автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Построение мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения

На правах рукописи

Советова Мария Борисовна

ПОСТРОЕНИЕ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ ИНТЕРАКТИВНОЙ СЕТИ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

электротехническом

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки России Шибанов В. С

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фомин Б.Ф. кандидат технических наук, доцент Колбанев М.О.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук

Защита диссертации состоится «_»_2003 года в _час. на

заседании диссертационного совета Д 212.238.07 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И.

Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

и

Автореферат разослан «_»_2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Яшин А.И.

¿.OC>>-ft

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В условиях перехода к информационному обществу возник и интенсивно развивается новый класс услуг - услуги информационные. Количество и качество этих услуг определяется возможностями их доставки. Совмещение различных видов обслуживания в одной сети привело к возникновению широкополосных сетей интегрального обслуживания. Условиям интеграции сигналов в каналах связи и пользователей на абонентском уровне могут удовлетворить широкополосные сети кабельного телевидения, входящие в структуру систем принципиально нового типа, так называемых, мультисервисных систем. Принципам построения мультисервисных сетей кабельного телевидения посвящены работы Шибанова B.C., Барабаша П А . Воробьева С.П., Махровского О.В. Проблемы построения сетей интегрального обслуживания нашли отражение в работах Захарова Г.П., Лазарева В.Г. Мизина И.А., Яковлева С.А. Методология общей системологии, проблемы системного анализа, теория сложных систем раскрыты в трудах Месаровича М., Такахара Я, Вавилова A.A., Моисеева H.H., Фомина Б.Ф. Несмотря на наличие этих работ, в настоящее время еще не сформировалась единая методика, охватывающая системно комплекс проблем построения развивающихся мультисервисных систем. Сохраняется противоречие между наличием в России развитого ресурса в виде сетей кабельного телевидения и низкой эффективностью его использования при все возрастающем уровне потребностей в информационных услугах. Актуальность предлагаемой темы диссертации подтверждается также постановкой проблемы построения мультисервисных систем во многих российских и зарубежных научно-технических программах. В «Стратегическом плане Санкт-Петербурга» по направлению телекоммуникаций и информатизации на первом месте стоит создание городской цифровой сети интегрального обслуживания. Целевая программа «Электронный Санкт-Петербург (2003 - 2007 гг.)» предусматривает увеличение объема информации и расширение перечня предоставляемых информационных услуг (второе направление), а также создание благоприятных условий для развития магистральной телекоммуникационной инфраструктуры Санкт-Петербурга и сетей доступа к ним (четвертое направление). В целом, построение мультисервисных систем на современном этапе требует разработки совокупности теоретических и прикладных проблем, не решенных комплексно ни в России, ни за рубежом, а поэтому исследование в данном направлении является актуальным.

Цель работы

Целью диссертационной работы является построение способной к развитию мультисервисной системы с интеграцией информационных услуг, предоставляемых пользователям, на базе интерактивной сети кабельного телевидения.

Задачи исследований

В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие

задачи:

- системный анализ предметной области с использованием зарубежных и российских литературных источников, а также материалов исследований, выполненных коллективом ГУП «НИИ Рубин»;

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ i БИБЛИОТЕКА I

С.ПепрЛт0 J * 09

rr

- постановка задачи построения системы при ограничениях по приоритетам востребованных информационных услуг и возможностей реализации такой системы на имеющейся программно-технической базе;

- построение обобщенной математической модели функционирования цифровой сети с описанием протоколов и интерфейсов и последующим их выбором;

- разработка структуры системы и топологии сети с учетом их многоэтапного эволюционного развития;

- построение математических моделей распределений объемов передаваемых программ информационных услуг для реальных каналов связи;

- выбор структуры абонентского адаптера с функцией записи программ в отсутствии абонента.

Методы исследований Для достижения поставленной цели в диссертационной работе применен системный подход, что нашло отражение в формулировке цели, критериев, ограничений при формировании общей идеологии построения мультисервисной системы, выборе топологии различных уровней сети, структур поэтапного развития системы. Постановка и решение конкретных задач исследования базируются на использовании математического аппарата конечных автоматов, теории графов и аппарата математической статистики.

На защиту выносятся:

1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания как базовой составляющей мультисервисной системы.

2.Поэтапный сценарий создания мультисервисной системы, включающий набор структур системы и топологий сети, ориентированных на заданный уровень предоставляемых информационных услуг.

3.Методика построения способной к развитию мультисервисной системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения

4.Архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box).

5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей.

б.Экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий управление поиском, записью и удалением программ информационных услуг.

Научная новизна

1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети отличается учетом особенностей взаимодействия различных уровней сети при предоставлении информационных услуг, что позволяет формализовать поведение протоколов и интерфейсов с разделением функций, как по параметрам блоков данных, так и по подмножествам их значений.

2.Поэтапный сценарий создания мультисервисной системы отличается возможностью выбора рационального варианта из альтернативных на каждом этапе, что позволяет на практике реализовать предложенную методику построения системы.

3.Методика построения способной к развитию мультисервисной системы отличается тем, что базируется на оценке требуемой приоритетности предоставления информационных услуг и возможностей совершенствования существующей сети, что

позволяет реализовать эволюционный путь перехода к системе с полным набором услуг.

4.Архитектура абонентского доступа отличается использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS и абонентского адаптера STB, что позволяет впервые реализовать новые функции по интеграции предоставляемых услуг с записью программ по запросу абонента в его отсутствии.

5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ отличается использованием в качестве базовых экспериментальных данных исследования потоков информационных услуг в реальных каналах связи, что позволяет найти требуемый объем памяти абонентских адаптеров или других оконечных устройств.

6.Экранный пользовательский интерфейс отличается инвариантностью к способам реализации абонентских устройств, что дает пользователю возможность самому конструировать требуемый перечень информационных услуг с желаемой последовательностью их предоставления.

Практическая ценность Разработанная в диссертации методика построения системы может быть непосредственно использована при системном проектировании перспективных мультисервисных систем на каждом этапе их создания. Рекомендации по выбору топологии сетей, системы управления сетью, типов протоколов и кабельных модемов могут найти практическое применение на стадии технического проектирования мультисервисных систем. Предложенный сценарий создания системы, принципиально отличающийся своей перспективностью от этапов реализации Санкт-Петербургской мультисервисной сети, может стать основанием пересмотра информационной политики города в части предоставления информационных услуг населению, деловым кругам и организациям. Разработанный автором экранный пользовательский интерфейс поддерживает расширение рынка доведения новых информационных услуг до абонентов.

Реализация в промышленности.

Предложенная архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS, и абонентского адаптера STB с записью программ информационных услуг в отсутствии абонента, а также реализованный автором экранный интерфейс были использованы в научно-исследовательской работе «Integrated Broadband Communications on Broadcast Networks (IBCoBN), выполненной ГУП НИИ «Рубин» по контракту с Европейской Комиссией, в ОКР «Мультиканал-Р», выполняемой в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база, в НИОКР по заказу Минсвязи России «Стратегия развития мультисервисных сетей» (НИР «Концепция») и «Обратный канал в мультисервисных сетях» (ОКР «Стандарт-ОК»), В указанных работах для оценки требуемого объема памяти абонентского адаптера нашли также применение методика получения и найденные автором характеристики распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей.

Реализация в учебном процессе.

Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания и базирующаяся на ней формализация протоколов и

интерфейсов, а также предложения автора по построению гибридных и оптоволоконных сетей использованы в учебном процессе при обучении студентов в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплинам: «Распределенные системы обработки данных» и «Новые информационные технологии в управлении и связи» специальности 220200 -Автоматизированные системы обработки информации и управления.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII и VIII Санкт-Петербургских Международных конференциях «Региональная информатика» (2000, 2002 гг.), на II Всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения» (Воронеж, 2002 г.), на 55-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2002 г.), на Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии УИТ-2003» (Санкт-Петербург. 2003 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, из них 4 статьи и тезисы к 5 докладам на международных и российских научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной источников, включающего 90 наименований, и приложения.

Основная часть работы изложена на 142 страницах машинописного текста и содержит 10 таблиц и 58 рисунков.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований и результаты, представляемые на защиту.

