средах передачи, приведен вывод формул для элементов оборудования WDM и подробное описание получения новых моделей для блоков оборудования SDH. Показаны акты о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложена комплексная структура показателя сквозной задержки для трактов телекоммуникационной сети. Данная структура отражает современную инфраструктуру физического и канального уровня региональных и магистральных телекоммуникационных сетей России, раскрывает наложенность используемых подсистем, места возникновения и степень влияния отдельных функциональных элементов на величину параметра сквозной задержки.

2. Сформулированы методики расчета слагаемых сквозной задержки и определены границы их применимости для расчета временной задержки и латентности сигнала. Методом аналитического моделирования получены выражения, отражающие взаимосвязь внутренних, внешних и выходных детерминированных характеристик отдельных элементов, выделенных в телекоммуникационной инфраструктуре: задержки распространения 11 типов сред передачи; узловые задержки 12 оптических и 5 электрических элементов оборудования WDM; узловые задержки 15 электрических функциональных блоков оборудования SDH, затрагивающие все варианты организации трактов между интерфейсами Е12, ЕЗ, Е4, STM-1, STM-4, STM-16, STM-64.

3. Составлена карта основных процессов и функциональных элементов оборудования систем передачи, оказывающих влияние на показатель сквозной

задержки. Результаты теоретических исследований незначительно отличаются от практических измерений и подтверждают возможность применения сформулированных аналитических выражений для решения различных задач, связанных с оценкой и оптимизацией показателя сквозной задержки. В частности, получать данные о величине сквозной задержки определенного сетевого тракта еще на стадии теоретических расчетов.

4. В результате исследований разработаны решения и рекомендации по совершенствованию архитектуры телекоммуникационных сетей. Например, при формировании магистральных трактов рекомендуется: при использовании оборудования SDH проводить транзитные коммутации в матрице верхнего уровня, не разбирая ниже структуры VC-4; минимизировать случаи формирования требуемой полосы пропускания за счет сцепки множества сигналов низкого уровня; использовать ячеистую топологию сети и децентрализовать потоки информации; не допускать создание каналов с большой разницей основного и резервного трактов.

5. Сформулированные в работе положения и решения позволяют внедрить на телекоммуникационных сетях операторов связи систему учета параметра сквозной задержки. Эта система позволит: проектировать параметр сквозной задержки на телекоммуникационной сети в соответствии с требованиями заказчика, тем самым повышая эффективность реализации проектов; оценить будущие параметры каналов связи перед их формированием на реальной сети; грамотно организовать процесс эксплуатации телекоммуникационной сети; оценивать готовность ресурсов сети к внедрению новых услуг, критичных к величине сквозной задержки; оперативно анализировать величину сквозной задержки в случаях превышения нормированных значений на действующих участках сети.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Салифов И.И. Оценка временной латентности процесса сопряжения плезиохронных сигналов PDH (Е-n) с синхронными сигналами (С-п) // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт. - №6. - 2010. - с.24-28.

2. Салифов И.И. Сравнение по критерию временной задержки сред передачи сигнала в магистральных сетях связи // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт. - №4. - 2009. - с.42-45.

3. Салифов И.И. Оценка узловой задержки в оптических системах спектрального уплотнения каналов (WDM) магистральных сетей // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт. - №5. - 2009. - с.22-24.

4. Салифов И.И., Мухамедзянов М.С. Смена парадигмы строительства транспортных сетей связи // Транспорт Урала. - №2. - 2008. - с.28-30.

5. Салифов И.И. Расчет временной задержки передачи сигнала на элементах магистральной сети: задержка распространения // Связь-Пром 2009. - Научные труды международной научно-практической конференции. - Екатеринбург, 2009.-с.205-207.

6. Салифов И.И. Расчет задержки передачи сигнала на элементах магистральной сети: узловая задержка // Связь-Пром 2009. - Научные труды международной научно-практической конференции. - Екатеринбург, 2009. - с.202-204.

7. Салифов И.И. Временная задержка сигнала в магистральных сетях как ключевой параметр качества обслуживания // Молодые ученые - транспорту-2009. - Сборник научных трудов: в 3-х ч. - Екатеринбург, 2009. 4.2. - с.166-170.

8. Салифов И.И. Метод оценки временной задержки магистральных сетей со сложной архитектурой // Молодые ученые - транспорту-2009. - Сборник научных трудов: в 3-х ч. - Екатеринбург, 2009.4.2. - с.170-173.

Салифов Ильнур Илдарович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ НА ОПТИЧЕСКОЙ МАГИСТРАЛЬНОЙ СЕТИ СО СЛОЖНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

620034, г, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66 Издательство УрГУПС

Подписано к печати 08.12.2011 Формат бумаги 60x84 1/16 Объем 1,1 п.л.

