автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Применение сетей массового обслуживания для исследования процессов передачи видеопотоков в пакетных сетях

Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики"

на правах рукописи УДК 621.395.7

АЛЬ-ДНЕБАТ САИД АЛИ

ПРИМЕНЕНИЕ СЕТЕЙ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОПОТОКОВ В ПАКЕТНЫХ СЕТЯХ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск 2004

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Научный руководитель — кандидат технических наук

Ярославцев А.Ф.

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор Мейкшан В.И.

— кандидат технических наук

Зыбарев Ю.М.

Ведущая организация — ОАО «Гипросвязь-4»

Защита состоится "_"_2004г. в _ часов на заседании

Диссертационного совета Д 219. 005.01 в СибГУТИ по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГУТИ.

Автореферат разослан "_"_2004г.

Учёный секретарь Диссертационного совета Д 219. 005.01 кандидат технических наук, профессор

Крук

аооМ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ЛЧ90У-/

Актуальность работы

Одной из тенденций развития современного общества является стремительный рост потребления различных информационных и телекоммуникационных услуг. Постоянное снижение стоимости информационных услуг, а также развитие телекоммуникационной инфраструктуры (охват всё большей территории и всё большей части её населения) являются основными причинами этого роста.

Рассматривая особенности развития телекоммуникаций в Иордании, можно отметить следующие особенности. Исторически недостаточно развитая инфраструктура, ограниченный объём инвестиций для её развития и бурный спрос на телекоммуникационные услуги, в том числе на мультимедийные, которые обусловлены экономическим и географическим положением страны, вызывают острую необходимость более эффективного использования всех имеющихся телекоммуникационных ресурсов.

Современные телекоммуникационные системы постоянно расширяют перечень своих услуг посредством предоставления всё большего числа различного вида информационных сервисов, в том числе и мультимедийных. Примерами мультимедийных сервисов являются: видеотелефония, видеоконференция, высокоскоростная передача мультимедийных данных, 1Р-телефония, цифровое телевизионное вещание, мобильная видеосвязь и видео по загфосу.

Традиционно для предоставления информационных услуг использовались синхронные методы передачи данных, при которых на первичной сети выделялись телекоммуникационные ресурсы в расчёте на максимальную нагрузку, которые монопольно занимались потребителями и поставщиками соответствующих информационных услуг. В этом случае телекоммуникационные ресурсы сети использовались неэффективно, а общая производительность сети была низкой.

Применение методов пакетной передачи информации позволяет за счёт статистического мультиплексирования значительно повысить общую пропускную способность телекоммуникационной сети.

Мультимедийные сети связи, построенные с использованием режима коммутации пакетов, имеют следующие преимущества перед методом коммутации каналов:

• более высокую эффективность использования ресурсов звена передачи данных;

о значительно более низкую вероятность потери пакетов передаваемого трафика при повышении нагрузки на сеть, хотя при этом имеют место значительные непредсказуемые транзитные задержки;

• возможность гибкого динамического управления передаваемыми трафиками за счёт использования механизмов назначения приоритетов элементам трафика и резервирования телекоммуникационных ресурсов сети. _

3

к»е нлцгюндльнлп

Г.ЯМШОТКЕ.А

«71_Г'етсрбур1

7'

7?

гл^рк

В связи с ростом производительности систем передачи данных стало возможным использование пакетных методов передачи трафиков, генерируемых различными информационными сервисами, число которых может быть достаточно большим. Поэтому становится актуальной задача оценки параметров качества предоставляемого сервиса с учётом архитектуры и конкретной топологии используемых телекоммуникационных сетей в условиях реальной информационной нагрузки. Эта задача особенно актуальна в случае предоставления мультимедийного сервиса реального времени, который в значительной степени чувствителен к задержкам передачи его трафика.

Необходимо отметить, что к настоящему времени теория оценки параметров качества предоставляемого мультимедийного сервиса в пакетных сетях недостаточно развита, В рамках разработанной теории не всегда удаётся адекватно отобразить все существенные стороны функционирования процессов предоставления мультимедийных сервисов. Существующие модели имеют большую размерность и, соответственно, большую вычислительную сложность.

Разработан ряд математических моделей различных классов, которые позволяют получить адекватную оценку параметров качества обслуживания для конкретных видов информационных сервисов, конкретных архитектур телекоммуникационных систем, а также конкретных их топологий, как правило, регулярных.

Наиболее актуальными, в плане решения проблем оценки качества предоставляемого мультимедийного сервиса, являются три основные задачи:

1. оценка параметров трафиков информационных сервисов определённого типа;

2. собственно оценка параметров задержек передачи мультимедийного трафика, передаваемого в пакетной сети с заданной архитектурой и топологией;

3. оценка дисперсии и джиттера задержки передачи мультимедийного трафика в пакетных сетях.

Для решения выше перечисленных задач применяются различные математические методы моделирования, среди которых выделяются аналитические, имитационные и гибридные.

Актуальность темы подтверждается многочисленными российскими и зарубежными публикациями, содержащими описания аналитических и имитационных моделей различных телекоммуникационных систем предоставления мультимедийных сервисов различных типов.

Целями диссертационной работы являются разработка методов и средств аналитического моделирования процессов передачи мультимедийных видеопотоков в пакетных сетях и применение разработанных методов для оценивания основных параметров качества мультимедийных видеосервисов (транзитной задержки и её джиттера).

Для достижения этих целей решены следующие основные задачи диссертационной работы:

1. исследование особенностей мультимедийных трафиков, их классификация и параметризация;

2. анализ особенностей методов кодирования и процессов передачи мультимедийных видеотрафиков в пакетных сетях;

3. адаптация метода аналитического моделирования телекоммуникационных систем замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания для оценки параметров качества мультимедийных видеосервисов;

4. разработка аналитических моделей транзитных задержек передачи видеотрафика в IP-сети и оценка джиггера и дисперсии этих задержек.

Научная новизна результатов:

1. Предложена модель видеотрафика реального времени, которая учитывает структуру и содержание мультимедийной информации и используемый метод кодирования и сжатия видеопотока при условии его передачи в пакетных сетях и которая основана на аппроксимации видеотрафика пуассоновскими процессами.

2. Разработана методика аналитического моделирования процессов передачи мультимедийного трафика замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания большой размерности, которая учитывает топологию телекоммуникационной сети и применяемые протоколы обмена данными.

3. Разработана модель процесса передачи видеотрафика в TCP/IP сети с типичной звездообразной топологией, обеспечивающая оценивание широкого спектра вероятностно-временных характеристик её функционирования.

4. На базе разработанной модели получены оценки основных параметров качества предоставляемого мультимедийного видеосервиса (транзитная задержка и её джиггер)

Практическая ценность результатов работы

Предложенные математические модели и методы позволяют проектировать систему передачи данных произвольной топологии, с учетом её конкретного оборудования, с целью обеспечения требуемых параметров качества предоставляемых мультимедийных сервисов различных видов.

Разработано программное обеспечение для анализа приоритетных замкнутых неоднородных сетей массового обслуживания большой размерности (до 200 систем обслуживания, 3000 классов требований и 10 000 требований).

Предложенные модели использовались ООО "Первая миля" (Компьютерные сети Новосибирского Академгородка) при проектировании и развитии мультисервисной сети Академгородка.

Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка модели аппроксимации трафика мультимедийного видеосервиса марковскими цепями с учётом структуры и содержания его

мультимедийной информации, сё методов кодирования и сжатия, архитектуры используемых систем передачи данных.

2. Методика аналитического моделирования процессов передачи трафиков мультимедийных видеосервисов замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания большой размерности основана на отображении неоднородных информационных потоков соответствующими классами требований, а задержки элементов этих потоков в соответствующих телекоммуникационных оборудованиях отображаются соответствующими системами массового обслуживания.

3. Разработка аналитической модели процессов передачи видеотрафика в локальной сети с использованием стека протоколов TCP/IP для оценки параметров качества (задержка и джиттер) предоставленных мультимедийных сервисов — видео по требованию.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций", г. Новосибирск, 199б-2004гг, научно-технических семинарах кафедры ТС и ВС СибГУТИ, 199б-2004гг, международной научно-практической конференции "Связь-2004", на межкафедральном семинаре СибГУТИ 27 октября 2004г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы с 1996 по 2004 гг. в 6 работах.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объём работы составляет 145 страниц машинописного текста и включает: 23 рисунка, 17 таблиц, библиографический список из 130 наименований и 2 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Кратко представлен анализ современного состояния теории математического моделирования процессов передачи мультимедийных трафиков в пакетных системах, дан краткий обзор российских и зарубежных публикаций, в которых предложен ряд математических моделей телекоммуникационных систем различного назначения, раскрыты научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ особенностей видеотрафика различных мультимедийных сервисов. Определены его параметры, которые существенным образом влияют на качество предоставляемого мультимедийного сервиса. Определены допустимые значения параметров качества транспортных соединений, обеспечивающих мультимедийный сервис.