В первой главе формулируется проблема создания мультисервисной системы на базе отечественной сети кабельного телевидения (СКТВ). Задачи исследования решаются с учетом следующих ограничений:

1.Переход к перспективной системе, удовлетворяющей требованиям абонентов, на начальном этапе осуществляется на базе существующих служб и услуг мультисервисных СКТВ. Однако из существующих служб с учетом интеграции информационных услуг необходимо остановиться на интерактивных службах, причем придется использовать их совокупность, так как каждая из них в отдельности обеспечивает передачу лишь отдельных конкретных видов информации.

2.Переход к интерактивной сети должен основываться на принятых стандартах высокоскоростной передачи данных по кабельным сетям. За исходные для выбора альтернативные варианты стандартов примем:

- спецификацию на передачу данных по кабелю DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), одобренную в 1998 г. сектором связи Международного союза электросвязи и предложенную в качестве рекомендации ITU-Т J. 112. Стандарт оптимизирован под передачу IP - пакетов;

- стандарт DVB (Digital Video Broadcasting), ориентированный на передачу данных с помощью транспортных пакетов MPEG-2. Этот стандарт работает с протоколом ATM.

З.При развитии системы переход от предшествующего этапа к последующему должен обосновываться как наращиванием количества предоставляемых информационных услуг абонентам, так и переходом на новый уровень их качества. Это предъявляет повышенные требования к каналам связи, параметры которых на отдельных уровнях сети могут создавать дополнительные ограничения, снимаемые при переходе к следующему этапу развития.

4.0граничения могут возникать и на уровне оборудования, особенно в части, приобретаемого абонентом. Телевизор или компьютер в распоряжении абонента дают разные варианты реализации абонентской части системы.

5.Системным ограничением, определяющим сроки, этапность и возможности развития системы является стоимость. включая капитальные затраты, эксплуатационные расходы, тарифную политику и т.д. В диссертационной работе этот фактор учтен опосредованно лишь на основе опыта внедрения СКТВ и темпов охвата населения отдельными видами современных информационных услуг, формируя на этой основе прогноз.

-Решение поставленных задач реализуется в диссертации на базе системного подхода, основываясь на анализе современного состояния информатизации Санкт-Петербурга. Констатируется, что в Санкт-Петербурге имеются условия для резкого увеличения количества и качества предоставляемых информационных услуг. Анализ показал, что возникает спрос на пакет новых услуг, которые пользователь может получить через Интернет. Электронная почта и электронная коммерция через Интернет оказываются самыми динамичными и востребованными услугами. Формирование и доставка населению новых информационных услуг базируются на решении достаточно сложных научных проблем идеологии построения широкополосных сетей интегрального обслуживания. Переход к широкополосным сетям требует применения дорогостоящих широкополосных, например, оптоволоконных каналов связи. Автором оцениваются возможности использования для этих целей СКТВ. Построение на базе существующих СКТВ мультисервисной развивающейся системы предполагает выделение ряда уровней сети (магистральной, распределительной, абонентской), организацию интерфейса между пользователем и системой, понятного массовому абоненту, решение ряда проблем доставки информации с оптимальным использованием физических параметров СКТВ. Единой стратегии формирования широкополосной сети на базе существующих СКТВ нет. В диссертации обосновывается эволюционный путь развития. Учитывая трудоемкость разработки и необходимость своевременного увеличения спектра предоставляемых абонентам информационных услуг, показано, что в условиях существующих ограничений систему целесообразно создавать на основе системного подхода поэтапно.

Во второй главе в рамках предложенной методики построения мультисервисной системы автором проведен анализ и выполнена оценка приоритетности информационных потребностей с использованием данных кабельных операторов: СПбКТВ, Телеинком, Пакт, ТелеСет, Аскател, Сат, Онега, Твикс и потребностей бизнес пользователей. Для пяти бальной системы оценки и при равной степени доверия к данным операторов и бизнес пользователей получены следующие результаты: просмотр TV программ (4,5), доступ в INTERNET (3,9), телефон (через кабельную сеть) (3,5), кино по запросу (3,3), справочная информация (3,2), охранная / пожарная сигнализация

(3,0), видео по запросу (2,4), теле контроль счетчиков (2,1), новости по запросу (2,0), медицинская и социальная помощь на дому (2,0), электронные игры (1,8), теле магазин (1,7), обучение на расстоянии (1,7), доступ к удаленным базам данных (1,6), теле работа (работа из дома) (1,6), теле банк (1,4). видеоконференция (1,0), видеотелефон (0.9, теле голосование (0,8), наложение изображения, звука по запросу (0,2). Значения приоритетов информационных услуг, указанные в скобках, позволяют более обоснованно сформулировать требования к мультисервисной системе. Следует отметить, что выполненный в диссертации прогноз информационных потребностей различных категорий пользователей на период 2005 -2010 гг., выявил возможность их изменения как по составу, так и по параметрам. В частности, сохраняется значительный приоритет доступа в Интернет, резко возрастает интерес к теле работе, телефонии через кабельную сеть, пожарной и охранной сигнализации, теле обучению, видео телефонии, видео конференции. Выявленные тенденции спроса на информационные услуги послужили основой для предложенных автором поэтапного сценария развития мультисервисной системы, комплекса требований к СКТВ, протоколам, интерфейсам, а также к разделению их функций как по параметрам блоков данных, так по подмножеству их значений. Это обусловлено тем, что каждая информационная услуга при заданном качестве ее доведения до пользователя должна быть поддержана сетью, соответствующим дружественным интерфейсом, программно-техническими решениями, обеспечивающими функционирование системы как в реальном, так и во псевдореальном масштабах времени, что необходимо при реализации запросов пользователей с записью отдельных видов информации на абонентских устройствах в их отсутствии.

В диссертации предлагается новая концепция построения способной к поэтапному развитию мультисервисной системы, отличающаяся учетом требуемой приоритетности предоставления информационных услуг при соблюдении требований к пропускной способности каналов связи для каждого участка перспективной СКТВ. Концепция включает следующие задачи:

• определение требований к мультисервисной системе;

• разработка модели функционирования сети системы,

• определение последовательности (этапности) создания системы;

• разработка топологии и структуры системы по этапам ее создания;

• определение сценария перехода от существующей сети к мультисервисной системе на базе интерактивной СКТВ;

• реализация принятого варианта построения мультисервисной системы.

Распределительные сети при реализации на базе коаксиального кабеля вносят ограничения по пропускной способности и скорости передачи информации. С развитием мультисервисной системы при возрастании количества и качества услуг следует рекомендовать доведение оптоволоконной линии до дома или группы домов. При этом возможны разные варианты структур распределительной и абонентской сетей. В целом гибридная сеть мультисервисной системы представляет собой большую по числу составляющих и сложную по связям телекоммуникационную структуру и состоит из многих устройств различных производителей Управление такой сетью возможно только при наличии стандартных, не зависящих от производителя протоколов управления первичной и вторичной сетью. На базе анализа достоинств и недостатков трех основных методов построения систем управления

такими сетями с использованием протокола SNMP (Simple Network Management Protocol - Простой Протокол Управления Сетью), частных (фирменных) протоколов управления, разрабатываемых для нестандартных сетевых технологий (например. HFC сети) и имеющих стандартные интерфейсы для интеграции с универсальными платформами управления сетью, и открытой архитектуры TMN (Telecommunications Management Network - Сеть Управления Связью) была выбрана и обоснована архитектура системы управления сетью на базе двух протоколов. При этом построение системы управления первичной сетью предлагается осуществить на базе протокола SNMP. Целесообразность его применения обосновывается тем, что как протокол прикладного уровня он может помимо протоколов UDP и 1Р использовать в качестве транспортного любой другой протокол. Интеллектуальность управления сосредоточена на станциях управления для того, чтобы агенты SNMP были как можно более простые и потребляли как можно меньшие ресурсы устройств, что соответствует уровню первичной сети. Модель управления сетью на базе протокола SNMP состоит из следующих компонентов: управляемых узлов, станций управления (менеджеров), управляющей информации, протокола управления. Управляемыми узлами могут быть маршрутизаторы, коммутаторы, кабельные контроллеры и модемы, модули головной станции, оптоволоконные трансиверы и узлы, а также любые другие устройства, способные сообщать информацию о своем состоянии. Чтобы ими можно было управлять с помощью SNMP, узел должен выполнять управляющий процесс SNMP, т.е., иметь агента SNMP. Каждый агент ведет собственную локальную базу данных о состоянии устройства и истории событий Таким способом каждое устройство поддерживает несколько переменных с описанием своего состояния. Все возможные переменные объединены в такую структуру, как база управляющей информации MIB (Management Information Base). Благодаря своей простоте и транспорту без установления соединения SNMP оказывается весьма эффективным протоколом.

