автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка метода оценки вероятностно-временных характеристик услуг IPTV при их управлении мультимедийной подсистемой IMS

На правах рукописи

Али Раад Абдо Мохаммед

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСЛУГ IPTV ПРИ ИХ УПРАВЛЕНИИ МУЛЬТИМЕДИЙНОЙ ПОДСИСТЕМОЙ IMS

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г в ноя 2ои

Москва-2013

005540219

Работа выполнена на кафедре Сетей связи и систем коммутации Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики» (ФГОБУ ВПО МТУСИ)

Научный руководитель: Пшеничников Анатолий Павлович

кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Самуилов Константин Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, Российский университет дружбы народов, заведующий кафедрой Систем телекоммуникаций

Иевлева Татьяна Викторовна

кандидат технических наук, доцент, директор по обучению и развитию ЗАО "КОМСЕТ-сервис"

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное

бюджетное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики"

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д.219.001.03 при Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, МТУСИ, ауд. А-448.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ.

Автореферат разослан «. /А ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д. 219.00]. кандидат технических наук,

С.Д. Ерохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время реализуется второй этап концепции сетей связи последующего поколения NGN (Next Generation Networks)-KOHBepreHUM стационарных и мобильных сетей связи на базе мультимедийной IP-подсистемы IMS (IP Multimedia Subsystem). С помощью подсистемы IMS пользователям предоставляется широкий набор услуг с гибкими возможностями по управлению, персонализации и созданию новых наборов услуг за счет унификации сетевых решений. Одной из таких услуг является услуга Интернет-телевидения по протоколу IP (технология IPTV-Internet Protocol Television).

Платформа IMS предназначена для управления сессиями при предоставлении любых мультимедийных услуг с помощью мультисервисных сетей с использованием технологии IP/MPLS. Основным протоколом сигнализации для подсистемы IMS является протокол инициирования сеансов связи SIP (Session Initiation Protocol).

Основным источником доходов операторов являются новые услуги. При этом операторы должны обеспечить нормированные уровни качества обслуживания QoS (Quality of Service) и восприятия QoE (Quality of Experience), безопасность, интерактивность и надёжность. В этих условиях задача разработки метода оценки вероятностно-временных характеристик процессов предоставления услуг IPTV с помощью подсистемы IMS является весьма актуальной.

Степень разработанности темы. Различным аспектам решения данной задачи посвящены работы российских и зарубежных авторов. Так, теоретическую основу исследования с помощью сетей массового обслуживания составили работы Г. П. Башарина, В. М. Вишневского, К. Е. Самуйлова, С. Н. Степанова, D. D. Kouvatsos, I. М. Mkwawa, F. Baskett, К. М. Chandy, R. R. Müntz, F. G. Palacios.

Вопросы архитектуры IMS и взаимодействия сигнальных сообщений при установлении соединений рассмотрены в работах Б. С. Гольдштейна,

A. Е. Кучерявого, А. В. Рослякова, Е. Mikoczy, D. Sivchenko, В. Xu, J. I. Moreno.

Процедуры переключения каналов IPTV рассмотрены в работах

B. Dekeris, L. Narbataite, S. Malkos, E. Ucar, R. Akdeniz.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода оценки вероятностно-временных характеристик процесса установления соединений при предоставлении услуг IPTV с помощью платформы IMS. Исследованы время переключения каналов и длительность установления соединений при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ способа предоставления услуг IPTV на базе платформы IMS.

2. Выполнен анализ основных параметров, влияющих на время переключения каналов IPTV, проведена оценка среднего времени переключения каналов.

3. Для оценки длительности установления соединений IPTV-сессий разработана математическая модель в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания, получены в явном виде аналитические выражения, выполнен численный анализ.

4. Проведено имитационное моделирование процесса установления соединений с использованием платформы IMS при предоставлении услуг IPTV. Моделирование выполнено при изменении исходных данных в широком диапазоне, проведено сравнение средней длительности установления соединений, полученной аналитически и в результате имитационного моделирования.

5. На основании проведенных исследований предложена приближённая процедура для оценки длительности установление соединений IPTV-сессий с помощью платформы IMS.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. В результате детального анализа рекомендаций МСЭ-Т и ETSI по IPTV-архитектуре и качеству восприятия (QoE) определены параметры, в наибольшей степени влияющие на время переключения каналов: число пользователей, одновременно просматривающих один и тот же текущий канал, размер групп видеокадров, вероятности загрузки каналов от узла доступа или от узла агрегации и доля трафика других услуг. Получены численные оценки времени переключения каналов, позволяющие операторам связи управлять качеством восприятия.

2. Для оценки средней длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV разработана математическая модель в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания. В явном виде получена формула для расчета средней длительности установления соединений, представлены результаты численного анализа. Полученные оценки позволяют операторам связи контролировать интенсивность запросов для поддержания нормированного уровня качества обслуживания.

3. Для оценки влияния принятых в математической модели допущений об отрицательном экспоненциальном законе распределение вероятностей длительности обслуживания заявок и генерации на каждом узле только одного сигнального сообщения разработана имитационная модель процесса установление соединение в среде GPSS World.

Результаты моделирование отрицательного экспоненциального распределение длительности обслуживания заявок и детерминированного распределения, а также расчёты по математической модели укладываются в 95% доверительный интервал.