Приведена общая схема параметризации мультимедийных трафиков реального времени, в основе которой лежит оценивание интегральных параметров случайного процесса, описывающего его формирование соответствующими мультимедийными сервисами. Такими интегральными параметрами являются: значения трафика (мгновенное, максимальное, пиковое, среднее и минимальное); коэффициент пачечности трафика (пульсация); средняя длительность пикового трафика; средняя длительность сеанса связи; форматы элементов трафика; максимальный, средний, минимальный размер пакета; интенсивность трафика запросов.

Рассмотрены параметры качества транспортных соединений, которые должны обеспечить телекоммуникационные сети при организации доступа к , мультимедийным сервисам. Приведена оценка влияния параметров качества

этих транспортных соединений на качество предоставляемого мультимедийного сервиса реального времени, из которой следует вывод о существенной зависимости этих параметров, особенно, что касается параметров задержки и джит-тера.

Рассмотрены основные стандарты и методы кодирования видеоинформации. Методы кодирования видеоинформации основаны на стандартах MPEG. Для передачи видеоинформации в пакетных сетях видеопоток кодируется в виде последовательности VOP (Video Object Plane). Ряд видеокадров объединяются в группу GOP (group of pictures), которая определяет сжимаемую группу кадров. Каждая GOP имеет фиксированную длину и структуру. В составе каждой группы выделяются видеокадры трё х типов:

1) I-кадр (опорный);

2) Р-кадр (предсказанный);

3) B-кадр (двунаправленный)".

Каждая такая группа обязательно начинается с I-кадра и с опредё ленной периодичностью содержит Р-кадры. Структура группы описывается параметрами M/N, где

® М - общее число кадров в группе;

в N - периодичность повторения Р кадров.

Для разных типов кадров применяется различный уровень сжатия. Меньше других сжимаются I-кадры. Р-кадр составляет по размеру примерно третью ' часть от I-кадра, а В - восьмую.

Типичный цифровой видеопоток с параметрами 15/3 имеет структуру группы следующего вида: IBBPBBPBBPBBPBB. ' В классе марковских цепей разработана математическая модель оценки

структурных параметров видеопотока, кодирование которого осуществлено в соответствии со стандартом MPEG. Для типичных схем кодирования видеопотока проведены расчёты объёма трафика и параметров видеопотоков.

С этой целью разработана схема аппроксимации мультимедийного видеопотока пуассоновским неоднородным потоком требований. Структура этого потока описана конечной марковской цепью

Z = [Qz = ($,.), Рг =(Px,y), e{I,P,B}}, где Sx определяет появления

x-кадра в аппроксимируемом видеопотоке, а величины Рх,у определяют условные вероятности появления в видеопотоке х-кадра, при условии, что предшествующий кадр принадлежит типу у. Для этих условных вероятностей были получены аналитические выражения от параметра M/N аппроксимируемого видеопотока.

Суммарный передаваемый видеопоток определяется суммой трёх составляющих потоков, определяющих, соответственно, потоки I, Р и B-кадров. Интенсивность этого суммарного потока тогда равна сумме интенсивностей потоков, его составляющих: Л = Л, +ЛВ, где Л,, Яр, Х^ — интенсивности формирования потоков I, Р и B-кадров, соответственно. Эти интенсивности частичных потоков будут пропорциональны стационарным вероятностям пребывания марковской цепи Z в её состояниях.

Разработанная в данной главе модель и проведенные по ней расчёты были использованы для параметризации модели оценки транзитной задержки передачи мультимедийного видеопотока и параметризации модели оценивания джиттера этой задержки.

Вторая глава посвящена методам математического моделирования телекоммуникационных систем. В качестве базовой математической модели для анализа задержек передачи мультимедийного видеотрафика в пакетных сетях выбраны замкнутые неоднородные приоритетные сети массового обслуживания (СеМО), которые определяются набором параметров

Г=< L, К, N, W, Т, г, D, ц, И), (1)

где L — число СМО, К — число классов требований, N={7*4} — начальный вектор числа требований в СеМО, k=1.....К, W — вектор типов ф.р. длительностей обслуживания, Т = /) — маршрутная матрица СеМО, ? = (г,) — вектор числа обслуживающих приборов в СМО, D = (Д) — вектор дисциплин обслуживания требований в СМО, й(п) = (А,* (п)) — матрица функций интенсивностей обслуживания требований в СМО в зависимости от её состояния п, л - (я*) — уровни абсолютного приоритета требований в СеМО.

Модифицирован метод "анализа средних" для расчёта замкнутых неоднородных СеМО в сторону учёта возможности изменения требованиями своего класса и ориентацией на анализ СеМО большой размерности.

В этом методе использованы следующие обозначения:

N = (jVf) _число требований в макроклассах сети Г, где К = —

множество номеров макроклассов СеМО, которые определяются как множество инцидентных классов; К( = — множество номеров классов, составляющих

макрокласс , Тк= 7 е К, ^ — м.о. времени пребывания требова-

ния А-класса в /-системе при N требованиях в СеМО; —м.о. числа

требований Л-класса в /-системе при N требованиях; —м.о. времени

цикла для требований ¿-класса в /-системы; х,л — собственный вектор маршрутной матрицы Т.

Тогда, разработанный в этих обозначениях метод основан на, следующих соотношениях между итерационными переменными двух СеМО, в которых число требований N отличается на единицу

_ МКк + Ц [й - %если В, е ЬСЕБРЯ, РБ},

Чк' ' I щ.К, если

ФЬ

N.

(2)

<3)

и на следующей аппроксимации м.о. числа требований в сети

если кёКь,

/ -

}> ее™ кёКь.

(5)

'Щ-1

И* )

Структурная схема анализа замкнутых неоднородных СеМО без приоритетного обслуживания приведена на рис. 1. На этом рисунке алгоритм л^ вычисляет значения итерационных переменных для сети обслуживания Г, в котором число требований в её макроклассах определяется величиной .

Разработан метод расчёта замкнутых неоднородных СеМО с абсолютным приоритетом при условии, что требование не меняет своего уровня приоритета.

Данный метод основан на декомпозиции сети Г на П частных подсетей Гр, где Я — число уровней приоритета Р=1,..., Л.'

Частные подсети Гр имеют такую же структуру, как и сеть Г, только вместо интенсивности обслуживания требований в системах используются приведенные интенсивности, которые определяются следующим отношением:

// г П (1 - р/) если В, е {РСРБ, Ш^РЯ, РБ}

цик. если Б, е {Ц

где р/— коэффициент использования ¡-системы требованиями я -уровня приоритета, кр— класс требований с уровнем приоритета р, а к' «->■ к? класс требований в сети Г, соответствующий классу кр. Функциональная схема метода расчета приведена на рис. 2. В системе математических и инженерных расчётов МаЛСАБ разработан программный комплекс, реализующий данные методы.

„ . . Рис.2. Функциональная схема

Рис. 1, Функциональная схема .. „ ^ , „

„ »»м- расчета приоритетнои СеМО г

расчёта СеМО I * * у

Третья глава посвящена созданию математической модели оценки задержек передачи мультимедийного видеотрафика в пакетных сетях передачи данных.

Предложена модель процесса передачи видеотрафиков в ТСРДР сети с типичной топологией. Данная модель разработана в классе замкнутых неоднородных сетей массового обслуживания, она позволяет исследовать процессы передачи трафика мультимедийного сервиса «цифровое видео по запросу» в 1Р-сети. Исследована телекоммуникационная система конкретной архитектуры. Построена аналитическая модель, которая содержит I систем массового обслуживания, 1 = 7 + 4- МА, и К классов требований, К = 15-Мл, где И,, —это число абонентов данного сервиса.

Fist Eihemet

Модель позволяет исследовать процессы передачи трафика мультимедийного сервиса «цифровое видео по запросу» в локальной IP-сети. Исследована телекоммуникационная система конкретной архитектуры. Рассматривается локальная сеть вещания видеопрограмм (рис, 3), в которой коммутационная среда передачи данных организована на базе коммутатора, например, Catalyst 3512XL фирмы CISCO System. Эти коммутаторы являются наиболее приемлемыми для подключения абонентов к телекоммуникационной сети.