Для управления вторичной сетью должна быть использована система управления на базе открытой архитектуры TMN. Эта сеть управления определена в стандарте М.ЗОЮ МСЭ-Т и ряде других сопутствующих стандартов и представляет собой систему управления неоднородной составной телекоммуникационной сетью, построенной на разных технологиях, оборудовании и программном обеспечении. В создании стандартов TMN участвовали практически все ведущие международные организации по стандартизации - ISO, ITU-T, ANSI, ETSI. Выбор стандартов TMN для управления вторичной сетью обусловлен положительным международным опытом их использования. Так, например, в стандарте ISO 7498-4 и рекомендации ITU-T Х.700 определены следующие группы функций:

1.Управление конфигурацией сети и именованием (Configuration management):

2,Обработка ошибок (Fault management);

3.Анагтиз производительности и надежности (Performance management);

4.Управление безопасностью (Security management);

5.Учет работы сети (Accounting management).

Разработчики TMN-платформ включают в свои продукты все достижения современных технологий в области распределенных приложений. Например, в эти платформы производители включают средства, порожденные технологией CORBA, предназначенной для построения универсальных распределенных объектно-ориентированных приложений. Это подтверждает тот факт, что TMN-платформы

отвечают идеологии открытых систем и являются перспективными с точки зрения развития мультисервисных систем в новых условиях функционирования. В соответствии с этим в диссертации предлагается реализовать управление вторичной сетью на базе открытой архитектуры TMN с применением стандартной системы управления и эксплуатационно-технического обслуживания (СУЭТО) ROSA.

Для решения задач доставки информационных услуг абонентам с использованием мультисервисной системы в диссертации разработана обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети. Положим, что цель мультисервисной системы по доставке информационных услуг реализуется за счет набора функций логических объектов открытых систем разных уровней. Для формализации воспользуемся теорией автоматов. Для логического объекта К-го уровня множество входных сигналов: X(t)=X, (t) X, (t) X,, (t), где: X, (t), X, (t), X,, (t) -множества входных сигналов, поступающих от объектов соответственно (K-l)-ro, К-го, (К+1)-го уровней.

Множество выходных сигналов объекта К-го уровня: Y(t)=Y, (t) Y s (t) Y ,, (t). Тогда состояние логического объекта Z(t) = G[X,, X,, Xh, Z(t-e), t] , a выходной сигнал Y(t) = H [Z(t)], где: G, H - соответственно операторы (функции) выхода и перехода логического элемента как автомата с памятью.

Выходные сигналы Y(, Ys, Y,, найдем, представив оператор Н в виде совокупности операторов в соответствии с выделенными ранее группами выходных сигналов:

Н = (F, W, Р), тогда Y,= F(Z), Y,= W(Z), Y„ = P(Z). Проведем формализацию процессов обмена данными. Для этого выделим в структуре логического объекта протокольный блок S (связь с логическим элементом этого же К-го уровня), интерфейсные блоки Р и F (связи с логическими элементами (К+1)-го и (K-l)-ro уровней). Объединяя сигналы разных уровней, получим алгоритмы функционирования отдельных участков сети. Например, алгоритм совместного функционирования физического (1) и канального (2) уровней сети примет вид:

Z, = G, {Xsl, F, [Z, (t-e)],Z, (t-e), t}; Z, =GJ{P,[ZI(t-e)],XIJ, XM,Z,(t-

e), t},

Y„ = W,(Z,), Ys2 = W:(Z,), Y„, = P,(Z2), где: (t-e) - момент времени, предшествующий моменту t.

Аналогичным образом могут быть найдены выражения для алгоритма совместного функционирования объектов трех и более уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем. На основе теоретико-множественного подхода получено также формальное определение понятий протокола и интерфейса для информационной сети интегрального обслуживания. Если выделить из функции перехода G функции переходов G,, G,, G(l, и учесть, что Н = (F. W, Р), , то функционирование объекта может быть формально записано в виде:

для протокольного блока [(К) -(К)]: Z, = GJX,, Z,(t-e), t], Y, = W(ZJ; для интерфейсного блока [(K-l) - (К)]: Z, = G,[X,, Z,(t-e), t], Y, =F(Z,); для интерфейсного блока [(К) - (К+1)]: Zh = G„[Xh,Zk(t-e), t], Y„ = P(Z,,). Для протокола взаимодействия открытых систем i, j , находящихся на К-том уровне, можно записать кортеж вида:

PR,, = [C„, C„, W„, W„, Z„, Z„, G„, G J, где C„, C„ - связи по входным и выходным сигналам между взаимодействующими открытыми системами.

Алгоритм функционирования протокола получен в виде:

Z,=Gf{W[Z. (t-e)], ZSJ (t-e), t},

Z„ =G„ {W[Zsy(t-e)], ZB(1-е), t}.

Соответственно для интерфейса можно записать кортеж

И(1) = {Ci.(t+o. Пвд, F,(ltl), ZM1), Zi(M), GM), G,(UI)}, где связи между

открытыми системами соседних уровней С, =Х,(1_|) = Y,,,,,, С = Y,(lll)= X,li(l.

11 Алгоритм функционирования интерфейса имеет вид:

{F Л»)

{П (t-e)],Z (t-e),t}.

На основе данной формализации в диссертации предложена методика сравнения протоколов и интерфейсов с разделением выполняемых функций по подмножеству управляемых параметров, число которых определяется типом протокола. Это позволяет отобразить на модели предоставление пользователям различных информационных услуг. Наиболее существенным фактором оказывается их динамика, которая задает скорость передачи программ информационных услуг и. как следствие, требования к пропускной способности прямого и обратного каналов Последнее должно быть учтено как при выборе физической линии связи, так и при выборе протокола. В соответствии с этим предложенное формальное описание позволяет представлять протоколы и интерфейсы с декомпозицией их функций по обработке раздельных блоков данных. Выделены обобщенные функции по управлению логическими и информационными каналами и по управлению данными (пакетами данных). Предлагается разделение функций обработки по подмножествам управляемых параметров блоков коммутируемых данных и по подмножествам значений параметров. При первом подходе к разделению функций для случая симметричного протокола PR = [С, W, Z, G].

Функционирование логического объекта, реализующего этот протокол, можно описать соотношениями автомата как: Z,=G,[X„Zf (t-e),t]_ Y.=W(Z,).

Если в дальнейшем рассмотреть функционирование только этого протокола, то можно опустить индекс номера уровня открытой системы Тогда Z = G[X, Z(t-e), t], Y = W(Z).

( Пусть входные и выходные блоки данных логического объекта, реализующего

данный протокол, определяются входным и выходным векторами Х = (Х,,Х:,...ХД ¥ = (¥,,¥,,...¥,), где

L- общее число функций обработки, реализуемых логическим объектом. При необходимости выделения К функций из общего их числа L сформируем новые вектора по каждой группе обработки. Тогда входные вектора можно записать в виде' Х„ =[Xel, Х„,, ...Xirf), Х6 = [Хы, Х6:, ...Хб1), а выходные как:

а - первое подмножество управляемых параметров блоков коммутируемых данных, б - второе подмножество управляемых параметров блоков коммутируемых данных. Очевидно, что число подмножеств зависит от типа интерфейса или протокола и могут существовать Х„,УХ,,У , и т.д.

Тогда для выделенного подмножества 1 (1 = а,б,в.г...) соотношения автомата примут вид

Ъ, =0,[Х,,г,(1-е),1],

При разделении функций по подмножеству управляемых параметров число таких соотношений будет определяться количеством выделенных для анализа групп функций. В диссертации рассмотрены пути раздельной формализации обработки служебной и пользовательской информации.