4. На основании анализа процесса обмена сигнальными сообщениями при

установлении IPTV-сессий с помощью платформы IMS и с учётом длин сигнальных сообщений предложена приближённая оценка средней длительности установления соединений. При нормальной загрузке каналов в сети приближённая оценка практически совпадает со значениями, полученными с помощью математической модели. При предельно допустимой загрузке приближённые значения позволяют получить нижнюю оценку длительности установления соединений с погрешностью до 10 %.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в построении и исследовании модели открытой неоднородной сети массового обслуживание для опенки длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV с помощью мультимедийной платформы IMS.

Полученные численные оценки среднего времени переключения каналов и средней длительности установления соединений позволяют операторам связи управлять качеством обслуживание и восприятия при предоставлении услуг IPTV. Рекомендации, полученные в диссертации по управлению качеством обслуживания и восприятия при предоставлении IPTV-услуг, использованы телекоммуникационной компанией DYNAMIC SOLUTIONS при проектировании мультисервисной сети связи города Сана Республики Йемен, а также использованы в учебном процессе кафедры «Сети связи и системы коммутации» Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ). Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории массового обслуживания, теории марковских случайных процессов, теории телетрафика, теории сетей связи, методы имитационного моделирования.

Основные положения, выносимые на защит}'.

1. На среднее время переключение IPTV-каналов в период рекламной паузы наибольшее влияние оказывают следующие факторы: число пользователей, одновременно просматривающих один и тот же канал; размер и число групп видеокадров; вероятность загрузки каналов от узла доступа или от узла агрегации; доля трафика других услуг. Так, например, при загрузке каналов из узла агрегации задержка может достигать 0,5-0,6 секунд при её нормированной величине не более двух секунд.

2. Для математического описание процесса установления соединений при предоставлении услуг IPTV в виде открытий неоднородной сети массового обслуживание приняты допущения о пуассоновском характере потока заявок и о показательном распределении длительности обслуживания заявок в серверах. Имитационное моделирование показало возможность использования этих допущений при практическом использовании результатов, полученных по предложенной модели.

3. Численный анализ средней длительности установления соединений

с помощью платформы IMS при предоставлении услуг IPTV и голосовых сообщений (VoIP) показал, что длительность установления соединений для услуг IPTV примерно в два раза больше длительности для услуг VoIP.

4. При имитационном моделировании учитывалась длительность задержки обслуживания запросов на каждом сервере. Максимальное значение имело место на прокси-сервере (более 25% от суммарной задержки).

5. Для приближённой оценки средней длительности установления соединений достаточно учитывать длины и скорость передачи сигнальных сообщений, а также среднее значение времени обработки запросов на серверах.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается использованием строгих математических методов исследования и вычислительным экспериментом, проведенным на базе исходных данных, близких к реальным.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

- «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ, Москва, 2011 -2013 гг.;

- 6-я и 7-я Отраслевые научно-технические конференции «Технологии информационного общества», МТУСИ, Москва, 2012,2013 гг.;

- Всероссийская научно-техническая конференция общества радиотехники, электроники и связи имени А. С. Попова, Москва, 2013г.;

- Международная молодежная научно-практическая конференция СКФ МТУСИ «ИНФОКОМ-2013 г.», Ростов-на-Дону, 2013 г., а также на кафедре Сетей связи и систем коммутации МТУСИ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, из них 4 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии и пяти приложений. Основные результаты изложены на 107 страницах, в том числе на 30 рисунках и в 9 таблицах. Дополнительные сведения изложены в приложениях на 15 страницах. В библиографию включено 118 источников на русском и английском языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе показано место платформы IMS в концепции сетей связи последующих поколений и основные причины, по которым необходимо внедрять мультимедийные подсистемы для предоставления услуг IPTV. Детально рассмотрены рекомендации международных организаций по вопросам стандартизации архитектуры мультисервисной

сети, интерфейсам мультимедийной платформы и её месте в реализации концепции NGN, а также доставки услуг IPTV. Проведен анализ различных вариантов архитектуры построение сети 1PTV в соответствии с концепцией NGN, обоснован вариант построение сети на базе платформы IMS. Рассмотрена функциональная архитектура сети IPTV на базе платформы IMS, рекомендованная рабочей группой TISPAN.

Выполнен анализ услуг IPTV, рассмотрены этапы установления соединений и взаимодействие протоколов при предоставлении услуг с помощью платформы IMS. Проведен анализ методов оценки вероятностно-временных характеристик услуг IPTV при их управлении IMS. Показана возможность использования для этой цели математической модели открытой неоднородной сети массового обслуживания. Для проверки допущений, принятых в математической модели, предложено использовать имитационное моделирование. В заключении главы приведена содержательная постановка задачи исследования.

Во второй главе разработана процедура оценки среднего времени переключения каналов при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS. Под временем переключения принимается разница во времени между окончанием просмотра текущего канала и отображением первого кадра нового канала на экране телевизора. Исследована архитектура сети для предоставления услуг IPTV с использованием платформы IMS (рис.1).

Diameter SIP RTSP

_ . _ HTTPs

- RTP

Медиасерверы

Интерфейсы: Xd = RTP Xp , Xc = RTSP Xa = HTTPs y2 = SIP Gm = SIP ISc = SIP Sh = Diameter Cx = Diameter Mw - SIP

l-C SC F-:m праш и вающее S-CSCF-обслуживающее P-CSCF-проксн HSS-домашштп сервер

IMS-мультимедийная IP-подсистема

Modem

Абонентское оборудование (UE)

DSLAM Коммутатор Сеть доступа Сеть агрегации

Рис. 1. Архитектура сети IPTV с использованием платформы IMS

Как видно из рис. 1, архитектура сети включает абонентское оборудование (UE), сеть доступа, сеть агрегации, ядро сети IP/MPLS,

7

мультимедийную IP-подсистему (IMS), серверы приложений и медиа-серверы. На рис. 1 также показаны интерфейсы и основные протоколы.