Пусть каждый из NA абонентов, территориально расположенных в одном жилом доме или в офисе, взаимодействует с выделенным информационным сервером с целью получения соответствующей видеопрограммы в реальном

масштабе времени. Каждая рабочая станция абонента организована на базе персонального компьютера и подключена к коммутатору через порт Fast Ethernet, в соответствии с международным стандартом IEEE.802.3u. Максимальная скорость передачи данных через такой порт достигает 100 Мб/с. Информационный сервер подключен к коммутатору через порт Gigabit Ethernet в соответст-

Рабочадсшш.а I

РрР

«ркр

FsstEltawt

Рг&щ стада* N

Рис.3. Концептуальная модель системы вещания видеопрограмм.

вии со стандартом IEEE.802.3z. Максимальная скорость передачи данных через такой порт составляет 1 ООО Мб/с.

Предполагается, что в данной локальной сети используется стек протоколов IP/TCP. Для организации цифрового вещания выбранной видеопрограммы между клиентом на рабочей станции абонента (программный процесс, обеспечивающий приём видеопотока, его декодирование и воспроизведение) и сервером цифрового видеовещания (программный процесс информационного сервера, обеспечивающий кодирование видеопотока и его передачу клиенту) устанавливается ТСР-соединение,

В основе предложенной модели (рис.4.) лежат:

1) отображение различных информационных потоков, имеющих место в модели телекоммуникационной системы, потоками требований соответствующих классов в сети массового обслуживания;

2) отображение задержек элементов этих информационных потоков в различных компонентах телекоммуникационной системы соответствующими системами сети массового обслуживания;

3) маршруты передачи элементов информационных потоков отображаются маршрутами переходов требований соответствующих классов.

Предложенная модель позволяет оценивать широкий набор характеристик передачи видеотрафика по предложенной локальной сети, а именно:

- средние число IP-пакетов различного назначения в каждом узле сети;

- коэффициент использования различных типов оборудования сета;

- интенсивности различных кадров, которые поступают в различное оборудование сети;

- задержки передачи различных видеокадров, которые передаются до каждого абонента;

- размеры требуемой буферной памяти, необходимой при передаче видеопрограмм в различные компоненты сети.

Определены параметры модели с учётом топологии моделируемой системы, используемого телекоммуникационного оборудования и конкретного трафика исследуемого мультимедийного сервиса, который был оценён с помощью первой и второй модели.

Построены зависимости вероятностно-временных характеристик процесса передачи мультимедийного трафика в IP-сети от числа абонентов соответствующего сервиса.

Основные результаты выполненного аналитического моделирования показывают, что такая локальная сеть может обеспечивать одновременное цифровое вещание видеопрограмм без значительной потери их качества при числе клиентов порядка 120.

Полученные результаты хорошо согласуются с результатами имитационного моделирования, приведенными в работах зарубежных авторов. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о достаточной адекватности разработанной модели. Делается вывод о возможности распространения предложенного метода моделирования на телекоммуникационные системы произвольной топологии.

В четвертой главе предложен метод оценки джиттера транзитной задержки мультимедийного видеотрафика. Он учитывает топологию исследуемой телекоммуникационной системы, структуру передаваемого видеопотока и маршрут его доставки.

Этот метод основан на оценке задержек передачи видеокадров сетями массового обслуживания и аппроксимации дисперсии задержек в компонентах телекоммуникационной системы дисперсиями задержек в эквивалентных СМО типа М/М/1, Данная СМО эквивалентна соответствующему узлу СеМО по интенсивности входного потока требований и их среднему времени пребывания.

При оценке джиттера рассматривается случайная величина £ — транзитная задержка транспортного блока по установленному TCP/IP соединению. Эта с.в. определяется как средневзвешенная сумма от транзитной задержки транспортных блоков по всем возможным их маршрутам

£ = (7)

тел

где 4 — транзитная задержка транспортных блоков по маршруту г, Рт — вероятность доставки транспортного блока по маршруту г, R — множество всех возможных маршрутов доставки. Маршрут доставки г определяется как последовательность компонентов телекоммуникационной системы, в которых передаваемые транспортные блоки претерпевают задержки г = \ст.}. Состав всех маршрутов reR и их вероятности Pt определяются топологией моделируемой телекоммуникационной системы, размещением в ней сервисов и рабочих станций абонентов, множеством используемых протоколов маршрутизации (например, RIP, IGRP, OSPF и др.), а так?ке значениями параметров этих протоколов.

Тогда м.о. f и с* случайной величины f будут определяться следующим образом:

чет

t6R ^ ст€г

= £к-£°1 + Е E^MJ.

(8)

гея cms г VjSB ст,ег,

С учётом используемого протокола TCP, топологии моделируемой телекоммуникационной системы (рис. 3), топологии разработанной модели транзитной задержки (рис. 4), а также соотношения для дисперсии задержки в СМО М/М/1 получаем

°"u = (wF' (9)

где р — коэффициент использования СМО, v — среднее время обслуживания требования в СМО. Дисперсия с.в. — доставки TCP сегмента, в котором инкапсулирован ш -кадр для i-абонента, определяется следующим выражением:

г 9 v^ —2 =T~1' ^ Vtf (10)

Z ~ 17 cméij,

о П — fnSv „Л пХТ зт"1 -

В этом выражении множество = 15 ,5 A ,q{ | узлов сети обслуживания отображает множество маршрутов R, по которым доставляются транспортные блоки мультимедийного видеопотока, где ^ = ^ ' — определяется вероятностью повторной передачи

транспортного блока, где = (l - Pxf , = (l ~ Ptf, P{,

8 24 40 56 72 88 104 120 136 152 168 184 200 216 число клиентов сервиса

¡ 1 1 I

1 1 г"1" 1

; 1 1 1 ___

1 1 тГ

«"и» 1 ] \г~

! 1 ( _ . 1 -—-— — 1 Р,г

1 1 1 ! 1 1 1 |

8 24 40 56 72 88 104 120 136 152 168 184 200 216 число клиентов сервиса

число клиентов сервиса

Рис. 5. Области наиболее вероятных значений задержки доставки видеокадров: а — 1-кадр, б — Р-кадр, в — В-кадр.

рх — BER для Fast Ethernet и Gigabit Ethernet канала, s" — средний размер МАС-кадра, который содержит инкапсулированные в нем ш -видеокадры (бит), йи.—среднее время пребывания требований к -класса в I -СМО сети Г (рис. 4).

На графиках (рис. 5) представлены зависимости транзитной задержки и джиггера для ш -видеокадров от числа абонентов в сети.

В приложениях приведены тексты MathCAD программ, реализующих метод расчёта замкнутой неоднородной сети массового обслуживания "анализа средних", обеспечивающий расчёт сетей до 200 узлов и 3000 классов и формирования модели процесса передачи видеотрафика в IP-сети.

В заключении отмечаются результаты провёденных в диссертационной работе исследований, которые показывают, что основная цель работы, заключающаяся в разработке методов математического моделирования процессов передачи мультимедийных трафиков в пакетных телекоммуникационных сетях, достигнута.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1) Проанализированы сервисы, которые предоставляют мультимедийные услуги в современных телекоммуникационных сетях. Проведена параметризация трафиков этих сервисов с учётом конкретной архитектуры используемых телекоммуникационных сетей и их топологии. Выработана методика описания трафиков мультимедийных сервисов неоднородными случайными процессами.

2) Проведён анализ особенностей передачи трафиков мультимедийных сервисов в асинхронных сетях передачи данных. Рассмотрены механизмы управления потоками и качеством предоставляемого сервиса в этих сетях.

3) Разработана методика моделирования процессов передачи мультимедийных трафиков и оценки параметров качества предоставляемого мультимедийного сервиса в асинхронных сетях передачи данных замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания большой размерности.

4) Модифицирован метод "анализа средних" - расчёта сетей обслуживания с учётом большой размерности сети (1 = 200 систем обслуживания и К = 3000 классов требований) и наличия приоритетных потоков требований.

5) В системе MathCAD разработана программа расчёта замкнутой неоднородной сети массового обслуживания с числом узлов до 200, числом классов требований до 3000 и суммарным числом требований всех классов до 10 000.

6) Разработана аналитическая модель процесса передачи трафика мультимедийного сервиса «цифровое видео по запросу» по локальной TCP/IP сети конкретной топологии. Данная модель обеспечивает оценку таких вероятностно-временных характеристик используемой телекоммуникационной системы как: коэффициент использования различного телекоммуникационного оборудования, время доставки пакетов мультимедийного трафика до абонентов, дис-

Персию времени доставки, задержку пакетов в различных компонентах телекоммуникационной сети и др.