Реализацию интерфейсов в мультисервисной системе предлагается осуществить на основе принципа «клиент-сервер». На базе сравнительного анализа многоуровневых архитектур жесткого и гибкого пользовательского интерфейсов рекомендуется использовать гибкое распределение функций между клиентскими приложениями. Такая архитектура может оказаться единственно приемлемой для будущих операторов мультисервисной системы при формировании в рамках биллинговой системы отчетных документов финансово-учетного характера. Она является прогрессивной и для абонентов, позволяя им самостоятельно формировать информацию запросного характера как по предоставляемым информационным услугам, так и по расчетам. В диссертации приводится гибкая многоуровневая архитектура интерфейса этого типа, обеспечивающая формирование услуг и расчетов по ним в виде, адаптированном к требованиям абонента. Гибкость абонентского оборудования относительно запросов пользователей и требований времени повышает перспективность продвижения создаваемой мультисервисной системы на рынок услуг, так как обеспечивается удобство взаимодействия пользователя с системой за счет рационального построения абонентской части

В третьей главе разрабатывается методика построения мультисервисной системы, включающая: анализ возможностей существующих сетей кабельного телевидения, формулировку требований к сети комплексного предоставления информационных услуг, определение этапов создания системы (с учетом ее развития) и их содержания, разработку топологии сети и структуры системы на каждом этапе, выбор системы управления первичной и вторичной сетью, определение рационального сценария перехода от существующей сети кабельного телевидения к мультисервисной системе с полным набором информационных услуг, разработку архитектуры абонентского доступа. Анализ структур существующих СКТВ показал, что их топология определяется размещением передающих устройств и абонентов, а требования к ним формируются в значительной степени в зависимости от функций, реализуемых сетями К основным определяющим функциям относятся вещательная функция и функция доступа к широкополосным услугам. Вещательная функция это функция доставки абонентам СКТВ услуг вещательной информации, которая занимает 80-90% пропускной способности сети и включает в себя следующие виды вещательных услуг:

- традиционное аналоговое и закрытое аналоговое ТВ вещание;

- открытое и закрытое цифровое ТВ вещание;

- аналоговое FM и цифровое звуковое вещание, а также информацию МЧС о чрезвычайных ситуациях и информацию местных органов власти. Функция доступа к широкополосным услугам — это функция предоставления абонентам СКТВ индивидуальных услуг по обмену различной, в том числе мультимедийной, информацией по запросу абонента. В соответствии с этим предлагается поэтапный сценарий создания мультисервисной системы. На основе сравнительного анализа структур магистральной, распределительной и абонентской сетей с учетом организации обратного канала оцениваются различные варианты структурной реализации сети («в линию», «звезда», «кольцо»), В плане развития системы рассмотрены варианты гибридных сетей радиально-узловой и радиально-кольцевой структуры. Рекомендуется при повышенных требованиях к надежности доставки информации для построения магистральной транспортной сети использовать «кольцевую» структуру с применением технологий SDH и ATM, обеспечивающих высокие скорости передачи информации (155, 622 Мбит/с и 2,5 Гбит/с). На определенном этапе развития системы оказывается рациональным использование гибридной сети. Поэтому особое внимание было уделено согласованию магистральной (оптоволоконной) и распределительной (коаксиальной) сетей. Рассмотрены варианты сетей абонентского доступа, включая доступ к услугам телефонной сети и реализацию на абонентском уровне интегральной платформы передачи мультимедиа услуг. Исходя из эволюционного принципа развития, предложено три этапа создания системы. За критерии разделения этапов приняты требуемый спектр предоставляемых информационных услуг и возможности реализации мультисервисной системы на базе развивающихся каналов связи На каждом этапе предлагается ряд альтернативных вариантов реализации системы. В соответствии с этим ставится задача выбора рационального пути развития системы.

Рис. 1.

За исходное состояние принимается существующая СКТВ без обратной, канала, ориентированная на доставку программ эфирного и спутникового

телевидения. На рис. I представлен граф, определяющий предложенный сценарий перехода от существующей СКТВ к мультисервисной системе с полным набором информационных услуг. Вершины графа отображают проанализированные автором варианты построения системы. Переход к системе первого этапа осуществляется путем введения обратного канала и предполагает обеспечение абонентов услугами по запросу: видео по запросу (узел 2) или дополнительно к этому: видео телефония, Интернет, электронная почта (узел 3). На втором этапе рекомендуется расширение кабельной сети до гибридной сети, в которой на магистральном уровне реализуется оптоволоконная линия связи, что обеспечивает предоставление абонентам информационных услуг, поддерживаемых широкополосным каналом. При этом возможна радиально узловая (узлы 4,5) или кольцевая (узлы 6,7) структуры гибридной сети с доведением волоконно-оптического кабеля до группы домов (узлы 4,7) или до каждого дома (узлы 5, 6). Третий этап развития системы ориентирован на доведение волоконно-оптической линии связи до многоквартирного дома и установкой в доме ATM мультиплексора (узел 8) или ATM коммутатора и ATM концентраторов (узел 9). Учитывая много вариантность построения системы на каждом этапе, на основе алгоритма Дейкстры найден рациональный путь развития системы (отображен на графе утолщенной линией). За вес узла были приняты затраты на переход к следующему варианту, включающие в себя расходы на реализацию и доходы от введения новых информационных услуг. В результате трехэтапного эволюционного развития существующая СКТВ преобразуется в мультисервисную систему с полным набором услуг. В диссертации для каждого из десяти вариантов приведены топология и структура системы.

Учитывая, что степень прозрачности мультисервисной системы для конечного пользователя определяется во многом возможностями его взаимодействия с системой, в диссертации осуществлен выбор архитектуры абонентского доступа, которую предлагается реализовать на основе интегральной платформы передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS, и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box). Для обоснования этого было проведено сравнение протоколов DOCSIS 1.x, Euro-DOCSIS, DVB-RC, удовлетворяющих требованиям высокоскоростного обмена информации на базе BOJIC (по набору предоставляемых услуг, скорости передачи информации, производительности, уровню защиты информации, типу базового протокола, распределению частотных диапазонов в прямом и в обратном каналах). Учитывая, что протокол Euro-DOCSIS обеспечивает в прямом канале скорость передачи информации 52Мбит/с при ширине полосы одного выделенного канала 8МГц и скорость передачи в обратном канале ЗОМбит/с при ширине полосы канала 6МГц. возникает необходимость перехода к новому типу модема. В качестве альтернативных вариантов кабельных модемов были приняты: NeMo cable modem; Phazer cable modem, Juno cable modem. Проведенный сравнительный анализ свойств и технических характеристик (рабочая ширина полосы, скорость передачи данных тип модуляции и др.) позволяет рекомендовать к применению в структуре абонентской приставки Pazer cable modem либо Juno cable modem в зависимости от конструкции и назначения. В схеме сетевого адаптера STB предлагается предусмотреть память для записи программ в отсутствии пользователя

В четвертой главе рассматривается методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ услуг, соответствующих

информационным потребностям пользователей, а также приводится разработанный автором экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий управление поиском, записью и удалением программ информационных услуг. Это отвечает задаче предоставления абоненту возможности получать затребованную им информацию в удобное ддя него время. Возникает проблема оценки требуемого объема памяти абонентского устройства. Этот объем предлагается определять на основе экспериментального исследования потоков информации передаваемых программ информационных услуг. Каждая передача рассматривается в эксперименте как случайное событие. Случайной величиной является объем передаваемой программы. Построение эмпирической функции распределения выполним в виде гистограммы. Для этого на первом шаге определим диапазон изменения случайноГ' величины и упорядочим экспериментальные значения. На втором шаге выберем равные между собой интервалы изменения случайной величины, в которых размещается одинаковое количество выборок. На третьем шаге установим число попаданий случайной величины в каждый из принятых интервалов, и определим ординаты получаемой гистограммы по формуле:

" " 0 фс < О

Ь1=ТаХАХ1 )'"(«, >где: г(х)= ' ' ~ ; а-точки раздела

интервалов.

