автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка метода расчета показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений на сетях линейной структуры

Введение.

Глава 1.

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СОВМЕСТНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ПОТОКОВ СООБЩЕНИЙ НА СЕТЯХ СВЯЗИ.

1.1. Анализ услуг, предоставляемых современными сетями связи.

1.2. Анализ современных технологий цифровых сетей связи.

1.3. Общая характеристика качества обслуживания в сетях связи.

1.3.1. Характеристики трафика.

1.3.2. Показатели качества обслуживания.

1.4. Анализ задач совместного обслуживания разновидовых потоков сообщений на сетях связи с коммутацией пакетов.

1.5. Анализ расчетных методов теории телетрафика при совместном обслуживании потоков сообщений.

1.6. Постановка задач исследования.

1.7. Выводы.

Глава 2.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ СОВМЕСТНОГО

ОБСЛУЖИВАНИЯ ПОТОКОВ СООБЩЕНИЙ НА СЕТЯХ

ЛИНЕЙНОЙ СТРУКТУРЫ.

2.1. Построение функциональной модели совместного обслуживания потоков сообщений на сети линейной структуры.

2.1.1. Схема использования ресурса цифровой линии.

2.1.2. Предположения о входных потоках сообщений.

2.1.3. Предположения о дисциплине обслуживания потоков сообщений.

2.1.4. Показатели качества обслуживания потоков сообщений.

2.1.5. Определение условий существования стационарного режима обслуживания.

2.1.6. Обоснование методов расчета показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений.

2.2. Разработка процедуры расчета показателей качества совместного обслуживания сообщений с использованием имитационного моделирования.

2.3. Методика расчета показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений с использованием численных методов.

2.3.1. Разработка математической модели.

2.3.2. Составление системы уравнений статистического равновесия.

2.3.3. Определение показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений.

2.3.4. Проверка адекватности имитационной модели совместного обслуживания потоков сообщений.

2.4. Выводы.

Глава 3.

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ПРОЦЕДУР ОЦЕНКИ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА СОВМЕСТНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

ПОТОКОВ СООБЩЕНИЙ НА СЕТЯХ С ЛИНЕЙНОЙ

СТРУКТУРОЙ.

3.1. Разработка процедуры расчета показателей качества обслуживания потоков речевых сообщений.

3.1.1. Построение модели обслуживания потоков речевых сообщений

3.1.2. Определение показателей качества обслуживания потоков речевых сообщений.

3.1.3. Свойство мультипликативности.

3.1.4. Разработка рекурсивного алгоритма оценки показателей качества обслуживания потоков речевых сообщений.

3.2. Процедура приближенного расчета показателей качества обслуживания речевых сообщений с использованием метода просеянной нагрузки.

3.3. Процедура приближенного расчета показателей качества обслуживания пакетов данных.

3.4. Оценка погрешности метода декомпозиции.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА

СОВМЕСТНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ПОТОКОВ СООБЩЕНИЙ НА

СЕТЯХ ЛИНЕЙНОЙ СТРУКТУРЫ.

4.1. Реализация метода расчета показателей качества совместного обслуживания потоков сообщений с использованием аналитических средств при ограниченной емкости буфера.

4.2. Оценка сходимости значений показателей качества обслуживания сообщений при изменении емкости буфера и интенсивности поступления пакетов данных.

4.3. Исследование поведения показателей качества совместного обслуживания сообщений в условиях перегрузки.

4.3.1.Общий случай нарушения стационарного режима обслуживания

4.3.2. Анализ показателей качества совместного обслуживания сообщений в условиях перегрузки для трехузловой модели сети.

4.3.3. Анализ возможностей выхода сети из режима перегрузки.

4.5. Выводы.