7) Проведены многочисленные расчёты данной модели. Получены зависимости вероятностно-временных характеристик такой сети от числа абонентов данного мультимедийного сервиса.

8) Разработанные методики моделирования были внедрены в учебный процесс СибГУТИ.

Список публикаций по теме данной диссертационной работы:

1. Аль-Днебат С., Аль-Касасбех Б.

"Вопросы развития перспективных широкополосных телекоммуникационных сетей в Иордании". Информатика и проблемы телекоммуникаций, материалы международной НТК, том 1, СибГУТИ, Новосибирск, 1996, с. 73-74.

2. Мархасин А.Б., Аль-Днебат С., Аль-Касасбех Б., Зайцев А., Казимиров А., Кокорева Е., Печерица В.

"Игровая задача динамического управления трафиком и качеством обслуживания в широкополосных распределённых сетях ATM". Информатика и проблемы телекоммуникаций, материалы международной НТК, том 1, СибГУТИ, Новосибирск, 1996, с. 79-80.

3. Аль-Днебат С.

"О расчёте трафиков нагрузки в широкополосных интегральных сетях ATM с помощью методов теории совпадения импульсных потоков". Информатика и проблемы телекоммуникаций, материалы международной НТК, СибГУТИ, Новосибирск, 1997, с. 174-175.

4. Ярославцев А.Ф., Аль-Днебат С.

"Аналитическое моделирование процессов передачи мультимедийного трафика в IP-сети". Информатика и проблемы телекоммуникаций, материалы международной НТК, СибГУТИ, Новосибирск, 2003, с, 77-80.

5. Ярославцев А.Ф., Аль-Днебат С.А.

"Применение структурных сетей обслуживания для оценки параметров качества сервиса телекоммуникационных сетей". Проблемы функционирования информационных сетей. Материалы 8-ой международной научно-практической конференции «Связь 2004». 22-29 августа 2004, том 2. С, 323-328.

6. Ярославцев А.Ф., Аль-Днебат С.А.

"Аналитическая модель передачи мультимедийного трафика по TCP/IP-сети". Проблемы функционирования информационных сетей. Материалы 8-ой международной научно-практической конференции «Связь 2004». 22-29 августа 2004, том 2, С. 329-335.

Соискатель

С.А. Аль-Днебат

РНБ Русский фонд

2007-4 16822

АЛЬ-ДНЕБАТ САИД АЛИ

ПРИМЕНЕНИЕ СЕТЕЙ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОПОТОКОВ В ПАКЕТНЫХ СЕТЯХ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 9. \i.0H

Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, Изд. Л. 1,4, заказ № 123 , тираж - 100 экз., ГОУ ВПО «СцбГУТИ». 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86. ? г ; ■

19 НОЯ 2004

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МУЛЬТИМЕДИЙНОГО ВИДЕОТРАФИКА ПРИ ЕГО ПЕРЕДАЧЕ ПО ПАКЕТНЫМ СЕТЯМ

1.1. Основные типы мультимедийного трафика реального времени.

1.2. Общий подход к описанию мультимедийного трафика реального времени.

1.3. Параметры качества обслуживания при передаче мультимедийного трафика в пакетных сетях передачи данных.

1.4. Технологии и стандарты кодирования и передачи видеотрафика.

1.5. Аппроксимация видеотрафика марковскими процессами.

ВЫВОДЫ.

2. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ВИДЕОТРАФИКОВ.

2.1. Анализ классов математических моделей для исследования процессов передачи мультимедийного видеотрафика в пакетных сетях.

2.2. Сети массового обслуживания как модели телекоммуникационных систем.

2.2.1. Параметры сетей массового обслуживания.

2.2.2. Характеристики стационарного режима функционирования сети массового обслуживания.

2.3. Расчет замкнутых неоднородных сетей массового обслуживания большой размерности.

2.4. Вычисление характеристик сетей массового обслуживания, производных от метода анализа средних.

2.5. Расчет замкнутых неоднородных сетей массового обслуживания с приоритетным обслуживанием.

ВЫВОДЫ.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОТРАФИКА В

ПАКЕТНЫХ СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.

3.1. Общие принципы организации мультимедийных сервисов в пакетных телекоммуникационных сетях.

3.2. Концептуальная модель задержек передачи видеотрафика.

3.3. Математическая модель задержек передачи видеопотока.

3.4. Вероятностно- временные характеристики модели оценки задержек передачи видеопотока.

3.5. Результаты моделирования.

ВЫВОДЫ.

4. ОЦЕНКА ДЖИТТЕРА ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОПОТОКОВ В ПАКЕТНЫХ

СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.

4.1. Общая постановка задачи.

4.2. Оценка дисперсии задержки передачи видеотрафика в пакетной сети, достоверность результатов.

ВЫВОДЫ.

Одной из тенденций развитая современного общества является стремительный рост потребления различных информационных и телекоммуникационных услуг [1] — [3]. Постоянное снижение стоимости информационных услуг, а также развитие телекоммуникационной инфраструктуры (охват все большей территории и все большей части её населения) являются основными причинами этого роста.

Рассматривая особенности развития телекоммуникаций в Иордании, можно отметить следующую особенность [4]. Исторически недостаточно развитая инфраструктура, ограниченный объем инвестиций для её развития, и бурный спрос на телекоммуникационные услуги, в том числе на мультимедийные, который обусловлен экономическим и географическим положением страны, вызывает острую необходимость более эффективного использования всех имеющихся телекоммуникационных ресурсов.

Современные телекоммуникационные системы постоянно расширяют перечень своих услуг посредством предоставления все большего числа различного вида информационных сервисов, в том числе и мультимедийных. Примерами мультимедийных сервисов являются: видеотелефония, видеоконференция, высокоскоростная передача мультимедийных данных, IP-телефония, цифровое телевизионное вещание, мобильная видеосвязь и видео по запросу [5] — [8].

Традиционно для предоставления информационных услуг использовались синхронные методы передачи данных, при которых на первичной сети выделялись телекоммуникационные ресурсы в расчете на максимальную нагрузку, которые монопольно занимались потребителями и поставщиками соответствующих информационных услуг. В этом случае телекоммуникационные ресурсы сети ис-® пользовались неэффективно, а общая производительность сети была низкой [9].

Применение пакетных методов передачи информации позволяет за счет ста-^ тистического мультиплексирования значительно повысить общую пропускную способность телекоммуникационной сети [10] — [12].

Свидетельством этому служит сравнительный анализ способов коммутации для обеспечения мультимедийных услуг, приведенный в [13]. В этой статье обсуждаются перспективы построения мультимедийных сетей связи с использованием режима коммутации пакетов, имеющего следующие преимущества перед методом коммутации каналов:

• более высокую эффективность использования ресурсов звена передачи данных за счет статистического мультиплексирования трафиков пакетов многих приложений;

• значительно более низкую вероятность потери пакетов передаваемого трафика при повышении нагрузки на сеть, хотя при этом имеют место значительные непредсказуемые транзитные задержки;

• возможность гибкого динамического управления передаваемыми трафиками за счет использования различных механизмов назначения приоритетов элементам трафика, и резервирование телекоммуникационных ресурсов сети.

В связи с ростом производительности систем передачи данных [14] стало # возможным использование пакетных методов передачи трафиков, генерируемых различными информационными сервисами, число которых может быть достаточно большим. Поэтому становится актуальной задача оценки параметров качества предоставляемого сервиса с учетом конкретных архитектуры и топологии используемой телекоммуникационной сети в условиях реальной информационной нагрузки [15].

Эта задача особенно актуальна в случае предоставления мультимедийного сервиса, который в значительной степени чувствителен к задержкам передачи его ^ трафика [16].

В статьях [17] и [18] делается вывод о том, что технология ATM является наиболее подходящей технологией для эффективной передачи мультимедийной информации и предоставления услуг ATM-сетей с гарантированным требуемым ц качеством. Однако, обеспечение параметров качества услуг речевого трафика в сетях ATM является сложной задачей, решение которой невозможно без применения специальных методов управления транспортными, сетевыми и канальными ресурсами. В этих статьях подробно рассмотрены понятия качества и целостности услуг, эффективности использования ресурсов; приведена классификация механизмов управления трафиком; проведен сравнительный анализ алгоритмов управления перегрузками в сетях ATM.

Необходимо отметить, что к настоящему времени теория оценки парамет-^ ров качества предоставляемого мультимедийного сервиса в пакетных сетях недостаточно развита.

Разработан ряд математических моделей различных классов, которые позволяют получить адекватную оценку параметров качества обслуживания для конкретных видов информационных сервисов, конкретных архитектур телекоммуникационных систем, а также конкретных их топологий, как правило, регулярных [15], [9], [19].