Ь.=0,397

Ь 2=0,243 Ь4 =0,224

Ь, =0,136 -►

110 140 170 200 230

Мбайт

Рис. 2. Ь 2 =0,383

Ь з=0,331

Ь, =0,165 Ь4 =0,121

--►

140 170 200 230 260

Мбайт

Рис. 3.

На четвертом шаге по этим ординатам построим гистограмму, огибающая которой задает эмпирический закон распределения случайной величины. При проведении эксперимента важно было учесть влияние типа информационной услуги на требования, предъявляемые к мультисервиеной системе. Определяющим фактором

и

является динамика процесса доставки услуги, которая задает скорость передачи, требуемую пропускную способность канала связи, а также необходимый для записи объем памяти абонентского адаптера. Для сравнения были выбраны противоположные по динамике программы информационных услуг: программа новостей как достаточно статичная и программа спорта как наиболее динамичная услуга. На рис 2 представлена гистограмма экспериментального распределения объемов передач программы новостей, на рис. 3 - соответствующая гистограмма для программы спорта, полученные по результатам исследования реального канала связи для 5-минутной передачи информации. Задача параметризации, т.е. нахождение оценок параметров теоретической функции распределения, решается в диссертации с использованием критерия «хи-квадрат», по которому оценивается, насколько согласуется эмпирический закон с каким-то известным теоретическим законом распределения. Показано, что полученные экспериментальные распределения соответствуют нормальному закону (для эксперимента по программе новостей с математическим ожиданием ц =177 и среднеквадратичным отклонением а - 28 5 и для эксперимента по программе спорта - ц =198,6, а = 24 7). Точность аппроксимации подтверждена для уровня значимости, соответствующего вероятности принятия гипотезы Р=0.9974. По рассчитанным параметрам построены гистограммы теоретических распределений. На рис. 4 представлена гистограмма теоретического

Ь3=0.387

Ь2=0,3 061

1)1=0.086

1)4=0.179

110 140 170 200 230 Рис.4

Ь2=0,399 Ь3=0.375

Мбайт

Ь,=0.115

Ь4=0.095

140 170 200 230 260

Рис. 5

Мбайт

распределения объемов передач программы новостей, на рис. 5 - соответствующая гистограмма для программы спорта. Для записи 5 минутной передачи программы новостей требуемый объем памяти найден как: М + 3<т = 262.7 Мбайт, а для

программы спорта - М + - 272.7 Мбайт. Таким образом, разработанная методика позволяет с учетом предоставляемых информационных услуг определить требуемый объем памяти абонентского адаптера мультисервисной системы на основе экспериментальных данных анализа объемов передаваемых программ.

Существенным для абонента является интерфейс взаимодействия с системой. Автором предлагается пользовательский интерфейс, реализованный до уровня меню на экране. Разработаны экранные пользовательские меню: «Записи», «Поиск программы», «Установка записи». Предусмотрен доступ абонента по паролю, автоматическая запись и удаление программ, запись программ по различным признакам и т.д. В целом разработанный пользовательский интерфейс реализует новые возможности абонента по записи желаемых программ в его отсутствии и управление этими записями.

Ш. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты, составляющие основу методологии построения мультисервисных систем:

1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания как базовая составляющая мультисервисной системы, учитывающая особенности взаимодействия различных уровней сети при предоставлении информационных услуг, что позволяет формализовать поведение протоколов и интерфейсов с разделением функций, как по параметрам блоков данных, так и по подмножествам их значений.

2.Поэтапный сценарий создания мультисервисной системы, включающий набор структур системы и топологий сети, ориентированных на заданный уровень предоставляемых информационных услуг, с возможностью выбора рационального варианта из альтернативных на каждом этапе, что позволяет на практике реализовать предложенную методику построения системы.

3.Методика построения способной к развитию мультисервисной системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения, базирующаяся на системном подходе и учитывающая полученную экспертным путем реальную приоритетность информационных потребностей пользователей, а также возможности совершенствования существующей сети, что позволяет реализовать эволюционный путь перехода к системе с предоставлением полного набора информационных услуг.

4.Архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box), что позволяет впервые реализовать новые функции по интеграции предоставляемых услуг с записью программ по запросу абонента в его отсутствии.

5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ информационных услуг, построенных на основе результатов экспериментального исследования потоков информации в реальном канале связи, что позволило по параметрам распределений найти требуемый объем памяти абонентского адаптера, достаточный для записи программ по запросу в отсутствии абонента.

б.Инвариантный к способам реализации абонентских устройств экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий управление записью программ, их поиск, регистрацию и удаление, что позволяет пользователю на доступном уровне конструировать требуемый перечень информационных услуг с желаемой последовательностью их предоставления.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Советова М.Б. Выбор протоколов канального уровня для предоставления комплекса информационных услуг населению на базе интерактивной сети кабельного телевидения. // Тезисы докладов VII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика-2000 РИ- 2000». СПб. 2000. С. 72-73.

2.Советова М.Б. Подходы к созданию мультисервисной системы на базе сети кабельного телевидения // Материалы II Всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения». Воронеж. 2002. Вып. 2. С. 247248.

3.Советова М.Б. Формализация взаимодействия уровней сети мультисервисной системы. // Телекоммуникационные технологии. СПб. 2002. Вып. 1. С. 46-51.

4.Советова М.Б. Экспериментальное исследование и аппроксимация закона распределения передач в сети мультисервисной системы. // Телекоммуникационные технологии. СПб. 2002. Вып. 1. С. 52-59.

5.Советова М.Б. Переход к цифровым сетям как средство интеграции информационного обслуживания пользователей. // Известия СПбГЭТУ. СПб. 2002. Вып. 3. С. 52-56.

6.Советова М.Б. Автоматные модели протоколов и интерфейсов.// Материалы VIII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 2002 РИ-2002». СПб., 2002.С. 85-86.

7.Советова М.Б. Граф развития мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения. // Сб. докладов Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии УИТ-2003». СПб. 2003. Том 2. С 22-26.

8.Шибанов B.C., Советова М.Б. Концепция создания мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения. // Тезисы докладов VII Санкт- Петербургской международной конференции «Региональная информатика-2000» РИ-2000». СПб. 2000. С 75

9.Шибанов B.C., Советова М.Б. Системный подход к построению мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения. // Материалы VIII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика-2002 РИ-2002». СПб. 2002. С. 81-82.

I

ЛР№ 020617 от 24. 06. 98

Подписано в печать 10.06.03. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. _Тираж 100 экз. Заказ 71._

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

¿2148b

i

i

Введение.

ГЛАВА 1.

Проблема создания мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения.

1.1 Задачи интеграции информационного обслуживания пользователей в условиях перехода к информационному обществу.

О 1.2. Оценка возможностей применения сетей кабельного телевидения

СКТВ) для предоставления информационных услуг пользователям.

1.3. Формулировка проблемы построения мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения.

1.4. Постановка задачи исследования.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2.

Подход к построению мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения.

2.1 .Анализ и оценка приоритетности информационных 1 потребностей пользователей.

2.2.Формулировка основных принципов построения мультисервисной системы.

2.3. Выбор системы управления сетью.

2.4.Построение обобщенной математической модели функционирования цифровой сети.

2.5. Реализация интерфейсов по принципу «клиент-сервер».

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.

Разработка топологии и структуры мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения

3.1. Сравнительный анализ структур существующих сетей кабельного телевидения.

3.2. Анализ возможных вариантов топологии и структуры мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения.

3.3. Формирование поэтапного сценария создания мультисервисной системы.

3.4. Выбор и обоснование архитектуры абонентского доступа.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4.

Методика получения и характеристики распределения объемов передаваемых программ информационных услуг (на примере телевизионных программ новостей и спорта).

4.1. Постановка задачи и математические основы эксперимента по статистическому анализу объемов информации передаваемых программ.

4.2. Построение эмпирических моделей потоков информации.

4.3. Аппроксимация экспериментальных зависимостей теоретическим законом распределения.

4.4. Экранный пользовательский интерфейс поиска, записи и удаления программ информационных услуг.

Выводы по главе 4.