Разработана диаграмма обмена сигнальными сообщениями между основными элементами сети при предоставлении услуг IPTV. Детально рассмотрена процедура переключение каналов IPTV во время рекламной паузы, проведен анализ задержек на различных этапах установления соединений. Для оценки времени переключения каналов суммируются задержки в буфере UE, на сети доступа, на сети агрегации и задержки передачи сигнальных сообщений1. Зависимость времени переключения каналов от числа пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же текущий канал NK3Si П0ЛЬ31 при разных размерах групп видео кадров DGoF приведена на рис. 2.

^пер. = Ро -das + Pl-Darp. + да, , (1)

где Опер, - время переключения каналов:

Das - общая задержка переключения каналов на узле доступа;

Da,p - задержки при скачивании потока из узла агрегации;

D дж - задержка в буфере джиттера;

Р0- вероятность загрузки каналов из узла доступа;

Р] -вероятность загрузки каналов из узла агрегации.

Приведенные на рис. 2 зависимости рассчитаны при фиксированных значениях вероятности Р0 = 0,4 и = 0,6.

/1 / /

•Л / /

- P: = 0.5 ■rt S V! # ^ * s s f s• < /

в vt» .п....

'U' p = U.3

N кан. польз.

— при D GoP = 450 мс ___при D GoP = 450 мс

.... при D GoP = 900 мс ___при D GoP = 900 мс

Рис. 2. Зависимость времени переключение каналов от числа пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же текущий канал

JB. Dekeris, L. Narbutaite. IPTV Channel Zap Time Analysis // Electronics and Electrical Engineering. - Kaunas: Technologija, 2010. - No. 10 (106). -P. 117-120.

В третьей главе разработан метод оценки средней длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS. Выполнен детальный анализ процесса установления соединений IPTV-сессий. Диаграмма установления соединения приведена на рис. 3.

JP/MPLS P-CSCF S-CSCF

_(5) UPDATE_j

(2) 183 Session (2) 183 Session,Pr°gress Progress

(5) UPDATE

(2) 183 Session Progress

(6) 200 OK, Notify

(6) 200 OK. Notify

(7) 200 OK. Play

(7) 200 OK, P(7) 200 OK. Play

J I IPTV-AS ~|| MCF/MDF

(2) 183 Session Progress

(6) 200 OK. Notify

(6) 200 OK, Notify

(7) 200 OK. Play

(2) 183 Session Progress

(6) 200 OK, Notify

(7) 200 OK. Play

Рис. 3. Диаграмма установления соединения 1РТУ-сессии

Длительность установления соединения складывается из времени обработки сообщений функциональными блоками сети, а также из времени ожидание в очереди на обработку в каждом блоке и зависит от интенсивности нагрузки, создаваемой поступающими на функциональные блоки сигнальными сообщениями. При расчётах принято, что время передачи любого сообщения по 1Р-сети - величина постоянная и не зависит от длины сообщения.

Согласно диаграммы (рис. 3) среднее значение случайной величины (СВ) ASIP длительности соединения по протоколу SIP при предоставлении услуг IPTV вычисляется по формуле:

ДSIP = 5Aue + SAipimpls + 8Дp-cscF + s-cscf + 2Дi-cscr + iptv-as + 4Дmcf > (2)

где АиЕ - СВ времени обработки сообщений SIP абонентским оборудованием;

MPLS - задержки передачи сообщений SIP по сети IP/MPLS; ap-cscf> аs-cscf> Аi-cscF> aiptv-as> ámcf " СВ времени обработки сообщений SIP соответствующими функциональными блоками сети IPTV на базе платформы IMS.

Обработки сообщений Notify и Play, приведенных на диаграмме (рис. 3), не влияет на время установления соединения, поэтому не учитывается в формуле (2) в виде отдельных слагаемых.

Однако, нагрузка, создаваемая сообщениями Notify и Play, влияет на задержку обработки сообщений в функциональных блоках P-CSCF, S-CSCF и серверах IPTV AS, MCF/MDF, что учтено при имитационном моделировании. Поток запросов на предоставление услуг IPTV, поступающий на обслуживание, является случайным и может быть описан пуассоновским законом распределения вероятностей.

Как видно из диаграммы рис. 3, каждый запрос порождает серию сигнальных сообщений, которые, проходя по сети, меняют свой класс. Длительность обслуживания сигнальных сообщений принята в качестве случайной величины, распределённой по показательному закону распределения вероятностей. В этих предположениях для описания процесса обслуживания запросов на предоставление услуг IPTV предложена модель в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания (СеМО) (рис. 4).

На рис. 4 приведены узлы двух типов. Многолинейные узлы 1 и 2 с дисциплиной обслуживания IS (Infinite Server) описаны с помощью системы массового обслуживания (СМО) типа М I DIVI °о. Однолинейные узлы 3-7 с экспоненциальным распределением длительности обслуживания, не зависящим от класса заявки, и дисциплиной обслуживания FCFS (First Come First Served) описаны с помощью СМО типа М IМ 111 °°.

