автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Разработка алгоритмов управления абонентной нагрузкой при перегрузке магистральных каналов в сетях документальной электросвязи с коммутацией каналов

£?/ С/ ^ Г ул

ГОСУДАРСВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ

И ИНФОРМАТИЗАЦИИ Московский технический университет связи и информатики

5 * -«мигт.у...... ■ у ...

' / А ■ У у I >

На правах дукописи

Соловьева Анна Валерьевна

УДК 621.394.7:621.3.072.85

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ НАГРУЗКОЙ ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ СЕТЕЙ ДОКУМЕНТАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОВСЯЗИ С КОММУТАЦИЕЙ КАНАЛОВ

Специальность 05.12.14. - Сети, узлы связи и распределение информации

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор каф. ПДС и Т Малиновский С.Т

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................5

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЗКИ И КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЫЗОВОВ МАГИСТРАЛЬНЫМИ КАНАЛАМИ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ДЭС С КК

1.1. Постановка задачи.............................................................................12

1.2. Общая характеристика нагрузки............................................................13

1.3. Характеристика качества обслуживания вызовов......................................16

1.4. Оценка влияния перегрузки магистральных каналов на качество обслуживания вызовов.........................................................................18

1.5. Анализ методов динамического управления сетями связи...........................24

ВЫВОДЫ................................................................................................28

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ НАГРУЗКОЙ

ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ДЭС С КК

2.1. Постановка задачи............................................................................29

2.2. Определение методики разработки алгоритмов управления

абонентской нагрузкой......................................................................30

2.3. Определение требований к алгоритмам управления абонентской нагрузкой, контролируемых, оценочных и управляемых параметров............32

2.3.1. Общие требования к алгоритмам управления абонентской нагрузкой

на территориальных сетях ДЭС с КК..................................................32

2.3.2. Определение контролируемых, оценочных и управляемых параметров........34

2.4. Алгоритм узлового управления абонентской нагрузкой при перегрузке магистральных каналов ....................................................................37

2.5. Алгоритм сетевого управления абонентской нагрузкой при перегрузке магистральных каналов .....................................................................41

ВЫВОДЫ...............................................................................................48

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ КАНАЛОВ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ ДЭС С КК С УЧЕТОМ УПРАВЛЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ НАГРУЗКОЙ 3.1. Постановка задачи.............................................................................50

3.2. Разработка математической модели обслуживания вызовов магистральными каналами с учетом управления абонентской нагрузкой........51

3.2.1. Разработка структурной схемы модели и выбор исходных

данных..........................................................................................51

3.2.2. Составление системы уравнений статистического равновесия...................54

3.2.3. Вывод формул для расчета основных характеристик модели.....................74

3.3. Выбор метода расчета характеристик модели и анализ результатов математического моделирования........................................................77

ВЫВОДЫ..............................................................................................84

ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФРАГМЕНТА ТЕРРИТОРИАЛЬНОЙ СЕТИ ДЭС С КК С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ НАГРУЗКОЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

4.1. Постановка задачи................................ ..............................................85

4.2. Основные принципы и этапы имитационного моделирования......................86

4.3. Разработка имитационной модели фрагмента территориальной сети ДЭС

с КК с учетом узлового и сетевого управления абонентской нагрузкой.......89

4.3.1. Разработка концептуальной модели......................................................89

4.3.2. Выбор языка программирования..........................................................92

4.3.3. Разработка алгоритма моделирования...................................................96

4.3.4. Проверка адекватности программы и имитационной модели.....................98

4.4. Имитационное моделирование фрагмента территориальной сети ДЭС

с КК с учетом узлового и сетевого управления абонентской нагрузкой.... 101

4.4.1. Выбор исходных данных и параметров оценки результатов моделирования..............................................................................101

4.4.2. Анализ точности результатов моделирования и определение числа реализаций...................................................................................102

4.5. Анализ результатов имитационного моделирования...............................104

ВЫВОДЫ...............................................................................................115

ГЛАВА 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ ГРАНИЦ ЭФФЕКТИВНОГО

УПРАВЛЕНИЯ АБОНЕНТСКОЙ НАГРУЗКОЙ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТА ОТ ЕГО ВВЕДЕНИЯ НА РЕАЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ СЕТЯХ ДЭС С КК 5.1. Постановка задачи.............................. ..............................................117

5.2. Анализ особенностей построения территориальных сетей

ДЭСсКК.......................................................................................118

5.3. Исходные данные для определения численных значений границ эффективного управления абонентской нагрузкой.......................................................128

5.4. Анализ результатов определения численных значений границ эффективного управления абонентской нагрузкой....................................137

5.5. Определение эффекта от введения управления абонентской нагрузкой на реальных территориальных сетях ДЭС с КК...........................................159

ВЫВОДЫ..............................................................................................162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................164

ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты внедрения результатов диссертационной работы.............172