Среди основных факторов, которые указывают на высокое благосостояние нации, приоритетное место занимает уровень развития телекоммуникационной инфраструктуры. Технологии оптоволоконной и беспроводной связи постоянно совершенствуются. Переход к технологиям цифровой связи приведет к сближению служб передачи и распространения информации с другими информационными службами и откроет перспективы всемирных глобальных сетей для каждого человека. Особо важно определить место коммуникационной среды на отдельных этапах перехода к информационному обществу. Если на первом этапе (этапе компьютеризации) роль телекоммуникаций была не определяющей, то уже на втором этапе (этапе формирования информационного фонда) эта роль значительно возрастает по причине необходимости добывать информацию из сети. Третий этап (этап социализации информационного фонда) немыслим без телекоммуникаций, обеспечивающих свободный доступ каждому члену информационного общества к мировым информационным ресурсам. Если коммуникационные услуги уже достаточно известны и стали привычными для современного человека, то в условиях перехода к информационному обществу возник и интенсивно развивается новый класс услуг - услуги информационные. Эти услуги должны соответствовать информационным потребностям пользователей. Весьма важным оказывается аспект комплексности, как с точки зрения количества и качества предоставляемых информационных услуг, так и с точки зрения объединения в единую систему различных пользователей, таких как: население, организации, хозяйствующие субъекты и др. Совмещение различных видов обслуживания в одной сети привело к возникновению сетей интегрального обслуживания. Условиям интеграции сигналов в каналах связи и пользователей на абонентском уровне по многим характеристикам могут удовлетворить широкополосные сети кабельного телевидения (СКТВ), входящие в структуру систем принципиально нового типа, так называемых, мультисервисных систем [1]. Проблемы построения мультисервисных систем не достаточно отражены в научно-технической литературе. Принципам построения мультисервисных сетей кабельного телевидения посвящены работы российских авторов: Шибанова B.C., Барабаша П.А., Воробьева С.П., Махровского О.В. [1, 22, 23]. Построение сетей интегрального обслуживания нашло отражение в работах авторов: Захарова Г.П., Лазарева В.Г., Мизина И.А., Яковлева С.А. [11, 13, 18, 25]. Методология общей системологии, проблемы системного анализа, теория сложных систем раскрыты в трудах зарубежных и российских авторов: Месаровича М., Такахара Я, Вавилова А.А., Моисеева Н.Н., Фомина Б.Ф. [4,24,45]. Мультисервисную систему по числу элементов и связям между ними можно отнести к классу больших и сложных систем, анализ и синтез которых возможен на базе системного подхода. В работах [6, 12, 46, 52] рассмотрена общая методика формализации цифровых сетей интегрального обслуживания, сформулированы проблема и принципы построения мультисервисных сетей кабельного телевидения, службы и услуги, предоставляемые ими. Несмотря на наличие этих работ, в настоящее время еще не сформировалась единая методика, охватывающая системно комплекс проблем построения развивающихся мультисервисных систем. Сохраняется противоречие между наличием в России развитого ресурса в виде сетей кабельного телевидения и низкой эффективностью его использования при все возрастающем уровне потребностей в информационных услугах. Таким образом, построение мультисервисных систем на современном этапе требует разработки совокупности теоретических и прикладных проблем, не решенных комплексно ни в России, ни за рубежом, исследование в данном направлении является актуальным.

Цель диссертационной работы заключается в построении способной к развитию мультисервисной системы с интеграцией информационных услуг, предоставляемых пользователям, на базе интерактивной сети кабельного телевидения.

Основные задачи диссертации в соответствии с поставленной целью можно сформулировать следующим образом:

1 .Построение обобщенной математической модели функционирования цифровой сети.

2.Формирование поэтапного сценария создания мультисервисной системы.

3.Разработка методики построения способной к развитию мультисервисной системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения.

4.Разработка архитектуры абонентского доступа к информационным услугам, предоставляемым мультисервисной системой.

5.Построение методики получения и определение характеристик распределения объемов передаваемых программ информационных услуг.

6. Создание экранного пользовательского интерфейса, обеспечивающего управление поиском, записью и удалением программ информационных услуг.

Новизна предлагаемого подхода состоит в том, что в основу построения системы закладываются информационные потребности пользователей с приоритетами, установленными из экспертных оценок, и заключается:

- в разработке обобщенной математической модели функционирования сети с формализацией протоколов и интерфейсов;

- в выборе рационального пути и сценария развития мульсервисной системы с раскрытием ее структуры и топологии сети на каждом этапе создания;

- в базирующейся на системном подходе методике построения перспективной мультисервисной системы;

- в методике оценки объема памяти абонентского адаптера на основе математической модели объемов передаваемых программ информационных услуг;

- в создании пользовательского интерфейса управления записью программ при отсутствии абонента по его запросу.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе применен системный подход, что нашло отражение в формулировке цели, критериев, ограничений при формировании общей идеологии построения мультисервисной системы, выборе топологии различных уровней сети, структур поэтапного развития системы. Постановка и решение конкретных задач исследования базируются на использовании математического аппарата конечных автоматов, теории графов и аппарата математической статистики.

Методика исследования проблемы построения мультисервисной системы включает следующие основные этапы:

- системный анализ предметной области на основе зарубежных и российских литературных источников, а также материалов исследований, выполненных в рамках Европейской исследовательской программы «Advanced Communications Technologies & Services (ACTS)» («Передовые услуги и технологии связи»);

- постановку задачи построения системы с учетом имеющихся ограничений по приоритетам востребованных информационных услуг и возможностей реализации такой системы на имеющейся программно-технической базе;

- построение обобщенной математической модели функционирования сети с описанием протоколов и интерфейсов и последующим их выбором;

- разработку структуры системы и топологии сети с учетом их многоэтапного эволюционного развития;

- построение математических моделей объемов передач программ информационных услуг для реальных каналов связи;

- выбор структуры абонентского адаптера с функцией записи программ в отсутствии абонента.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: 1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания как базовой составляющей мультисервисной системы, отличающаяся учетом особенностей взаимодействия различных уровней сети при предоставлении информационных услуг, что позволяет формализовать поведение протоколов и интерфейсов с разделением функций как по параметрам блоков данных, так и по подмножествам их значений.

2.Поэтапный сценарий создания мультисервисной системы, включающий набор структур системы и топологий сети, ориентированных на заданный уровень предоставляемых информационных услуг, и отличающийся возможностью выбора рационального варианта из альтернативных на каждом этапе, что позволяет на практике реализовать предложенную методику построения системы.

3.Методика построения способной к развитию мультисервисной системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения, отличающаяся тем, что базируется на оценке требуемой приоритетности предоставления информационных услуг и возможностей совершенствования существующей сети, что позволяет реализовать эволюционный путь перехода к системе с полным набором услуг.

4.Архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг, и отличающаяся использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box), что позволяет впервые реализовать новые функции по интеграции предоставляемых услуг с записью программ по запросу абонента в его отсутствии.

5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей, отличающаяся использованием в качестве базовых экспериментальных данных исследования потоков информационных услуг в реальных каналах связи, что позволяет найти требуемый объем памяти абонентских адаптеров или других оконечных устройств. б.Экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий управление поиском, записью и удалением программ, и отличающийся инвариантностью к способам реализации абонентских устройств, что позволяет пользователю на доступном уровне конструировать требуемый перечень информационных услуг с желаемой последовательностью их предоставления.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации методика построения мультисервисной системы на базе системного подхода может быть непосредственно использована при системном проектировании перспективных мультисервисных систем на каждом этапе их развития. Рекомендации по выбору топологии сетей, системы управления сетью, типов протоколов и кабельных модемов могут найти практическое применение на стадии технического проектирования мультисервисных систем. Предложенный сценарий создания системы, принципиально отличающийся своей перспективностью от этапов реализации Санкт-Петербургской мультисервисной сети, может стать основанием пересмотра информационной политики города в части предоставления информационных услуг населению, деловым кругам и организациям. Разработанный автором экранный пользовательский интерфейс поддерживает расширение рынка доведения новых услуг до абонентов.