Заказ 240 Тираж 100 экз.

61 12-5/1,37

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

На правах рукописи САЛИФОВ ИЛЬНУР ИЛДАРОВИЧ

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ НА ОПТИЧЕСКОЙ МАГИСТРАЛЬНОЙ СЕТИ СО СЛОЖНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ

Специальность 05.12.13 -Системы, сети и устройства телекоммуникаций

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент М.С. Мухамедзянов

Екатеринбург - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................3

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ СЕТЕЙ СВЯЗИ...........................................................................................................................7

1.1. Терминология...............................................................................8

1.2. Актуальность и систематизация сведений по проблеме............................10

1.3. Анализ существующей инфраструктуры магистральных сетей связи..........11

1.4. Анализ норм на сквозную задержку магистральных сетей связи................18

1.5. Анализ тенденций развития магистральных сетей связи......................... 19

1.6. Выводы по первой главе................................................................ 26

2. РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИИ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ.....................................................28

2.1. Декомпозиция суммарной сквозной задержки на сетях связи....................28

2.2. Классификация задержки распространения в средах передачи.................32

2.3. Классификация слагаемых узловой задержки в различных технологиях передачи информации......................................................................33

2.3.1. Выделение и классификация слагаемых узловой задержки оборудования WDM..................................................................................................34

2.3.2. Выделение и классификация слагаемых узловой задержки оборудования SDH............................................................................................38

2.3.3. Выделение и классификация слагаемых узловой задержки оборудования 10GEWAN....................................................................................45

2.4. Выводы по второй главе.................................................................50

3. РАСЧЕТ СЛАГАЕМЫХ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ.................................................................................52

3.1. Составление моделей для задержки распространения сигнала в физических средах передачи магистральных сетей связи.........................52

3.2. Составление моделей для слагаемых узловой задержки на физическом уровне WDM оборудования..............................................................54

3.3. Составление моделей для слагаемых узловой задержки SDH оборудования 63

3.4. Проведение расчета слагаемых сквозной задержки сети......................... 80

3.5. Обобщенный анализ результатов численного моделирования слагаемых сквозной задержки....................................................................... 102

3.6. Выводы по третьей главе............................................................... 107

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.......... 109

4.1. Экспериментальная проверка результатов..........................................109

4.2. Разработка рекомендаций по управлению величиной сквозной задержки

о V-» 1 1 Л

магистральных сетей связи со сложной архитектурой............................... 113

4.3. Методика планирования сквозной задержки на магистральной сети со сложной архитектурой....................................................................... 117

4.4. Выработка требований к объему измерений величины сквозной задержки.. 128

4.5. Выводы по четвертой главе............................................................ 129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................130

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................132

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Современные бизнес модели операторов связи в первую очередь опираются на показатели качества предоставляемых услуг. Без этого невозможно получить добавленную стоимость услуг, а значит не получить необходимых экономических показателей деятельности оператора. Улучшение качества телекоммуникационных услуг невозможно без действующих на сетях операторов связи механизмов учета, анализа и управления показателем сквозной задержки.

Учитывая, что региональные и магистральные телекоммуникационные сети концентрируют громадные потоки информации, к ним всегда предъявлялись самые жесткие требования к параметрам качества обслуживания, нежели для других сетей. Поскольку региональные и магистральные телекоммуникационные сети имеют территориально-распределенную структуру с большим количеством сетевых объектов, контроль показателя сквозной задержки сигнала в такой системе обостряется необходимостью его прогнозирования на стадии проектирования сети. При этом не исчезает важность анализа и управления этим параметром на этапах эксплуатации и развития сети.

В этих условиях для операторов связи вопрос создания системы учета показателя сквозной задержки приобретает исключительную важность на этапах проектирования, эксплуатации и развития региональных и магистральных сегментов телекоммуникационных сетей.

В настоящее время при проектировании сети этому параметру уделяется недостаточное внимание. В большинстве случаев, чтобы определить величину сквозной задержки на участках сети, за основу берут результаты тестов при приемо-сдаточных испытаниях, проводимых уже после строительства сети. То есть операторы связи лишены возможности прогнозирования качественных характеристик своих сетей, возникают проблемы анализа этой величины и отсутствуют методы ее уменьшения при необходимости.