Заявка класса г, обслуживаемая в узле /, названа ((»-заявкой, ieM,reR, где М -1 - множество узлов; R -8 - множество классов заявок.

ЧерезLr = {(г, г): заявка класса г обслуживается в узлах г, г е М, г е Д} обозначено множество заявок класса г, обслуживаемых в сети.

'Baskett F.. К. М. Chandy. R. R. Müntz, and F. G. Palacios, "Open, Closed, and Mixed Networks of Queues with Different Classes of Customers", Journal of the ACM, Vol. 22. No. 2, April 1975. pp. 248260.

Узел 2 (IP/MPLS)

Узел 3 (P-CSCF)

Узел 4 (S-CSCF)

Узел 1 (UE)

(1) Invite

(2) 183 Session progress

(3) PRACK

(4) 200 OK

(5) UPDATE

(6) 200 OK, Notify

(7) 200 OK, Play

(8) 200 OK

Рис. 4. Модель установления соединения в виде открытой неоднородной СеМО

Описание классов заявок приведено в таблице 1. Таблица 1. Классы заявок.

№ п/п Название класса заявок Описание

1 INVITE Соответствует обработке или передаче запроса.

2 183 Session Progress Соответствует обработке или передаче запроса, содержащего сведения о мультимедийных возможностях вызываемой стороны.

3 PRACK Используется для надёжной транспортировки предварительных ответов.

4 200 OK Соответствует обработке или передаче ответа (Запрос успешно выполнен).

5 UPDATE Служит для изменения параметров сессии до прихода окончательного ответа (без воздействия на состояние диалога).

6 200 OK, Notify Соответствует обработке или передаче ответа. Сообщение Notify уведомляет подписчика о текущем состоянии ресурса и о том, чгго запрашиваемое событие произошло.

7 200 OK, Play Соответствует обработке или передаче ответа. Сообщение Play запрашивает начало вещания контента.

8 200 OK Соответствует обработке или передаче ответа (Запрос успешно выполнен).

Множества заявок для каждого из классов приведены ниже:

^ ={(1,1), (2,1), (3,1), (4.1), (5,1), (6,1), (7,1)); ¿5 = {(2,5), (3,5), (4,5), (6,5), (7,5)}; ¿2 = {(6,2), (5,2), (4,2), (3,2), (2,2), (1,2)}; ={(6,6), (4,6), (3,6), (2,6), (1,6)};

¿3 = {(2,3),(3,3), (4.3). (6,3), (7.3)}: ^ = {(2,7). (3.7), (4,7). (6,7), (7.7)};

¿4 = {(6,4), (4,4), (3,4), (2,4), (1,4)}; ^ = {(6,8), (4,8), (3,8), (2,8), (1,8)}.

(3)

После окончания обслуживания в узле / заявка (г, г) становится ( j,s) -заявкой с вероятностью %,r),u,s)' Uj^M, r,seR. Тогда

® = (б(7 ,-),(_/»)■ м R ' матрица переходных вероятностей цепи Маркова

на множестве состояний Lr, гей. В таблице 2 представлен фрагмент матрицы ©, которая содержит 44 столбца и 44 строки.

В случае, когда матрица © имеет вид, показанный в табл. 2, интенсивности потоков Л(/ ^ равны между собой и равны Л(: г) =Л0, где Л0 -

интенсивность поступающего на СеМО извне потока запросов. Время АиЕ обработки сообщений абонентским оборудованием, а также время A¡P/MPLS передачи заявок по сети IP/MPLS приняты постоянными. Определение длительности обслуживания заявок на узлах второго типа показано на примере узла 3 (прокси-сервер P-CSCF). Модель обслуживания описывается СМО М IМ 111 ~ (рис. 5).

Таблица 2. Элементы матрицы вероятностей переходов

0 II. (2.1) (3.1) (4.1) (5.1) (6.1) (7.1) (6.2) (5.2) (4 Л (3.2) (1.8)

I) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

11.1) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(2.1) 0 0 0 0 (I 0 0 0 0 0 0 0

Г3.11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

14.11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(5,1) 0 0 0 0 0 (I 0 0 0 0 0 0

(6.1) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(7.1) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (I 0 0

(6J) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(5,2) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

(4,2) 0 0 0 0 0 0 0 с 0 0 0 0

(3,21 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 О

0

(1.8) 0 0 (I 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

В узле 3 обслуживаются заявки всех классов. Интенсивности поступления заявок совпадают и равны

\зл) = \з.2) = 4:3,3) = Лз,4) = Лз.5) ~ Лз,6) = ^(3.7) = ^3,8) =

Z ■ ) • ; • з ОД)' \ълу Л(3.3)-- (3,4)"

Я ' } ■ ? ■ ?

(3=5)' (3,6)'' (3,7)' (3.S)

Рис. 5. Схема узла 3 (P-CSCF)

Через jUj обозначен параметр экспоненциального распределения длительности обслуживания в /-узле, ге {3,4.5,6.7}.

Среднее время пребывания заявки в узле 3 определяется по формуле: 1/

МУз=1-Щ / (4)

/к

Формулы для вычисления среднего времени пребывания заявок в узлах СеМО приведены в таблице 3.