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа расчета характеристик математической модели........175

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа имитационного моделирования работы фрагмента

территориальной сети ДЭС с КК...........................................185

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Известно [17,31,42], что уровень загрузки элементов сетей документальной электросвязи (ДЭС) влияет на качество обслуживания сообщений (вызовов) этими сетями. Под перегрузкой элементов сети ДЭС понимается такой уровень загрузки, при котором качество обслуживания вызовов этими элементами становится ниже нормативного значения. Основными элементами сетей ДЭС, подверженными перегрузкам, являются управляющее оборудование центров коммутации и магистральные каналы [3,7]. Учитывая, что магистральные каналы продолжают оставаться наиболее дорогостоящими элементами сетей ДЭС, борьба с перегрузкой магистральных каналов является наиболее актуальной. Следует отметить, что разработка управляющих решений при перегрузке магистральных каналов особенно важна для территориальных сетей ДЭС с коммутацией каналов (ДЭС с КК). Так как при одновременной перегрузке каналов в нескольких магистральных направлениях на территориальных сетях с коммутацией каналов возможно лавиноооразное нарастание нагрузки из-за повторных вызовов и распространение перегрузки по каналам других направлений, вплоть до полного прекращения функционирования сети территории [33]. При возникновении подобной ситуации на сетях с коммутацией сообщений лишь увеличивается время ожидания сообщений в очередях.

Одним из наиболее эффективных методов устранения перегрузок является управление потоками нагрузки, которое чаще всего заключается в ограничении их величины. В соответствии с [38], ограничение нагрузки на сетях ДЭС с КК обеспечивается введением фиксированного порога нагрузки на первых ветвях обходного пути. Однако, данная мера эффективна лишь до определенного уровня загрузки каналов [38,43]. Так как с ростом поступающей в сеть нагрузки увеличение потока транзитной нагрузки происходит нелинейно и, при значительных общесетевых перегрузках, резкое увеличение транзитной нагрузки делает использование обходных

путей неэффективным и, следовательно, не позволяет защитить оборудование сетей ДЭС с КК от перегрузок.

Поэтому, в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т Е.410, при перегрузке сети или отдельных ее элементов должны приниматься меры по ограничению потока вызовов, поступающих в сеть, то есть рекомендуется управление абонентской нагрузкой в форме ее ограничения. Управление, ставящее своей целью защиту от перегрузок отдельных элементов сети, например, магистральных каналов, включенных в определенный узел сети, будем называть узловым управлением абонентской нагрузкой (управлением нагрузкой на узловом уровне), а управление нагрузкой с целью предотвращения распространения перегрузки по всей сети - сетевым управлением абонентской нагрузкой (управлением нагрузкой на сетевом уровне). С учетом данной рекомендации, возникает необходимость в разработке алгоритмов управления нагрузкой на узловом и сетевом уровне для сетей ДЭС с КК для защиты магистральных каналов от перегрузок, предотвращения распространения перегрузок по сети и повышения качества обслуживания вызовов. Поэтому, в данной диссертации ставится весьма актуальная задача - разработать алгоритмы управления абонентской нагрузкой при перегрузке каналов в магистральных направлениях территориальных сетей ДЭС с КК, произвести оценку эффективности предложенных алгоритмов и определить области применения разработанных алгоритмов на реальных территориальных сетях ДЭС с КК.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы - разработка алгоритмов управления абонентской нагрузкой при перегрузке каналов в магистральных направлениях территориальных сетей ДЭС с КК. Задачами исследования являются:

1. Оценка качества обслуживания вызовов магистральными каналами территориальных сетей ДЭС с КК.

2. Выбор метода защиты от перегрузок магистральных каналов сетей ДЭС с КК.

3. Определение процедуры конструирования алгоритмов управления абонентской нагрузкой и применение ее для разработки алгоритмов управления абонентской нагрузкой на сетях ДЭС с КК при перегрузке магистральных каналов.

4. Теоретический анализ работы магистральных каналов сети ДЭС с КК, обслуживающих два потока вызовов, с отказами, повторными попытками и с учетом управления абонентской нагрузкой с целью оценки влияния управления абонентской нагрузкой на качество обслуживания вызовов с помощью математической модели и определение вероятностно-временных характеристик модели.

5. Определение оптимальных (с точки зрения качества обслуживания вызовов) параметров алгоритмов управления абонентской нагрузкой с помощью имитационного моделирования работы фрагмента территориальной сети ДЭС с КК с учетом узлового и сетевого управления абонентской нагрузкой.

6. Определение численных значений границ эффективного управления абонентской нагрузкой и эффекта от применения разработанных алгоритмов на примере реальных территориальных сетей ДЭС с коммутацией каналов.

Методы исследования. Решение вопросов диссертационной работы ведется с применением теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории телетрафика и имитационного моделирования.

Содержание работы. В соответствии с поставленными задачами тема диссертации освещается по главам в следующем порядке.