Реализация в промышленности. Предложенная архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS, и абонентского адаптера STB с записью программ информационных услуг в отсутствии абонента,'а также реализованный автором экранный интерфейс были использованы в научно-исследовательской работе «Integrated Broadband Communications on Broadcast Networks (IBCoBN), выполненной ГУП НИИ «Рубин» по контракту с Европейской

Комиссией, в ОКР «Мультиканал-Р», выполняемой в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» и в НИОКР по заказу Минсвязи России «Стратегия развития мультисервисных сетей» (НИР «Концепция») и «Обратный канал в мультисервисных сетях» (ОКР «Стандарт-ОК»). В указанных работах для оценки верхней границы памяти абонентского адаптера нашли также применение методика получения и найденные автором характеристики распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей.

Реализация в учебном процессе. Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания и базирующаяся на ней формализация протоколов и интерфейсов, а также предложения по построению гибридных и оптоволоконных сетей использованы в учебном процессе при обучении студентов в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплинам: «Распределенные системы обработки данных» и «Новые информационные технологии в управлении и связи» специальности 220200 -Автоматизированные системы обработки информации и управления.

Результаты, выносимые на защиту.

1.Обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания как базовой составляющей мультисервисной системы.

2.Поэтапный сценарий создания мультисервисной системы, включающий набор структур системы и топологий сети, ориентированных на заданный уровень предоставляемых информационных услуг.

3.Методика построения способной к развитию мультисервисной системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения

4.Архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS, и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box).

5.Методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ, соответствующих информационным потребностям пользователей. б.Экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий управление поиском, записью и удалением программ.

Выводы по главе 4.

1 .Разработана методика определения объема памяти абонентского адаптера мультисервисной системы на основе экспериментальных данных анализа объемов передаваемых программ информационных услуг.

2.Полученные гистограммы распределения вероятностей попадания случайных величин объемов передаваемых программ в определенные интервалы их значений позволили найти эмпирические законы распределения. В процессе эксперимента были определены скорость передачи и количество принятой информации за конечный интервал времени, что позволило реально подойти к оценке требуемого объема памяти абонентского адаптера.

3.Доказано, что построенные гистограммы теоретического распределения объемов ' передач программы новостей и программы спорта является достоверными по критерию «хи-квадрат» для уровня значимости, соответствующего вероятности Р,=0.9974.

4.Разработанный экранный пользовательский интерфейс позволяет абоненту осуществить наглядное взаимодействие с системой при поиске, записи и удалении программ, реализуя услугу по запросу в отсутствии абонента. Предложенный вариант абонентского адаптера расширяет сферу применения создаваемой иультисервисной системы и делает ее перспективной для дальнейшего развития.

Заключение

В результате проведенного исследования решены следующие основные задачи:

1.Построена обобщенная математическая модель функционирования цифровой сети интегрального обслуживания как базовой составляющей мультисервисной системы, учитывающая особенности взаимодействия различных уровней сети при предоставлении информационных услуг, что позволяет формализовать поведение протоколов и интерфейсов с разделением их функций как по параметрам блоков данных, так и по подмножествам их значений.

2.Предложен поэтапный сценарий создания мультисервисной системы, включающий набор структур системы и топологий сети, ориентированных на заданный уровень предоставляемых информационных услуг, с возможностью выбора рационального варианта из альтернативных на каждом этапе, что позволяет на практике реализовать предложенную методику построения системы.

3.Разработана методика построения способной к развитию мультисервисной системы на основе интерактивной сети кабельного телевидения, базирующаяся на системном подходе и учитывающая полученную экспертным путем реальную приоритетность информационных потребностей пользователей, а также возможности совершенствования существующей сети, что позволяет реализовать эволюционный путь перехода к системе с предоставлением полного набора информационных услуг.

4.Предложена архитектура абонентского доступа, базирующаяся на интегральной платформе передачи мультимедиа услуг с использованием кабельного модема, работающего с протоколом Euro-DOCSIS (Data-Over-Cable Service Interface Specifications), и абонентского адаптера STB (Set-Top-Box), что позволяет впервые реализовать новые функции по интеграции предоставляемых услуг с записью программ по запросу абонента в его отсутствии.

5.Предложена методика определения характеристик распределений объемов передаваемых программ информационных услуг, построенных на основе результатов экспериментального исследования потоков информации в реальном канале связи, что позволило по рассчитанным параметрам распределений найти требуемый объем памяти абонентского адаптера, достаточный для записи программ по запросу в отсутствии абонента. б.Разработан инвариантный к способам реализации абонентских устройств экранный пользовательский интерфейс, обеспечивающий поиск, запись и удаление программ, что позволяет пользователю на доступном уровне конструировать требуемый перечень информационных услуг с желаемой последовательностью их предоставления.

В плане дальнейшего развития темы исследования целесообразно выделить следующие задачи:

1.Адаптация мультисервисной системы к новым информационным услугам будущего.

2.Совершенствование структуры системы и топологии сети и, как следствие, формирование новых путей развития системы.

3.Расширение области применения формализованных процедур при построении мультисервисной системы.

1. Барабаш П.А., Воробьев С.П., Махровский О.В., Шибанов B.C.{Под общей редакцией Шибанова B.C.). Мультисервисные сети кабельного телевидения. СПб.: Наука. 2000. 336 с.

2. Боккер П. Цифровая сеть с интеграцией служб. Понятия, методы, системы. М.: Радио и связь. 1991.

3. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных ^ систем. М.: Советское радио. 1973. 440 с.

4. Вавилов А.А. Структурный и параметрический синтез сложных систем. J1.: Изд во ЛЭТИ. 1979.

5. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее приложения. М.: Наука. 1991.

6. Воробьев С.П., Данилевский Ю.Г., Шибанов B.C. и др. Концепция цифровой сети интегрального обслуживания // Средства связи. 1989. №3. С. 3-10.

7. Гаскаров Д.В., Истомин Е.П., Кутузов О.И. Сетевые модели распределенных автоматизированных систем. СПб.: Энергоатомиздат. 1998. 353 с.

8. Гусева А.И. Технология межсетевых взаимодействий. М.: Бином. 1997. 238 с.

9. Данилевский Ю.Г., Петухов И.А., Шибанов B.C. Информационные технологии промышленности. Л.: Машиностроение. 1988. 284 с.

10. Ю.Дегтярев Ю.И. Системный анализ и исследование операций. М.: Высшая школа. 1996. 336 с.

11. П.Захаров Г.П., Шибанов B.C. Методы и организация математического моделирования сетей и систем связи // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1992. Вып. 1. 12.3ахаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь. 1982. 208с.

12. Колбанев М.О., Яковлев С.А. Модели и методы оценки характеристик обработки ^ информации в интеллектуальных сетях связи. СПб.: Изд. ГУ. 2002. 230 с.

13. Концепция развития информационно-телекоммуникационной инфраструктуры интерактивных многофункциональных сетей в России: Основные положения. М.:1. АКТР. 2000.

14. Концепция создания интегральной сети комплексного предоставления услуг населению, предприятиям и деловым кругам на базе систем кабельного телевидения. СПб.: ГП «Санкт-Петербургское кабельное телевидение», ГУЛ НИИ «Рубин», ООО «Информис». 1999.

15. Крупнов А.Е. На пути интеграции Российской национальной телекоммуникационно-информационной инфраструктуры в глобальную // Электросвязь. 1998 №2 (6). С. 8-14.

16. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. СПб.: Питер, 1999. 704 с.

17. Лазарев В.Г., Лазарев Ю.В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи. М.: Радио и связь. 1983. 216 с.

18. Материалы проекта TOBASCO. AC028AVP6.1/M-TEC/001. 1997. 20 .Материалы по оборудованию Motorola Cable Comm.

19. Материалы по оборудованию BayNetworks LanCity, Versalar.

20. Махровский О.В. Проекты европейской программы ACTS в области интерактивных цифровых мультимедиа-услуг // Телемультимедиа. 2000. № 1. С. 2-9.

21. Махровский О.В. Модель и алгоритм определения оптимальной стратегии развития интегральной сети // XIV Всесоюзная школа-семинар по вычислительным сетям. АН СССР. Минск. 1989.

22. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир. 1973. 344 с.

23. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов. М.: Радио и связь. 1986. 408 с.