С учетом формулы (2) и таблицы 3 среднее значение ^sip Длительности установления соединения по протоколу SIP при предоставлении услуг IPTV вычисляется следующим образом:

8 8 2 8 4

Это выражение позволяет производить численные оценки длительности установления соединений при предоставлении услуг 1РТУ. Таблица 3. Среднее время пребывания заявок в узлах СеМО

Номер узла Тип узла Среднее время M Vt пребывания заявки в г -узле, с

1 (UE) IS

2 (IP/MPLS) IS AIP/MPLS

3 (P-CSCF) FCFS (^-ИЦГ1

4 (S-CSCF) FCFS 0*4-КЦГ1

5 (I-CSCF) FCFS 0%-Чг1

6 (IPTVAS) FCFS (Аб-нц,)-1

7 (MCF/MDF) FCFS (/¿7-ЧГ1

В четвёртой главе проведено имитационное моделирование процесса установления соединений при предоставлении услуг IPTV на базе платформы IMS. Имитационная модель разработана в среде GPSS World1. Исходные данные для имитационного моделирования приняты те же, что и при численном анализе математической модели.

Моделирование выполнено как для экспоненциального распределения вероятностей длительности обслуживания заявок, так и для детерминированного распределения. Зависимости средней длительности установления соединений от интенсивности поступающих запросов по результатам моделирования и вычислений по математической модели приведены на рис. 6. Эти зависимости показывают, что результаты численного анализа по математической модели и имитационного моделирования укладываются в 95% доверительный интервал. Как и следовало ожидать, при детерминированном распределении длительности обслуживания заявок средняя длительность установления соединений ниже, чем при экспоненциальном распределении.

По результатам численного анализа по математической модели и имитационного моделирования предложена приближённая процедура оценки длительности установления соединений IPTV-сессий.

Длительность установления соединений предложено оценивать по следующей формуле:

AIMS = AIMSnp+MMSo6+Ao6p, (6)

где Л IMS„P., Л IMSo6 - соответственно длительность передачи сигнальных сообщений в прямом (от UE) и в обратном направлениях в сети IP/MPLS; Лойр - длительность обработки сигнальных сообщений в серверах и функциональных блоках IMS.

'Составление программы для ЭВМ выполнено магистранткой О. Г. Вихровой.

-----имитационная модель (экспоненциальное распределение)

— . — . — . — имитационная модель (детерминированное распределение)

--мат ематическая мод ель

____________________________________доверительный интервал

Рис. 6. Зависимость среднего времени установления соединений от интенсивности поступления запросов

A IMS„P. = 6Л1Рштв +5А1Р/ШСК + 5AIPupdate + 5AlPPUiy. (7)

A IMS об, = 6AIP}00 Trying + 6A IP ] S3 Session Progress +15AIP2()OOK +5AIPNo{ijy. (8) ^ обр. +8A P-CSCH + 8A S-CSCF T 2A, CSCF+ 8AH>TVAS +5AMCF- (9)

Длительность передачи сигнальных сообщений в сети IP/MPLS рассчитывается по следующей формуле:

(10)

где 5,- -длина г'-го сигнального сообщения в битах; V1P - скорость передачи в IP-сети, Мбит/с.

Длительность установления IPTV-сессий примерно в два раза больше длительности установления сессий VoIP.

Приближённую процедуру оценки длительности установления соединений рекомендуется применять при нормальной загрузке сети. В случае перегрузки сети необходимо использовать результаты, полученные по математической модели.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате анализа времени переключения каналов IPTV показано, что основными параметрами, влияющими на время переключения, являются: число пользователей, одновременно просматривающих один и тот же текущий канал, размер групп видеокадров, вероятности загрузки каналов от узла доступа или от узла агрегации и доля трафика других услуг. Получена оценка времени переключения каналов от этих параметров.

2. Разработана математическая модель для оценки средней длительности установления соединений при предоставлен™ услуг IPTV на базе платформы IMS с использованием математического аппарата открытых неоднородных сетей массового обслуживания. В явном виде получено выражение для оценки длительности установления соединений.

3. Проведено имитационное моделирование процесса установления соединений в среде GPSS World. Выполнена оценка точности результатов, полученных по математической модели.

4. Предложена приближённая процедура для оценки средней длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV на базе платформы IMS, даны рекомендации по её применению.

Список публикаций по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Пшеничников А. П., Али Раад А. М. Второй этап реализации концепции сетей последующих поколений-NGN // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, 2012, № 7. - С. 157-160.

2. Пшеничников А. П., Али Раад А. М. Оценка времени установления соединений при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт, 2013. № 7. - С. 99-101.

3. Али Раад А. М. Анализ времени переключения каналов IPTV // T-Comm -Телекоммуникации и транспорт, 2013, № 7. - С. 4—8.

4. А. М. Али Раад, Ю. В. Гайдамака, А. П. Пшеничников. Модель установления соединений с использованием платформы IMS при предоставлении услуг IPTV // Электросвязь, 2013, №10. - С. 46 - 51.

В других изданиях

5. Али Раад Абдо Мохаммед. Классификация средств абонентского доступа в NGN по потребительским свойствам // Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», - М.: МТУСИ, 2011. -С. 41-42.

6. Али Раад Абдо Мохаммед. Архитектура сети IPTV с использованием платформы IMS // Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», - М.: МТУСИ, 2012. - С. 63 - 64.

7. А. М. Али Раад, А. П. Пшеничников. Анализ времени установления соединений при предоставлении услуг IPTV// Труды конференции «Северокавказского филиала Московского технического университета связи и информатики», - Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2013. - С. 34 - 37.