Наиболее актуальными, в плане решения задач оценки качества предоставляемого мультимедийного сервиса, выделяются три основные задачи:

1. Оценка параметров трафиков, генерируемых информационными серви-ф сами определенного типа.

2. Собственно оценка параметров задержек передачи мультимедийного трафика, передаваемого в пакетной сети с заданной архитектурой и топологией.

3. Оценка дисперсии и джиггера задержки передачи мультимедийного трафика в пакетных сетях.

Для решения выше перечисленных задач применяются различные математические методы моделирования [20], [21], среди которых выделяются аналитические, имитационные и гибридные. Так, в статье [22] профессором Мархасиным предложен метод баланса шггенсивностей нагрузок для решения задачи анализа интегрального телетрафика в радиоинтерфейсе, оптимизации и динамического управления качеством обслуживания мобильных сетей 3-ш поколения, например ^ систем GPRS. В работе [23] оценивается вероятность появления скачков интенсивности трафика в сотовых сетях подвижной связи и проводится анализ его рабочих характеристик, для решения данной задачи можно использовать аппарат теории самоподобия. В работах [24] и [25] анализируется видеотрафик, генерируемый различными сервисами в радио и мобильных сетях.

Для решения второй задачи в работе [26] предлагаются различные методы совпадения импульсных потоков для отыскания необходимых параметров суммарного трафика, передаваемого по телекоммуникационной сети с заданными архитектурой и топологией. Применение методов теории совпадения импульсных потоков для расчета трафиков нагрузки в широкополосных интегральных сетях ATM предлагалось в [27]. Цыбаков В. И. в работе [28] утверждает, что традиционные методы проектирования телефонных сетей оказываются неприемлемы для оценки параметров мультимедийных сетей, так как традиционные методы учитывают только лишь одномерный трафик, который к тому же является однородным. Мультимедийная сеть представляет собой интегрированную сеть с представлением широкого спектра услуг (речи, данных, видео), т. е. является сетью, обеспечивающей многомерный и неоднородный трафик.

Для решения задачи оценки джиттера задержки (задача 3) применяются математические модели различных классов. Наиболее распространенными являются аналитические и имитационные модели. Содержание этих методов более подробно рассмотрено в главе 2. Выбор используемого класса моделей определяется многими факторами, среди которых можно выделить следующие: цели моделирования, возможность адекватного описания исследуемых параметров в соответствующих классах математических моделей, трудоемкость разработки этих моделей и др [29] — [32].

В качестве примеров аналитического моделирования параметров качества предоставления мультимедийных сервисов можно выделить следующие работы.

В статье [33] авторами Ивановым А.Б. и Соколовым И.В делается попытка построения обобщенной модели контроля качества услуг. В модели учитываются

Рекомендации ITU-T Е.430, Е.800 и концепция соответствия качества услуг представленного информационного сервиса. Эту модель предлагается использовать для проектирования, инсталляции и эксплуатации как существующих, так и вновь разрабатываемых информационных услуг современных телекоммуникационных сетей.

В работе [34] разработана аналитическая модель процессов обслуживания видеографика в узле коммутации ATM. Использование данной модели на этапе планирования пользовательских услуг видеоинформации позволит определять необходимые параметры качества обслуживания, такие как задержка, джиггер и вероятность потери пакетов, необходимых при установлении транспортного соединения.

В литературе часто встречаются аналитические модели различных телекоммуникационных систем, разработанных в классе конечных марковских цепей и непрерывных марковских процессов. Для построения аналитической модели сети радиосвязи с неоднородными потоками информации в работе [35] выбраны методы непрерывных марковских процессов с конечным множеством состояний. Приведена модель, описывающая процесс передачи информации в радиосетях и позволяющая определить вероятности отказа по требованиям и по нагрузке для всей сети и для каждого поступающего в сеть потока.

В статье [36] предложена математическая модель IP сети передачи звука, представленная в виде марковского процесса, в котором стационарное распределение вероятностей состояний имеет непрерывный характер. Марковский процесс описывает возможности предоставления услуг с несколькими уровнями качества.

В статье [37] рассматриваются математические модели, описывающие процессы функционирования и управления трафиком в системах мобильной связи. В качестве математических аппаратов применены модели сетей и систем массового обслуживания с комбинированным обслуживанием, относительными приоритетами, ожиданием, потерями, резервированием ресурсов и ненадежными каналами. Получены основные вероятностно-временные характеристики этих процесссов.

В работе [38] представляется методика оценки качества обслуживания пользователей сети Интернет, а что касается мультимедийных сетей, то такая методика представлена в статье [39].

В качестве примеров имитационного моделирования параметров качества предоставления мультимедийных сервисов можно выделить работы [40] и [41], в которых для оценки параметров передачи мультимедийного трафика применялся метод имитационного моделирования. Представленные имитационные модели процессов передачи видеотрафика в телекоммуникационных сетях, работающих в режиме коммутации пакетов, на примере IP-сети, позволяют изучить поведение видеопотока в условиях, когда телекоммуникационная система не гарантирует качества предоставления соответствующих услуг абонентам. В этих моделях различные типы видеокадров, составляющие его последовательности, передаются отдельно (в каждом эксперименте передается один тип видеокадров), а в конце суммируются результаты. В этих моделях не учитывается влияние дополнительных кадров (например, повторно переданных) и не рассчитывается задержка, которая является основным параметром качества видеосервиса.

В работе [42] для исследования мобильной сети, предоставляющей различен ные мультимедийные услуги, представлена имитационная модель, которая позволяет определить параметры задержки и потери пакетов, происходящие в мобильных сетях. В данной имитационной модели исследуется процесс передачи узкоформатного видеоизображения с низкой частотой регенерации (низкокачественное видео).

В работе [6] рассматривается пример А ГМ-сети, которая предоставляет услугу передачи мультимедийного трафика ABR, в соответствии с которой гарантируется минимальная скорость передачи, и не производится синхронизации приемника и передатчика. Передаваемый видеопоток в данной системе имеет низкий приоритет, а число абонентов этой сети является ограниченным.

В работе [43] представляется имитационная модель, предназначенная для исследования вероятностно-временных характеристик транспортного протокола в беспроводной сети. В данной модели приводится анализ задержки при различных вероятностях потери пакетов информации для различных вариантов транспортного протокола TCP. Разработанная модель подтверждается реальными измерениями на реальной сети.

В работе [44] анализируется процесс цифровой передачи видеотрафика, который предъявляет строгие требования к ширине полосы пропускания, задержке и потере. Сети с коммутацией пакетов не могут гарантировать качество обслуживания, особенно при многоадресной (широковещательной) передаче видео. Для обеспечения большей гибкости и эффективности в этих сетях применяются различные механизмы управления потоками, позволяющие, с одной стороны, повысить эффективность, а с другой стороны, обеспечить требуемое качество предоставляемого сервиса. Сравнительный анализ приводится в [45] на примере передачи мультимедийного трафика стандарта MPEG. Сравниваются два механизма управления потоками: IntServ и DiffServ. Отдается предпочтение механизму Diff-Serv с приоритетами и разбиением мультимедийного передаваемого потока на ряд потоков с различными уровнями приоритетов.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств аналитического моделирования процессов передачи мультимедийных видеопотоков в пакетных сетях; применение разработанных методов для оценивания основных параметров качества мультимедийных видеосервисов (транзитной задержки и её джиггера).

Для достижения этих целей решены следующие основные задачи диссертационной работы:

1) Исследование особенностей мультимедийных трафиков, их классификация и параметризация.

2) Анализ особенностей методов кодирования и процессов передачи мультимедийных видеотрафиков в пакетных сетях.

3) Адаптация метода аналитического моделирования телекоммуникационных систем замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания для оценки параметров качества мультимедийных видеосервисов.

4) Разработка аналитических моделей задержек передачи видеотрафика в IP-сети и оценка джиттера и дисперсии этих задержек.

Научная новизна результатов:

1. Разработана модель видеотрафика реального времени, которая учитывает структуру и содержание мультимедийной информации, используемого метода кодирования и сжатия при условии его передачи в пакетных сетях; основана на его аппроксимации пуассоновскими процессами.

2. Разработана методика аналитического моделирования процессов передачи мультимедийного трафика замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания большой размерности, которая учитывает топологию телекоммуникационной сети и применяемые протоколы обмена данными.

3. Разработана модель процесса передачи видеотрафика в TCP/IP сети с типичной звездообразной топологией, обеспечивающая оценивание широкого спектра вероятностно-временных характеристик её процессов функционирования.