Возможность прогнозирования и оценки сквозных задержек требует создания моделей для трактов телекоммуникационных сетей, учитывающих данный показатель. С научной точки зрения данная задача довольно не тривиальна. Современные сетевые тракты региональных и магистральных сегментов телекоммуникационных сетей представляют собой разнородную структуру с разными методами исследования. Согласно тенденциям последних лет на региональных и магистральных сегментах начинает активно применяться оборудование с коммутацией каналов. Однако на физическом и канальном уровнях все равно остается оборудование коммутации каналов. Поэтому их влияние на показатель сквозной задержки сигнала невозможно исключить. Несмотря на существование большого количества работ, изучающих вопросы оценки сквозных задержек на отдельных элементах телекоммуникационных сетей, проблема моделирования этого показателя в сложных сетевых трактах с коммутацией каналов не решена.

Таким образом, актуальность работы заключается в доработке существующих моделей элементов оборудования, составляющих современный сетевой тракт в региональных и магистральных телекоммуникационных сетях.

Задержка существенно влияет на приложения, критичные ко времени (интерактивный трафик и трафик реального времени). Если задержка распространения превышает 200 мс, то такая задержка уже становится чувствительной для качества голосовых приложений, если задержка превышает 400 мс, то качество голоса ухудшается очень сильно, а в видеоприложениях реального времени появляются артефакты. Кроме того, существенное влияние оказывает джиттер задержки (колебания величины задержки во времени), более присущий технологиям с пакетной коммутацией, и в меньшей степени технологиям канальной коммутации, где задержка является почти постоянной величиной.

В процессе проектирования необходимо знать методики, которые помогут при строительстве сети рассчитать величины задержек и выполнить требования заказчика к сети, спрогнозировать и обосновать заданные качественные параметры. Автору не удалось найти упоминаний ни об одной такой методике.

В процессе внедрения новых услуг на существующей сети, необходимо грамотно оценить ресурсы и возможности сети, выбрать оптимальный маршрут и задействовать только те устройства, которые обеспечат заданное качество услуги, а также узнать общую готовность сети к необходимой услуге. Операторы связи вынуждены опираться на SLA, т. е. самостоятельно определяться с показателями качества обслуживания как при выполнении договоренностей, так и при планировании предоставления на своих сетях новых услуг.

Кроме того, на практике оператор связи не в состоянии отследить проблему у клиента, а клиент не в состоянии ничего доказать оператору. Наиболее вероятное, что может сделать оператор — это проконтролировать качество на участках своей сети, без учета последних миль и внутренней инфраструктуры корпоративной сети.

Особый интерес представляет изучение сквозной задержки на физическом и канальном уровнях. Связано это с тем, что начиная с сетевого уровня появляется множество механизмов по минимизации задержки и джиттера задержки. Но большая доля задержки приходится на физический и канальный уровень транспортных технологий. На эту долю после строительства телекоммуникационной сети уже трудно активно влиять, и она до сих пор остается мало изучена теоретически. А единственным способом ее узнать остаются реальные измерения, которые не могут дать комплексной картины по слагаемым измеренной величины.

Объектом исследования является система учета показателей качества работы сети на этапах проектирования, эксплуатации и развития региональных и магистральных телекоммуникационных сетей.

Предметом исследования является временная задержка и латентность сигналов, возникающие в процессе передачи и обработки цифровой информации на физическом и канальном уровнях систем передачи SDH и DWDM.

Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы - повышение показателей качества работы телекоммуникационной сети за счет улучшения значений показателя сквозной задержки. Поставленная цель достигается путем разработки методик анализа и управления показателем сквозной задержки сигналов на этапах проектирования, эксплуатации и развития региональных и

магистральных телекоммуникационных сетей, что потребовало проведения исследований и решения следующих задач:

1. Систематизация существующих теоретических и практических результатов исследований показателя сквозной задержки сигнала в сетях связи;

2. Моделирование процессов передачи и обработки информации в региональных и магистральных сетях связи в части показателя сквозной задержки сигнала;

3. Оценка величины временной задержки и латентности сигналов в базовых блоках цифровых систем передачи (SDH и DWDM);

4. Разработка путей совершенствования архитектуры региональных и магистральных телекоммуникационных сетей, обеспечивающих улучшение показателей качества телекоммуникационных услуг;

5. Разработка новой методики проектирования региональных и магистральных телекоммуникационных сетей связи.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Описана структура параметра сквозной задержки для современных сетевых трактов региональных и магистральных телекоммуникационных сетей;

2. Получены аналитические выражения для процессов передачи/обработки информации, обуславливающих временные задержки и латентность сигнала в функциональных элементах устройств цифровых систем передачи с коммутацией каналов;

3. Предложены научно обоснованные направления совершенствования существующей архитектуры и концепция формирования сетевых трактов региональных и магистральных телекоммуникационных сетей, обеспечивающие уменьшение показателя сквозной задержки сигналов;

4. Разработана методика проектирования параметра сквозной задержки сигнала на стадии теоретических расчетов, позволяющая задавать необходимый уровень показателя задержки на новых участках телекоммуникационных сетей и оценивать будущие параметры каналов связи перед их формированием на реальной сети.