8. Пшеничников А. П., Али Раад А. М. Оценка времени переключения каналов IPTV// Труды РНТОРЭС им. А. С. Попова. - М.: Информпресс-94, 2013.-С. 38-40.

Подписано в печать 10.11.2013г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №17450 Тираж: 100 экз.

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

Московский технический университет связи и информатики

04201365785 Ш правах РУК0ПИСИ

Али Раад Абдо Мохаммед

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УСЛУГ IPTV ПРИ ИХ УПРАВЛЕНИИ МУЛЬТИМЕДИЙНОЙ ПОДСИСТЕМОЙ IMS

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., профессор Пшеничников А.П.

Москва-2013

Оглавление

Список основных сокращений.........................................................5

Список основных обозначений...........................................................................7

Введение......................................................................................9

Глава 1. Анализ способа предоставления услуг IPTV на базе

платформы IMS................................................................17

1.1. Место платформы IMS в концепции NGN.......................................17

1.2. Стандартизация архитектуры и параметров сети доступа к

услугам IPTV..........................................................................19

1.3. Развитие архитектуры сети IPTV к NGN.........................................23

1.4. Анализ услуг IPTV....................................................................27

1.5. Анализ функционирования IMS-платформы при предоставлении

услуг IPTV..............................................................................31

1.6. Взаимодействие протоколов при предоставлении услуг IPTV.............34

1.7. Анализ методов оценки пропускной способности платформы

IMS и постановка задачи исследования..........................................39

Выводы......................................................................................46

Глава 2. Разработка процедуры оценки времени переключения каналов при предоставлении услуг IPTV на базе платформы IMS.......47

2.1. Исследование архитектуры сети для предоставления услуг IPTV

на базе платформы IMS..............................................................47

2.1.1. Анализ физической архитектуры сети......................................47

2.1.2. Способы доступа к серверам приложений IPTV........................49

2.1.3. Особенности функционирование медиа-серверов при предоставлении услуг IPTV...................................................50

2.2. Анализ процедуры установления соединений IPTV...................................52

2.3. Анализ и оценка времени переключения каналов IPTV......................57

2.3.1. Необходимость оценки времени переключения IPTV-каналов........57

2.3.2. Общая процедура переключения каналов..................................58

2.3.3. Алгоритм переключения каналов IPTV....................................62

2

2.3.4. Оценка времени переключение каналов IPTV............................62

Выводы.......................................................................................70

Глава 3. Разработка метода оценки длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV на базе платформы EMS...71

3.1. Разработка математической модели процесса установления соединений при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS.......................................................................71

3.1.1. Формализация процесса установления соединений IPTV-сессий. ..71

3.1.2. Модель процесса установления соединений в виде открытой неоднородной сети массового обслуживания............................75

3.2. Численный анализ длительности установления соединений при предоставлении услуг IPTV под управлением мультимедийной подсистемой IMS.....................................................................89

Выводы.......................................................................................92

Глава 4. Имитационное моделирование процесса предоставления услуг ÍPTV на базе платформы IMS.................................................93

4.1. Разработка блок-схемы имитационной модели установления соединений при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS.......................................................................93

4.2. Моделирования прохождения заявок от 7-го узла СеМО при предоставлении услуги IPTV......................................................97

4.3. Анализ результатов моделирования...............................................98

4.4. Сравнение среднего времени установления соединения, полученного аналитически и при помощи имитационного моделирования.......................................................................100

4.5. Приближённая оценка времени установления соединений IPTV-сессий............................................................................101

Выводы.....................................................................................104

Заключение...............................................................................105

Литература................................................................................108

з

Приложение 1. Рабочие группы по стандартизации IPTV......................118

Приложение 2. Технические требования к абонентским устройствам,

сети доступа и сети агрегации....................................123

Приложение 3. Решение системы уравнений......................................126

Приложение 4. Текст программы имитационной модели на языке

GPSS World..........................................................127

Приложение 5. Акты реализации результатов диссертационной работы. ..131

Список основных сокращений

IPTV - Internet Protocol Television - интернет-телевидения по протоколу IP;

IMS - IP Multimedia Subsystem - мультимедийная IP-подсистема ;

NGN - Next Generation Network - сети последующих поколений ;

CAPEX - Capital Expenditure - капитальные затраты;

ОРЕХ - Operational Expenditure - текущие расходы;

CoD - Content on Demand - потребительский контента;

MCF - Media Control Function - функция управления медиа;

MDF - Media Delivery Functions - функция поставки медиа;

SDF - Service Discovery Function - сервисная функция открытия;

SSF - Service Switching Function - сервисная функция переключения;

STB - Set Top Box - телевизионная приставка;

UE - User Equipment - пользовательское оборудование;

HDTV - High-Definition Television - телевидение высокой четкости;

HTTP - Hyper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста;

GoP - Group of pictures - группа видеокадров;

SDTV - Standard-definition television - телевидение стандартной четкости; BGP - Border Gateway Protocol - протокол граничного шлюза; OSPF - Open Shortest Path First - протокол динамической маршрутизации; RIP - Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации; RSVP - Resource Reservation Protocol - протокол резервирования ресурсов; QoS - Quality of Service - качество предоставления услуг связи; QoE - Quality of Experience - качество восприятия; HSS - Home Subscriber Server - домашний абонентский сервер; VoD - Video in demand - видео по запросу; SCF - Service control function - функции управления услугами; IGMP - Internet Group Management Protocol - протокол управления группами Интернета;

RACS - Resource and Admission Control Subsystem - подсистема управления

ресурсами и допуском;