4. На базе разработанной модели получены оценки основных параметров качества представляемого мультимедийного видеосервиса (транзитная задержка и её джиггер).

Практическая ценность результатов работы.

Предложенные математические модели и методы позволяют проектировать систему передачи данных произвольной топологии, с учетом ее конкретного оборудования, с целью обеспечения требуемых параметров качества предоставляемых мультимедийных сервисов различных видов.

Разработано программное обеспечение анализа приоритетных замкнутых неоднородных сетей массового обслуживания большой размерности (до 200 систем обслуживания, 3000 классов требований и 10 000 требований);

Предложенные модели использовались ООО "Первая миля" (Компьютерные сети Академгородка) при проектировании и развитии мультисервисной сети Академгородка.

Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и Информатики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель аппроксимации трафика мультимедийного видеосервиса марковскими цепями с учетом структуры и содержания его мультимедийной информации, её методов кодирования и сжатия, архитектуры используемых систем передачи данных.

2. Методика аналитического моделирования процессов передачи трафиков мультимедийных видеосервисов замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания большой размерности, основанная на отображении неоднородных информационных потоков соответствующими классами требований, задержки элементов этих потоков в соответствующем телекоммуникационном оборудовании соответствующими системами массового обслуживания.

3. Аналитическая модель процессов передачи видеотрафика в локальной сети с использованием стека протоколов ТСРЯР для оценки параметров качества (транзитная задержка и джиггер) предоставленных мультимедийных сервисов - видео по требованию.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной $ работы докладывались и обсуждались на: Международной научно—технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 1997г); Российских научно—технических конференциях (г. Новосибирск, 1996, 2004 гг); Международной научно-практической конференции «Связь—2004»; научно-технических семинарах кафедры ТС и ВС Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики (г. Новосибирск, 1996 — 2004гг).

Публикации: Основные результаты диссертационной работы опубликованы с 1996 по 2004 г. в 6 работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы составляет 145 страниц машинописного текста и включает: 23 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 130 наименований и 2 приложения.

ВЫВОДЫ

Предложен метод оценки джиттсра доставки мультимедийного видеотрафика. Он учитывает топологию исследуемой телекоммуникационной системы, структуру передаваемого видеопотока и маршрута его доставки.

Данный метод основан на оценке задержек передачи видеокадров сетями массового обслуживания и аппроксимации дисперсии задержек в компонентах телекоммуникационной системы дисперсиями задержек в СМО М/М/1. Эта СМО эквивалентна соответствующей СМО сети по интенсивности входного потока требований и их среднему времени пребывания в ней.

Корректность предложенных методов подтверждается результатами, представленными в перечисленных на рисунках публикациях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных в диссертационной работе исследований показывают, что основная цель данной работы, заключающаяся в разработке аналитических моделей процессов передачи мультимедийных видеотрафиков в пакетных телекоммуникационных сетях, достигнута. При выполнении данной диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1) Проанализированы сервисы, которые предоставляют мультимедийные услуги в современных телекоммуникационных сетях. Проведена параметризация трафиков этих сервисов с учетом конкретной архитектуры используемых телекоммуникационных сетей и их топологии. Предложена модель аппроксимации трафиков мультимедийных сервисов марковскими процессами, которая учитывает особенности кодирования и передачи MPEG видеопотоков.

2) Адаптирована методика моделирования процессов передачи мультимедийных трафиков и оценки параметров качества предоставляемого мультимедийного сервиса в пакетных сетях передачи данных замкнутыми неоднородными сетями массового обслуживания большой размерности.

3) Модифицирован метод "анализ средних" [46] — расчета сетей обслуживания, с учетом большой размерности сети (L = 200 систем обслуживания, и К = 3000 классов требований) и наличия приоритетных потоков требований.

4) В системе Mathcad разработана программа расчета замкнутой неоднородной сети массового обслуживания с числом узлов до 200, числом классов требований до 3000 и суммарным числом требований всех классов до 10 000.

5) Разработана аналитическая модель процесса передачи трафика мультимедийного сервиса «цифровое видео по запросу» по локальной TCP/IP сети конкретной топологии. Данная модель обеспечивает оценку следующих вероятностно-временных характеристик используемой телекоммуникационной системы: коэффициент использования различного телекоммуникационного оборудования, время доставки пакетов мультимедийного трафика до абонентов, дисперсия времени доставки, задержка пакетов в различных компонентах телекоммуникационной сети, дисперсия и джиггер этой задержки.

6) Проведены многочисленные расчеты с помощью данной модели. Получены зависимости вероятностно-временных характеристик такой сети от числа абонентов данного мультимедийного сервиса.

7) Разработанные методики математического моделирования были внедрены в учебный процесс Сибирского Государственного Университета Телекоммуникаций и информатики.

8) Предложенные модели использовались ООО " Первая миля" при проектировании и развитии мультисервисной сети Академгородка города Новосибирска.

9) Достоверность предложенных методов подтверждается результатами моделирования, а также реальными измерениями подобных телекоммуникационных систем. Результаты представлены на рис. 18 в гл.З и рис.23 в гл.4.

Проведенные исследования показали возможность применения марковских процессов и сетей массового обслуживания для исследования процессов передачи мультимедийной информации в телекоммуникационных системах различных архитектур. Приведенные результаты моделирования продемонстрировали хорошую адекватность разработанных моделей, достаточную для практического применения [130]. Разработанные методы и модели могут быть успешно применены для исследования процессов передачи мультимедийной информации в сетях с произвольной архитектурой и топологией.

1. Мархасин А.Б. Резервы роста российского рынка услуг мобильной связи: дифференциация и динамическое управление качеством услуг (QoS) и тарифа-ми//Электросвязь № 3 - 2001.

2. Шехтман Л. И. Системы телекоммуникаций: проблемы и перспективы. Опыт системного исследования. М.: Радио и Связь, 1998.

3. Marchese М. Study and performance evaluation of TCP modifications and tuning over satellite links//ICC 2000.

4. Аль-Днебат С., Аль-Касасбех Б. Вопросы развития перспективных широкополосных телекоммуникационных сетей в Иордании//Информатика и проблемы телекоммуникаций. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции Новосибирск: СибГУТИ, 1996 - С.73-74.

5. Altmann J., Rupp В., Varaiya P. The Case for Quality of Service on Demand. ISQE'99//Workshop on Internet Service Quality Economics 1999.

6. Guirguis R.M., Mahmoud S. Transmission of real-time multi layered MPEG-4 over ATM/ABR service/ЛСС 2000 - PP.259-263.

7. Dubrovsky A., Gerla M., Lee S. S., Cavendish D., Internet QoS Routing with IP Telephony and TCP Traffic//IEEE, JUNE 18-22, 2000 New Orleans.

8. Ma Q., Steenkiste P. Routing Traffic with Quality-of-Service Guarantees in Integrated Services Networks//Workshop on Network and Operating Systems Support for Digital Audio and Video, Cambridge, England, July 1998.

9. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. Т.2: Пер: с англ.—М. Мир, 1975,, 431 с.

10. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер: с англ.—М.:Мир. 1989, 544 с.

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

12. Лагутин В.С.Использование сетей с коммутации пакетов для реализации услуг мультимедиа / Системы управления сетями телекоммуникаций. МТУ СИ. М., 2002, С 210. в ЦНТИ "Информсвязь" 2002, №2205-св2002.

13. Попова А.Г., Панов А.Е. Сравнительный анализ способов коммутации для обеспечения услуг мультимедиа. Системы управления сетями телекоммуни-каций//МТУСИ. М., 2002, С.69-75.

14. Крук Б.И., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети, современные технологии. Том 1 М. горячая линия-телеком, 2003г, — С.647.

15. Башарин Г.П., Самуйлов К.Е. Современный этап развития теории телеграфи-ка//Информационные материалы -2110-№1- С. 153-166.

16. Pippas J.B., Venieris I.S. A red variation for delay control/ЛЕЕЕ June 18-22, 2000- New Orleans.

17. S. Kapoor S. Raghavan. Improved multicast routing with delay and delay variation constraints. GLOBECOM 00 IEEE. San Francisc. 27 November -1 December 2000.

18. Chili-Jen C., Nilsson A.A. Queuing networks modeling for a packet router architecture using the DTM technology//IEEE June 18-22, 2000 New Orleans.

19. T.M. Trang, N. Boukhatem, G. Pujolle. COPS-SLS usage for dynamic policy-based QoS management over heterogeneous IP networks/ЯЕЕЕ network. May/June, 2003, PP 44-50.

20. Мархасин А.Б. Анализ интегрального телетрафика и проектирование мобильных сетей ЗС//Электросвязь 2002 - № 12 - С.3-9.