Методы исследования. Использование структурно-функционального метода анализа, системного метода, теории оптики, практического опыта эксплуатации оборудования магистральной сети позволило наиболее полно организовать научный поиск и исследование для решения поставленных задач.

Вопросам развития и совершенствования архитектуры телекоммуникационных сетей с учетом параметра сквозной задержки сетевых трактов уделено внимание в работах следующих российских и зарубежных ученых: Галкин А.Н., Гилберт Хелд, Гончаров A.A., Засецкий A.B., Калягин A.M., Костас Сукулис, Котляр В.В., Макаренко A.B., Мак-Квери Стив, Мак-Грю Келли, Медушонков Ю.А., Наний O.E., Новожилов Е.О., Слепов H.H., Стеклов В.К., Шринивас В. и др.

Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности реализации проектов на магистральной сети и работы подразделений операторов связи, выполняющих функции по развитию и эксплуатации магистральных сетей. Предлагаемый анализ и методики оценки слагаемых сквозной задержки дают

возможность научно обоснованного управления величиной сквозной задержки на существующих и проектируемых участках магистральной оптической сети.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VII межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (г. Екатеринбург, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития» (г. Екатеринбург, 2008г.); Семинар на кафедре "Связь" (г.Екаеринбург, 2010); Научное обсуждение результатов в УрТИСИ СибГУТИ (г.Екатеринбург, 2010).

По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, из них три - в журнале, входящем в перечень ВАК, две - в научных трудах Международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2009» (г. Екатеринбург, 2009 г.), две - в сборнике научных трудов «Молодые ученые - транспорту-2009» (г.Екатеринбург, 2010 г.), одна работа в журнале «Транспорт Урала» (№2, 2008г.).

Предлагаемые модели основных элементов телекоммуникационной сети с коммутацией каналов позволят прогнозировать показатель сквозной задержки на стадии проектирования, анализировать и разрабатывать механизмы контроля и управления данным показателем, создавать эффективные архитектурные решения на региональных и магистральных телекоммуникационных сетях, оценивать степень достижения требуемого качества новых услуг (каналов) перед их внедрением на существующих сетях. В совокупности это позволит встроить систему учета сквозных задержек сигнала в действующие бизнес-процессы операторов связи.

В процессе подготовки научной работы была накоплена база с большим объемом расчетных и измеренных значений сквозной задержки, которая может существенно облегчить решение задач, связанных с проектированием, внедрением и эксплуатацией современных магистральных сетей связи. Научной работе помогли знания, приобретенные и накопленные за годы участия в эксплуатации и развитии крупнейшей магистральной сети России, компании ОАО "Ростелеком".

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ СКВОЗНОЙ ЗАДЕРЖКИ

СЕТЕЙ СВЯЗИ

Первая глава посвящена анализу текущего уровня изученности величины сквозной задержки на сетях связи. Для этого исследуются научные работы по всей инфраструктуре региональных и магистральных телекоммуникационных сетей, по трактам приема-передачи технологий передачи и по механизмам функционирования технологических решений. В ходе этого выявляются особенности внесения временных задержек различными технологиями коммутации. На анализе основаны дальнейшие исследования, расчеты и разработки.

Последние годы стали временем бурного расцвета новых телекоммуникационных технологий [6, 28, 29, 31, 142, 186, 194], которые в первую очередь обращены на предоставление услуг абонентам сетей связи. Не сложно заметить, что современные телекоммуникационные услуги отличаются существенной ресурсоемкостью в отношении пропускной способности и требовательностью к величине сквозной задержки [15, 52, 54, 67, 71, 74, 89, 118, 138, 184, 187].

В региональных и магистральных телекоммуникационных сетях можно применять достаточно много технологий, решая с их помощью любую задачу, связанную с обеспечением качественного обслуживания клиентов.

Широкое применение находят системы уплотнения длин волн, обеспечивающие одновременную организацию в окне прозрачности десятков каналов. Некоторые коммерческие системы поддерживают до 160 таких каналов, в каждом из которых достигается скорость до 40 Гбит/с [152, 193, 223]. Подобные системы называют DWDM (Dence Wavelength Division Multiplexing). По сути дела, DWDM - это модифицированный оптический аналог давно известных систем частотного уплотнения. Уплотнение столь большого числа длин волн на столь высоких частотах потребовало прецизионной техники нового поколения [49, 65, 82, 97, 102-105, 193]. Разумеется, такие высокопроизводительные системы оказались очень подходящими для создания транспортных сетей.

В последние десять лет на уровне транспортных сетей гл