3GPP - 3rd Generation Partnership Project - проект партнерства третьего поколения;

P-CSCF - Proxy-Call Session Control Function - элемент управления вызовами и сессиями с функциями прокси;

S-CSCF - Serving Call Session Control Function - обслуживающий

функциональный элемент управления вызовами и сессиями;

I-CSCF - Interrogating-Call Session Control Function - запрашивающий функциональный элемент управления вызовами и сессиями;

SIP - Session initiation protocol - протокола установления и завершения мультимедийных сеансов связи;

ATIS - Alliance for Telecommunications Industry Solutions - Альянс по разработке решений в области телекоммуникаций;

ETSI - European Telecommunications Standard Institute - Европейский институт стандартизации электросвязи;

NASS - Network Attachment Sub-System - интерфейс е4 подсистемы присоединенных сетей;

RTP - Real-Time Transpor Protocol - протокол передачи информации в режиме реального времени;

S-CSCF - Serving Call Session Control Function - обслуживающий

функциональный элемент управления вызовами и сессиями;

MPLS - Multiprotocol Label Switching - многопротокольная коммутация по меткам;

RTCP - Real-Time Transport Control Protocol - протокол управления передачей в реальном времени;

DSLAM - Digital Subscriber Line Access Multiplexer - мультиплексор доступа цифровых абонентских линий xDSL;

МСЭ-Т - Международный союз электросвязи, сектор стандартизации электросвязи;

ШПП - ширина полосы пропускания.

M = {1.....Af}

R = {l,..,R}

Pi-, I G M

(i,r),ieM, re R

U'eM, r,S € R

V;, i G M

^■INVITE ^100 Trying

83 Session Progress

A200 OK AIP

L

Mi

Список основных обозначений

случайная величина времени установления соединения по протоколу SIP;

множество узлов сети массового обслуживания;

множество классов заявок сети массового обслуживания;

интенсивность нагрузки в узле /;

тип заявки, заявка класса г находится в узле г;

интенсивность перехода (/, г) - заявок в (j,s)~ заявки;

- случайная величина времени пребывания заявки в узле /;

- случайная величина времени сериализации и ожидания в очереди сообщения INVITE;

- случайная величина времени сериализации и ожидания в очереди сообщения 100 Trying;

- случайная величина времени сериализации и ожидания в очереди сообщения 183 Session Progress;

- случайная величина времени сериализации и ожидания в очереди сообщения 200 ОК;

- случайная величина времени передачи сообщения по сети;

- множество типов заявок, обслуживаемых в сети массового обслуживания;

параметр экспоненциального распределения времени

обслуживания в /-узле;

интенсивность поступления запросов пользователи на

предоставление услуги IPTV;

7

Л IMSnp , A IMSа

обр

AIMS

S,

Р('т>

N.

кан.польз.

N,

кан.

N.

GoP

-'RA

R

IPTV

D.

пер.

D

AS

D,

агр.

a

буф.дж.

- соответственно длительность передачи сигнальных

сообщений в прямом (от UE) и в обратном направлениях в сети IP/MPLS;

- длительность обработки сигнальных сообщений в

серверах и функциональных блоках IMS, включая длительность передачи сигналов между блоками;

- время установления соединения для услуг IPTV с использованием подсистемы;

- длина г-го сигнального сообщения в битах;

- скорость передачи в сети, принятая равной 4 Мбит/с;

- вероятность поступления потока из внешней среды

(из узла 0ИСХ) в любое состояние СеМО;

- вероятность поступления потока из любого состояния

СеМО во внешнюю среду (в узел 0ВХ);

- число пользователей, которые одновременно просматривают один и тот же канал;

- число каналов IPTV;

- длительность групп видеокадров;

- скорость канала между узлом доступа и узлом агрегации;

- соотношение скоростей, используемое для передачи потокового IPTV;

- время переключения каналов;

- общая задержка переключения каналов при скачивании потока из узла доступа;

- задержки переключения каналов при скачивании потока

из узла агрегации;

- задержка в буфере джиттера.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Концепция сетей связи последующего поколения NGN (Next Generation Networks) [1-2] реализуется на базе транспортных мультисервисных сетей. Мультисервисная сеть предоставляет пользователям широкий набор услуг с гибкими возможностями по управлению, персонализации и созданию новых наборов услуг за счет унификации сетевых решений [3]. Одной из услуг, которые предоставляют мультисервисные сети - услуга цифрового телевидения по протоколу IP (технология IPTV-Internet Protocol Television).

На первом этапе реализации концепции NGN решались задачи конвергенции сетей с коммутацией каналов и сетей с коммутацией пакетов [4]. На втором этапе решаются задачи конвергенции стационарных сетей и сетей сотовой подвижной связи. При этом происходит конвергенция не только технологий, систем и сетей, но и услуг [5].

В качестве базовой архитектуры для конвергенции этих сетей рабочими группами 3GPP (3rd Generation Partnership Project) [6] и TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking) [7] рекомендована мультимедийная подсистема на базе протокола IP (IP Multimedia Subsystem, IMS). В этой платформе сделана попытка реализации следующих фундаментальных принципов будущих инфокоммуникаций: глобальность, интерактивность, информационная безопасность и защищённость, мобильность, персональность [8].