24. Назаров А.Н., Симонов М.В. ATM технология высокоскоростных сетей. М.: Эко-Тренз. 1998.234 с.

25. Нечипоренко А.Н. xDSL: технологии высоких скоростей. Технологии и средств связи. № 5. Сентябрь октябрь, 1999. С. 18 - 28.28.0ре О. Теория графов. М.: Наука. 1968. 352 с.

26. Парвов С. Волоконно-оптический участок HFC-сети. Теле-Спутник. Кабельное телевидение. Справочник. 1999-2000.С.106- 107.

27. Перегудов Ф.И. Введение в системный анализ/ Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. М.: Высшая школа, 1989.

28. Песков С., Таценко В., Шишов А. Интегрированные интерактивные сети передачи кабельного телевидения // Телеспутник. 1966. №6.

29. Плетнев A.M. Сеть ATM в Москве // Вестник связи. 1997. № 4.

30. Проект АС 101 IBCoBN Интегральная широкополосная связь на широковещательных сетях. Отчетные материалы. 1996-1998.

31. Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник/ Под ред. Мизина И.А., Кулешова А.П. М: Радио и связь, 1990. 504 с.

32. Севальнев Л. Международный стандарт кодирования с информационным сжатием MPEG-2 // «625». 1996, 1997. №1.

33. Советова М.Б. Подходы к созданию мультисервисной системы на базе сети кабельного телевидения. // Материалы II Всероссийской научно-технической конференции «Теория конфликта и ее приложения». Воронеж. 2002. Вып. 2. С. 247248.

34. Советова М.Б. Формализация взаимодействия уровней сети мультисервисной системы. // Телекоммуникационные технологии. СПб. 2002. Вып. 1. С. 46-51.

35. Советова М.Б. Экспериментальное исследование и аппроксимация закона распределения передач в сети мультисервисной системы. // Телекоммуникационные технологии. СПб. 2002. Вып. 1. С. 52-59.

36. Советова М.Б. Переход к цифровым сетям как средство интеграции информационного обслуживания пользователей. // Известия СПбГЭТУ. СПб. 2002. Вып. 3. С. 52-56.

37. Советова М.Б. Автоматные модели протоколов и интерфейсов.// Материалы 8-ой Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика -2002 РИ-2002». СПб., 2002.С. 85-86.

38. Советова М.Б. Граф развития мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения. // Сб. докладов Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии УИТ-2003». СПб., 2003. Том 2. С. 22-26.

39. Спиридонов А.В. Электронный Санкт-Петербург // Компьютер-информ. N 23. 2003. С 8-9.

40. Стратегический план Санкт-Петербурга. СПб. 1998.

41. Фомин Б.Ф. Структурные свойства сложных систем // Технология системного моделирования / Под редакцией С.В. Емельянова и др. М.: Машиностроение; Берлин: Техника, 1988. С. 193-237.

42. Фомин Б.Ф., Яковлев В.Б. Имитационное моделирование производственных систем / Под редакцией С.В. Емельянова и B.C. Михалевича. Киев: Вища шк., 1992 .

43. Швецов А.Н., Яковлев С.А. Распределенные интеллектуальные информационные системы. СПб.: Изд- во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2003. 318 с.

44. Шевляков Л. Направленные ответвители для телевизионных кабельных сетей. Теле-Спутник. Кабельное телевидение. Справочник. 1999 -2000. С. 102 103.

45. Шибанов B.C., Лычагин Н.И., Серегин А.В. Средства автоматизации управления в системах связи. М.:Радио и связь. 1990. 232 с.

46. Шибанов B.C., Советова М.Б. Концепция создания мультисервисной системы на базе интерактивной сети кабельного телевидения. // Тезисы докладов 7-ой Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика-2000» РИ-2000». СПб. 2000. С 75.

47. Эволюционные сценарии развития гибридной волоконно-коаксиальной сети. Материалы проекта TOBASCO. AC028AVP6.1/TEC/001.1997.

48. Юсупов P.M., Заболотский В.П. Научно-методологические основы информатизации. СПб.: Наука. 2000. 456

49. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. М.: Финансы и статистика, 1995. 365 с.

50. Яновский Г.Г. Проблемы построения мультисервисных сетей // Юбил. науч. конф. «Связисты и телекоммуникации XXI века». СПб.: СПбГУТ. 2000. С. 49-56.

51. ACTS project. ВАС1 Access Network Strategies for Broadband Service Provisioning. Sept. 9. 1998.

52. Amoss JM Minoli D.IP Applications with ATM. McGraw-Hill Series on Computer Communications, 1998. 363 p.

53. Balaji K. Broadband Communications. NY.: McGraw-Hill, 1998. -595 p.

54. David E. Hands-on ATM. McGraw-Hill Series on Computer Communications, 1998. -629 p.

55. James S., Piscitello D., Phifer L. ISDN: Clearly Explained. AP Professional. 1997. -413 p.

56. Kessler G., Southwick P. ISDN. NY.: McGraw - Hill, 1998. - 795 p.

57. Gerald R. Dynamic Routing in Telecommunications Networks. NY.: McGraw-Hill,1997. -733 p.

58. George C., Metz C. ATM and Multiprotocol Networking. NY.: McGraw-Hill, Series on Computer Communications, 1996. - 321 p.

59. Griffiths J. M. ISDN Explained Worldwide Network and Applications Technology.1998.-289 p.

60. James D. Practical Computer Network Analysis and Design. Morgan Kaufmann Publishing Company, 1998. 357 p.

61. Integration definition for information modeling (IDEF IX). Federal Information Processing Standards Publication 184. 1993.

62. Kim J. В., Suda Т., Yoshimura M. International Standardisation of B-ISDN // Computer Network and ISDN Systems. 1994. V. 27. № 1. P. 5-27.

63. Koohong K., Cheeha K. Perfomance Analysis of Statistical Multiplexing of Heterogeneous Discrete-time Marcovian Arrival Processes in an ATM network // Computer Communications. 1997. - V. 20. - N.l 1. - P. 970-978.

64. Lye K., Seah C. Perfomance of a Delta ATM switch // Computer Communications. -1997. V.20. - N.13. - P.1203-1215.

65. Martin P. ATM Networks: Principles and Use. NY. - 1997. - 221 p.

66. Minoli D. Client/Server Applications on ATM Networks. USA: Manning, 1997. - 28972.01iver С. Essentials of ATM Networks and Services. MA.: Addison-Wesley, 1997. -217 p.

67. Pitts J.M., Schormans J.A. Introduction to ATM design and performance: with applications analysis software. John Wiley & Sons, 1996. 187 p.

68. Raif O., Rao C. Structure and use of signaling in B-ISDN// Computer Network and ISDN Systems. 1996. - V. 28. - N.4. - P. 307-323.

69. Raif O. Asynchronous Transfer Mode Networks: perfomamance issues. Secoond Edition. Artech House, 1995. 517 p.

70. Rainer H., Manfred N. ATM Networks, Concepts protocols, applications. 1998. - 315 P

71. Raju N. N., Ravi Mittal. ASET: Asimulator Toolkit for Perfomance Evaluation of ATM Switches // Computer Communications. 1997. - V.20. - N. 9. - P.759-771.

72. Tere D. LAN Times Guide to Wide Area Networks. NY: McGraw-Hill, 1997. - 513 p.

73. Timothy K. ATM. The new paradigm for Internet, Intranet and Residential Broadband Services and Applications. Washington, 1997. - 331 p.

74. Tsong-Ho Wu, Noriaki Yoshikai. ATM transport and network integrity. USA: Academic Press, 1997. - 349 p.

75. Stallings W. Data and computer communications. NJ.: Prentice Hall, 2001. - 791 p.

76. C. Chatfield: Problem solving, A statistician guide, Chapman & Hall, 1988

77. Karl. V. Bury: Statistical Models in Applied Science John Wiley & Sonsl, 1975

78. Daniel E. Bailey: Probability and Statistics, John Wiley & Sons, 1971 -494p

79. Silberschatz, Korth, Sudarshan: Database System Concepts, Third Edition, 1997-895p

80. International Standard, Information technology Generic cording of moving pictures and associated audio information: Video, First Edition, 1996