В первой главе производится анализ качества обслуживания вызовов сетями ДЭС с КК, на примере сети абонентского телеграфа (АТ), как наиболее разветвленной сети ДЭС с КК. Также в данной главе с помощью имитационного моделирования исследуется качество обслуживания вызовов магистральными каналами данных сетей при возникновении повреждения, аварии или перегрузки. Кроме этого, на основе анализа принципов и методов динамического управления, выбирается эффективный метод для устранения перегрузок каналов в магистральных направлениях.

Во второй главе определяется универсальная процедура конструирования алгоритмов управления абонентской нагрузкой. Затем эта процедура применяется для разработки алгоритмов управления абонентской нагрузкой на узловом и сетевом уровне при перегрузке магистральных каналов территориальных сетей ДЭС с КК.

В третьей главе разрабатывается математическая модель работы магистральных каналов сетей ДЭС с КК с учетом управления абонентской нагрузкой с целью оценки влияния управления абонентской нагрузкой в форме ее ограничения на качество обслуживания вызовов.

В четвертой главе производится имитационное моделирование фрагмента территориальной сети ДЭС с КК с целью определения оптимальных параметров алгоритмов управления абонентской нагрузкой и оценки их эффективности. В качестве характеристик, по которым оценивается эффективность разработанных алгоритмов, используются: доля отказов в установлении соединения из-за занятости магистральных каналов для исходящих и транзитных вызовов, удельная загрузка магистральных каналов, а также доля установленных соединений от общего числа попыток входа в сеть.

В пятой главе анализируются особенности построения реальных территориальных сетей ДЭС с КК на примере территориальных сетей АТ. Этот анализ является основой для имитационного моделирования реальных территориальных телеграфных сетей, которое производится в данной главе с целью определения численных значений границ эффективного управления абонентской нагрузкой, а также оценки эффекта от введения управления абонентской нагрузкой при существующем уровне загрузки магистральных каналов. Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлено, что на телеграфных сетях с коммутацией каналов занятость магистральных каналов является причиной неустановления 15,5% соединений, при этом доля отказов в установлении соединения из-за занятости магистральных

каналов превышает норму на двадцати шести процентах магистральных направлений, причем для пяти процентов магистральных направлений нормативное значение превышается в 10 раз;

- разработаны алгоритмы управления абонентской нагрузкой при перегрузке магистральных каналов сетей ДЭС с КК, которые, на основе выбранных контролируемых параметров, позволяют оперативно оценить качество обслуживания вызовов и принять меры по задержке доступа в сеть исходящих вызовов с целью обеспечения нормативного качества обслуживания уже находящихся в сети вызовов;

- разработана математическая модель обслуживания вызовов магистральными каналами сетей ДЭС с КК, которая, в отличие от известных, предусматривает введение управления абонентской нагрузкой при перегрузке магистральных каналов и позволяет оценить его влияние на качество обслуживания вызовов;

- разработана имитационная модель территориальной сети ДЭС с КК, позволяющая определить оптимальные параметры алгоритмов управления абонентской нагрузкой и оценить их эффективность;

- с помощью имитационного моделирования для каждой существующей территориальной сети АТ определены численные значения интенсивности исходящей от каждого узла территории нагрузки, при которых управление абонентской нагрузкой дает максимальный эффект, выражающийся в возможности уменьшить число каналов в магистральных направлениях без ухудшения качества обслуживания вызовов.

Практическая ценность и использование результатов работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в получении алгоритмов управления абонентской нагрузкой, позволяющих защитить магистральные каналы сетей ДЭС с КК от перегрузок, предотвратить распространение перегрузок по сети, улучшить качество обслуживания вызовов и оптимизировать число каналов в магистральных на-

правлениях существующих территориальных сетей ДЭС с КК. Основные теоретические положения и практические результаты диссертации являются составной частью НИР, выполняемых в НИЧ МТУСИ [31,32,33] и используются в лекциях и практических занятиях по курсу «Сети и системы документальной электросвязи» и «Основы построения сетей ПДС», что подтверждено соответствующими актами. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ. (г. Москва 1996-1998 г.г.) Публикации. По результатам выполненных работ автором опубликовано 5 работ [21,22,23,24,25].

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для поддержания нормативного качества обслуживания вызовов магистральными каналами сетей ДЭС с КК необходимо управление абонентской нагрузкой в форме ограничения доступа в сеть исходящей ее части в периоды повышенной нагрузки.

2. Алгоритмы управления абонентской нагрузкой должны строиться согласно процедуре конструирования алгоритмов управления абонентской нагрузкой, базирующейся на рекомендации МСЭ-Т Е.410.

3. По результатам имитационного моделирования в качестве оптимальных (с точки зрения качества обслуживания вызовов) параметров алгоритма управления абонентской нагрузкой на узловом уровне следует принять значения длительности блокировки абонентско