Платформа IMS предназначена для управления сессиями при предоставлении любых мультимедийных услуг пользователям стационарных и мобильных сетей при использовании технологии IP/MPLS. Основным протоколом сигнализации для подсистемы IMS является протокол инициирования сеансов связи SIP (Session Initiation Protocol). Платформа IMS управляет представлением различных услуг, связанных с передачей мультимедийных данных, в том числе услуг IPTV. Подсистема IMS

предоставляет услуги независимо от технологии доступа, обеспечивает реальную конвергенцию речи и данных в стационарных и мобильных сетях связи.

Мультисервисная сеть на базе платформы EMS имеет горизонтальную распределенную структуру, позволяющую быстро и легко устанавливать медиа-шлюзы в точках концентрации трафика, а интеллектуальные функции сосредотачивать в центральном сервере для быстрого и эффективного обновления программного обеспечения, что сокращает период разработки и внедрения новых услуг.

IPTV находит всё более широкое применение по всему миру, в том числе, в России. По прогнозам [12] к 2018 году в России будет более 6 миллионов подписчиков на платные услуги IPTV. Главным достоинством IPTV является интерактивность и возможность предоставления пользователям широкого набора дополнительных услуг, связанных с потреблением контента.

Быстрое распространение высокоскоростного доступа в Интернет на базе широкополосных сетевых технологий разрушает преграды между телекоммуникациями и вещанием. IPTV является одним из ключевых приложений на телекоммуникационном рынке, которое позволяет телефонным компаниям извлекать дополнительные доходы из доставки видео по IP-сетям. В настоящее время идёт активное коммерческое внедрение IPTV по всему миру [9].

IPTV представляет собой новую форму цифровых технологий телевидения [10]. В этой системе услуги цифрового телевидения доставляются потребителям через сеть с использованием Интернет протокола. IPTV относится к классу мультимедийных услуг, таких как телевидение / видео / аудио / текст / графика / данные.

Технология IPTV стала набирать популярность с увеличением

пропускной способности сетей и совершенствованием алгоритмов цифрового

кодирования. Большинство операторов телекоммуникационных услуг

ю

активно используют системы, реализующие услуги Triple play, такие как IPTV, голосовой и высокоскоростной доступ к сети Интернет. Нарастающая конкуренция и рост числа потенциальных клиентов вынуждают операторов и разработчиков оптимизировать архитектуру, согласно которой осуществляется предоставление услуги, улучшать механизмы мониторинга сети, предоставляя пользователям новые. Внимание практически всех операторов сосредоточено на создании новых услуг, поскольку именно предоставление услуг конечным пользователям представляет собой основной источник доходов операторов [11]. При этом операторы должны обеспечить нормированные уровни качества обслуживания и восприятие, безопасность, интерактивность и надёжность. В этих условиях задачи разработка метода оценки вероятностно-временных характеристик процессов предоставления услуг IPTV с помощью подсистемы IMS является весьма актуальной.

Степень разработанности темы. Различным аспектам решения данной задачи посвящены работы российских и зарубежных автров. Так, теоретическую основу исследования с помощью сетей массового обслуживания составили работы Башарина Г. П., Вишневского В.М., Самуйлова К. Е., Степанов С. Н., Kouvatsos D. D., Mkwawa I. М., Baskett F., Chandy К. M., Muntz R. R., Palacios F. G..

Вопросы архитектуры IMS и взаимодействие сигнальных сообщений рассмотрены в работах Голдпггейна Б. С., Кучерявого А. Е., Рослякова А. В., Mikoczy Е., Sivchenko D., Xu В., Moreno J. I..

Процедуры переключения каналов IPTV рассмотрены в работах Dekeris В., Narbataite L., Malkos S., Ucar E., Akdeniz R..

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода оценки вероятностно-временных характеристик процесса предоставления услуг IPTV с помощью платформы IMS. Исследованы длительность установления соединений и длительность переключения

каналов при предоставлении услуг IPTV с использованием платформы IMS.

11

Для достижения этой цели в диссертационной работе решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ способа предоставления услуг IPTV на основе платформы IMS: рассмотрены требования к доставке услуг, архитектура сети предоставлении услуг, процесс функционирования IMS-платформы и взаимодействие протоколов при предоставлении услуг IPTV.

2. Выполнен анализ времени переключения каналов IPTV, определены основные параметры влияющие на время переключение, проведена оценка времени переключение каналов.

3. Разработана математическая модель установления соединений в виде неоднородной открытой сети массового обслуживания для оценки длительности установления соединения, построена диаграмма установления соединения, выполнен численный анализ.

4. Разработана имитационная модель установления соединений с использованием платформы IMS при предоставлении услуг IPTV, проведено моделирование на ЭВМ процесса установления соединений при изменении исходных данных в широком диапазоне, выполнено сравнение средней длительности установления соединений, полученной аналитически и при помощи имитационного моделирования.

5. На основании проведенных исследований предложен приближённый метод для оценки длительности установление соединений IPTV-сессий с помощью платформы IMS.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. В результате детального анализа рекомендаций МСЭ-Т и ETSI по IPTV-архитектуры и качеству восприятие (QoE) определены параметры, в наибольшей степени влияющие на длительности

переключение каналов: число пользователей, одновременно просматривающих один и тот же канал, размер групп видеокадров, вероятности загрузки каналов от узла доступа или от узла агрегации. Получены численные оценки времени переключения каналов, позволяющие операторам связи управлять качеством восприятия.

2. Для оценки средней длительности установления соединения при предоставлении услуг IPTV разработана математическая модель процесса установление соединение в виде открытой н