21. Демьянов А.И. Оценка параметров скачков нагрузки в сотовых сетях подвижной связи//Электросвязь 2002 - № 5.

22. Bahl P. Supporting digital video in a managed wireless network//IEEE Communications Magazine vol. 36 - June 1998 - PP.94-102.

23. Davies N., Finney J., Friday A., Scott A. Supporting adaptive video applications in mobile environments//IEEE Communications Magazine vol. 36 - June 1998 -PP. 138-143.

24. Седякин H.M. Элементы теории случайных импульсных потоков. М.: Советское радио, 1965, С.260.

25. Цыбаков В.И., Численные исследования дисперсионных свойств нагруз-ки//Вести связи 2002 - № 12 - С.55-58.

26. Шеннон Р. Имитационное моделирования систем, искусство и наука. Пер: с англ. М.: Мир, 1978, — С.420.

27. Аврамчук Е.Ф., Вавилов А.А., Емельянов С В. и др. Технология системного моделирования. Машиностроение. Берлин: Техник, 1988, — С.520.

28. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и мир. 1988, С. 232.

29. Иванов А.Б., Соколов И.В., От сквозного контроля сети к контролю качества услуг//Элекгросвязь 2001 - № 2.

30. Молчанов Д.А. Разработка модели и анализ характеристик обслуживания видеоинформации в узле сети АТМ//автореферат диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук ГУТ - Санкт-Петербург - 2002 - С. 180.

31. Швецов В.П., Цирик И.А. Модель сети радиодоступа с разнородными потоками информации//Информсвязь 2001 - № 2195 - С. 18-25.

32. Casetti С. De Martin J.C. Meo M. A framework for the analysis of adaptive voice over IP//IEEE June 18-22, 2000 New Orleans.

33. Михалевич И.Ф., Сычёв К.И. Моделирование процессов функционирования и управления трафиком в системах мобильной связи//Элекгросвязь-2002 № 1.

34. Голышко А.В., Ершов В.А., Цыбаков В.И. Оценка качества обслуживания пользователей Интернет, включенных в электромеханические АТС//Вестник связи 2000 - № 12 - С.70.

35. Ершов В.А., Ершова Э.Б., Щека А.Ю., Метод оценки качества обслуживания на мультисервисной сети с учетом числа пользователей услуг//Электросвязь-2001 №8-С.5-8.

36. Cohen R., Radha Н., Streaming fine-grained scalable video over packet-based net-work//IEEE Global Telecommunications Conference San Francisco -27 November-1 December - 2000.

37. Lee M.J., Kim J.K. Video frame rate control for non-guaranteed network services with explicit rate feedback Visual Communications Lab//Dept. of Electrical Engineering Kusongdong Yusonggu Taejon - PP 305-701.

38. Wong W.K., Qian Y., Leung V.C. Scheduling for heterogeneous traffic in next generation wireless network//GLOBECOM IEEE-San Francisco 2000 - PP .283-287.

39. ElAarag H., Bassiouni M. Simulation of transport protocols over wireless communication networks//Proceedings of the 2000 Winter Simulation Conference -PP 235-1241.

40. Dapeng W., Yiwei H. Streaming video over the Internet Approaches and direc-tions/ЛЕЕЕ Trans / Circuits and Syst. Video Technol 2001 - № 3 - PP.282-300.

41. Zhao H., Ansari N., Shi Yun Q. Transmission of real-time video over IP differentiated services//Electron. Lett. 2002 - № 19 - PP.1151-1153.

42. Baskett F., Chandy K.M., Muntz R.R., Polacias F.G. Open, closed and mixednet-works of queues with different classes of customers//Journal of the ACM v.22, №2 - 1975 - PP.248-260.

43. Konstantopoulos Т., Zazanis M., De Veciana G. Conservation laws and reflection mappings with an application to multiclass mean value analysis for stochastic fluid queues//Stochastic Process vol. 65, №. 1 - 1996 - PP. 139-146.

44. Marchese M. Study and performance evaluation of TCP modifications and tuning over satellite links//IEEE ICC JUNE 18-22 2000- NEW ORLEANS.

45. Chen J.C, Agrawal P. Active techniques for real time video transmission and play-Ьаск/ЛЕЕЕ ICC 2000 - New Orleans - PP.239-243.

46. Lixin W. Hamdi M. Analysis of Multimedia Access Protocols for Shared Medium Networks//IEEE 2000 Global Telecommunications Conference - San Francisco.

47. Фоминов О. Мультимедиа и сети. Мультимедиа. Цифровое видео, № 5 1997.

48. Bodamer S., A New Scheduling Mechanism to Provide Relative Differentiation for Real-Time IP Traffic/ЛЕЕЕ 2000 GTC - San Francisco.

49. Bandara J., Shen X., Nurmohamed Z. A Fuzzy Resource Controller for Non-RealTime Traffic in Wireless Networks//IEEE ICC june 18-22, 2000 - New Orleans.

50. Jiang J. Lai Т. H., An Efficient Approach to Support QoS and Bandwidth Efficiency in High-Speed Mobile Networks//IEEE ICC june 18-22, 2000 - New Orleans.

51. Barryl M., Andrew T. Distributed Control Algorithms for Service Differentiation in Wireless Packet Networks//IEEE INFOCOM 2001.

52. Mansour J. Karam F. Tobagi A. On Traffic Types and Service Classes in the Internet//IEEE Global Telecommunications Conference 2000 - San Francisco.

53. Mercado A., Ray K. J. Adaptive QoS for Mobile Multimedia Applications Using Power Control and Smart Antennas//IEEE ICC june 18-22,2000 - New Orleans.

54. Kuzmanovic A. Edward W Measuring Service in Multi-Class Networks//IEEE INFOCOM 2001.

55. Lombardo A., Morabito G., Schembra G., An Accurate and Treatable Markov Model of MPEG-Video Traffic//IEEE Proc. Infocom April 1998 - USA, San Francisco.

56. ITU-T Recommendation 1.363.2: B-ISDN ATM Adaptation Layer 2 Specifications, Sep 1997.

57. ITU-T Recommendation H.323 Version 3, Packet Based Multimedia Communication Systems, 1998.

58. Capurro M., Ravaglia R., Giuli D. Users, Services and Traffic Modeling for Broadband Telecommunications Planning/TVol. 2- № 4 Jul.-Aug. 1991.

59. Bonatti M., Gaivoronski A., Lemonche P., Polese P. Summary of Some Traffic Engineering Studies Carried out Within RACE Project R1044//Vol. 5, № 2 Mar. Apr. 1994.

60. Maniatis S.I., Nikolouzou E.G., Venieris I.S. QoS issues in the converged 3G wireless and wired networks//IEEE Communications Magazine V.40, № 8 -2002 - PP.44-53.

61. Олифер В.Г., Олифер H.A. Компьютерные сети, принципы, технологии, протоколы. СП.: Питер, 2001, С.668.

62. Markopoulou P., Tobagi A., Karam J. Assessment of VoIP Quality over Internet Backbones//IEEE INFOCOM 2002.

63. Voran S. Speech quality of G.723.1 coding with added temporal discontinuity im-pairments//Proc. of ICASSP May 2001.

64. Ramjee R., Kurose J., Schulzrinne H. Adaptive play out mechanisms for pack-etized audio applications in wide-area networks/ЯЕЕЕ INFOCOM June 1994.

65. Rosenberg J., Qiu L., Schttlrinne H., Integrating packet FEC into adaptive voice playout buffer algorithms on the lnternet/ЛЕЕЕ INFOCOM March 2000.

66. Carle G., Biersack E. W., Survey of Error Recoveiy Techniques for IP-Based Audio-Visual Multicast Applications//IEEE Network vol. 11 - November-December 1997 - PP.24-36.

67. Perkins C., Hodson O., Hardman V. A Survey of Packet-Loss Recovery Techniques for Streaming Audio//IEEE Network vol.12, №. 5 - Sept-Oct 1998 -PP.40—48.

68. Erdol N., Castelluccia C., Zilouchian A. Recoveiy of Missing Speech Packets Using the Short-Time Energy and Zero-Crossing Measurements//IEEE Transactions on Speech and Audio Processing vol.1, №.3 - July 1993 - PP.295-303.

69. Chen Y. L., Chen B. S. Model-Based Multirate Representation of Speech Signals and Its Application to Recovery of Missing Speech Packets//IEEE Transactions on Speech and Audio Processing vol. 5, №. 3 - May 1997 - PP.220-231.

70. Hardman V., Sasse M.A., Handley M., Watson A. Reliable Audio for Use over the Intemet//Int. Proceedings of INET'95 1995.

71. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания. -Л.: Машиностроение, 1990. С.332.

72. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 № 2459 Overview of the MPEG-4 standard. 1998.

73. Srivastava A., Kumar A., Singru A., Design and Analysis of a Video-on-Demand Served/Multimedia Systems Vol.5, No.4 - July 1997 - PP.238-254.

74. Wu D., Hou Y., Zhu W., Zhang Y., Peha M. Streaming video over the Internet Approaches and directions//IEEE Trans. Circuits and Syst. / Video Technol. 2001 -№ 3 - PP.282-300.

75. Conklin G., Greenbaum G., Lillevold K., Lippman A., Reznik Y. Video coding for streaming media delivery on the Internrt/ЯЕЕЕ Trans. Circuits and Syst. Video Technol. - 2001 - № 3 - PP.269-281.

76. Lee J. On a unified architecture for video-on-demand services/ЛЕЕЕ Trans. Multimedia 2002 - № 1 - PP.38-47.

77. Pornavalai C., Chakraborty G., Shiratori N. QoS Based Routing Algorithm in Integrated Services Packet NetwoTks//Intemational Conference on Network Protocols Atlanta, Georgia - PP. 167-175.

78. Rabbat R. Traffic Engineering Algorithms Using MPLS for Service Differentia-tion//IEEE JUNE 18-22, 2000 - NEW ORLEANS.

79. Toukourou M., Orozco-Barbosa L. Performance of MPEG-2 video-on-demand over RSVP//Proc. SPIE 2000 - PP. 13-24.

80. Furey S. The place of modeling tools in network planning//EDP Perform. Revio (USA) 1989 - V.17 - №6 - PP. 1-4.

81. Frost V.S., Melamed В., Traffic modeling for telecommunications net-works//IEEE Communications Magazine Mar. 1994 - PP.70-81.

82. Loeve W. Construction of programs for simulation//Informatie (Netherlands) -1993,- V.35, № 7-8 PP.485-492.

83. Shannon R.E., Introduction to simulation//IEEE Winter Simulations Conference Proceedings New York, USA - 1992 - PP.65-73.

84. Barton R.R., Fishman G.S., Kalos M.H., Kelton W.D., Kleijnen J.P. Experimental design issues for large simulation models//IEEE Winter Simulations Conference Proceedings San Diego, USA - 1989 - PP.411-418.

85. Henriksen J.O. The integrated simulation environment. Simulation software of the 1990s//0peration Res. (USA) 1983 - V.31, .№6 - PP. 1053-1073.

86. Radiya A., Fishwick P.A., Nance R.E., Rothenberg J., Sargent R.G. Discrete event simulation modeling, directions for the 1990s. 1992

87. Розанов Ю.А. Случайные процессы. M.: Наука, 1979г. С. 112.

88. Казаков В.А. Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи. -М.: Советское радио, 1973.

89. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука. 1969

90. Феллер В. Ведение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1, 2. М.: Мир, 1984.

91. Кемин Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. М.: Наука. 1970.

92. Карлин С.Осноы теории случайных процессов. М.: Мир, 1971.

93. Krunz, М.М. Makowski A.M., Modeling Video Traffic Using M/G/l Input Processes: A Compromise Between Markovian and LRD Models//IEEE Journalon Selected Areas in Communications 16 (5) PP.733-748.

94. Poon, W. Lo K., A refined version of M/G/ос processes for modeling VBR video traffic//Computer Communications PP. 1105-1114.

95. Кофман А., Крюон P. Массовое обслуживание. Теория и приложения. М.: Мир, 1965.

96. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчёта. М.: Наука, 1989. С. 336.

97. Штойян Д. Качественные свойства и оценки стохастических моделей. М.: Мир, 1979.

98. Кениг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания. М.: Радио и связь, 1981.

99. Jackson J.R. Networks of waiting Iines//Operation Research 1957 - №5 -PP.518-521.

100. Gordon W.G., Newell G.F. Closed queueing systems with exponential serv-ers//Operation Research V.15, №2 - 1967 - PP.254-265.

101. Митрофанов Ю.И., Беляков В.Г., Курбангулов B.X. Методы и программные средства аналитического моделирования сетевых систем//Препринт, М.: Научный совет по комплексной проблеме Кибернетика, 1982. с 67.

102. ChandyK.M., Howard J.H., TowsIeyD.F., Product form and local balance in queueing networks//Journal of the ACM v.24, №2 - 1977 - PP.250-263.

103. Беляков В.Г., Митрофанов Ю.И., Ярославцев А. Ф. Пакет прикладных программ для математического моделирования сетевых систем. 1986. С. 145150.

104. Гурьянов А.И., Митрофанов Ю.И. Определение параметров замкнутых линейных сетей систем массового обслуживания. 1970. С.39-49.

105. Chandy К.М. Neuse D., a heuristic algorithm for queueing network models for communications of the ACM. v.25, №2, PP. 126-141.

106. Reiser M., Lavenberg S.S. Mean-value analysis of closed multichain queueing networks//J. ACM vol. 27, № 2 - April 1980 - PP 313-322.

107. Reiser M. Mean-value analysis and convolution method for queue-dependentservers in closed queueing networks//Performance evaluation vol. 1 — 1981 -PP 7-18.

108. Жожикашвили В.А., Вишневский B.M. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. С. 192.

109. Xu Y., Chang Y., Liu Z. Calculation and analysis of compensation buffer size in multimedia systems//IEEE Commun. Lett. 2001 - № 8 - PP.355-357.

110. Xie J., Jiang S., Jiang Y. A dynamic bandwidth allocation scheme for differentiated services in EPONs//IEEE Communications Magazine august 2004, vol. 42 №. 8, PP.32-39.

111. Derong L., Endre S., Wei S. Nested auto-regressive processes for MPEG-encoded video traffic modeling/ЛЕЕЕ Trans. Circuits and syst / Video Technol -2001 -№2-PP 169-183.

112. Митрофанов Ю.И. Синтез сетей массового обслуживания. Саратов: Изд-во ГуНЦ "Колледж", 1995. С. 168.

113. Uttam K.S., Ramakrishnan S., Dilip S. Segmenting full-length VBR video into shots for modeling with Markov-modulated gamma-based framework//Proc. SPIE-2001 PP. 191-202.

114. Ярославцев А.Ф., Аль-Днебат С.А. Моделирование процессов передачи мультимедийного трафика в 1Р-сети//Информатика и проблемы телекоммуникаций. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции. Новосибирск: СибГУТИ, 2003 - С.77-80.

115. Ярославцев А.Ф., Аль-Днебат С. А. Применение структурированных сетей обслуживания для оценки параметров качества сервиса телекоммуникационных сетей. Материалы международной научно-практической конференции «Связь 2004». 22-29 августа 2004 г. С.329-335.

116. CCIE, Cisco Certified internetworking Expert. Учебное руководство, Экзамен 350-001, М, 2002.

117. Schulzrinne Н., Casner S., Frederick R., Jacobson V. A Transport Protocol for Real-Time Applications//Audio-Video Transport Working Group January 1996.

118. Braden R., Clark D., Shenker S. Integrated Services in the Internet Architecture:an Overview / Internet RFC 1633, June 1994.

119. Zhao W. Tripathi S. K. Routing Guaranteed Quality of Service Connections in Integrated Services Packet Networks//International Conference on Network Protocols Atlanta, Georgia - PP. 175-182.

120. Balakrishnan H., Padmanabhan V., Seshan S., Katz R. A Comparison of Mechanisms for Improving TCP Performance over Wireless Links//IEEE ACM Trans, on Networking December 1997.

121. He E., Hughes H.D. Experimental Evaluation of TCP Performance over Wireless Networks//Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems 1999.

122. Schulzrinne H., Casner S., Frederick R., Jacobson V. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications//RFC 1889 January 1996.

123. Spiridon В., Li V. Maximizing the number of users in an interactive video-on-demand system//IEEE Trans. Broadcast 2002 - № 4 - PP.281-292.

124. Hartanto F., Tiohardi L. Effects of interaction between error control and media synchronization on application-level performances//GLOBECOM'00. IEEE San Francisco - 2000 - PP.283-287.

125. Chatzimisios P., Boucouvalas A.C. Vitsas V. Performance Analysis of IEEE 802.11 DCF in Presence of Transmission Errors//2004 IEEE International Conference on Communications 2004.

126. Ярославцев А.Ф., Аль-Днебат С.А., Аналитическая модель передачи мультимедийного трафика по TCP/IP сети. Материалы международной научно-практической конференции «Связь 2004». 22-29 августа 2004 г. С.323-328.