Актуальность темы. Проблема анализа качества обслуживания сообщений в сетях связи обусловлена сложной структурой моделей, используемых для их описания. Переход на цифровую технологию передачи информации усложняет положение дел, поскольку в дополнение к традиционным появляются новые виды обслуживания (передача изображений с высокой разрешающей способностью, услуги Интернет, мультимедиа и т. д.). Порожденные ими потоки сообщений могут значительно различаться по своим требованиям к ресурсам сетей, задержкам сообщений в узлах коммутации, потерям части информации, надежности ее обслуживания в сети. Необходимость учета перечисленных особенностей усложняет описание моделей сетей и, следовательно, оценку показателей качества совместного обслуживания сообщений различного вида.

Анализ опубликованных работ показал, что в настоящее время недостаточно детально разработаны методы оценки показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных в сетях линейной структуры с коммутацией пакетов. Такие методы необходимы как при проектировании, так и при управлении телекоммуникационными сетями. Поэтому тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка точных и приближенных методов оценки показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных в высокоскоростных сетях связи линейной структуры.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи используются методы теории сетей связи, теории телетрафика, теории массового обслуживания.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны функциональная и имитационная модели совместного обслуживания потоков речевых сообщений и пакетов данных в сети линейной структуры при заданных дисциплине обслуживания и схеме входных потоков. Определены показатели качества обслуживания. Для сети из трех узлов разработана математическая модель, составлена и решена система уравнений статистического равновесия. В отличие от ранее известных, разработанные модели позволяют исследовать процесс совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных в широком диапазоне структурных и входных параметров.

2. Разработаны процедуры приближенной оценки показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных, основанные на реализации принципа декомпозиции, т. е. раздельной оценки показателей каждого из совместно обслуживаемых потоков сообщений. Оценка показателей качества обслуживания речевых сообщений сводится к использованию рекурсивного алгоритма и алгоритма просеянной нагрузки. Для оценки показателей качества обслуживания потоков данных построена вспомогательная модель сети с ожиданием и разработан алгоритм расчета соответствующих показателей. В отличие от ранее известных подходов разработанные алгоритмы характеризуются простотой реализации и универсальностью применения.

3. Показано, что относительная погрешность (по сравнению с имитационным моделированием) при расчете показателей качества обслуживания пакетов данных с использованием принципа декомпозиции находится в интервале 5-15%. Затраты времени на расчет показателей на 3-4 порядка меньше, чем при имитационном моделировании. Точность оценки показателей качества обслуживания пакетов данных не зависит от структурных и входных параметров. При этом расчет этих показателей происходит при учете их совместного обслуживания с речевыми сообщениями.

4. Для детальной оценки особенностей совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных построена математическая модель сети линейной структуры с тремя узлами и с ограниченным размером буфера для пакетов данных, получающих отказ в обслуживании. Исследована система уравнений статистического равновесия и получены выражения для показателей качества обслуживания. Сформулированы условия существования стационарного режима обслуживания.

5. Исследовано поведение показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных для сети линейной структуры в условиях перегрузки, и дан анализ возможностей выхода из режима перегрузки. Проведена оценка требуемого ресурса сети в зависимости от интенсивности потоков речевых сообщений и пакетов данных.

Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертационной работе, включая численные расчеты по решению поставленных в работе задач, получены автором лично.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании разработанных в диссертации методов составлены и реализованы алгоритмы численного расчета показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных на сетях линейной структуры, а также разработаны рекомендации по оценке требуемого ресурса сети в зависимости от заданных потоков сообщений и по возможностям выхода сети из режима перегрузки.

Разработанные методы, алгоритмы, результаты численных расчетов используются в ЗАО «Газтелеком», ОАО «Минсктелекомстрой» при решении вопросов построения и функционирования сетей связи, что подтверждено соответствующими актами

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 55-ой научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2000), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ (Москва, 2000, 2001, 2002), на международных форумах информатизации МФИ-2000, 2001, проводившихся на базе МТУ СИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В разработанной функциональной модели сети линейной структуры учтено совместное обслуживание речевых сообщений и пакетов данных с возможностью буферизации пакетов данных, если они получают отказ в обслуживании или вытесняются с обслуживания в результате поступления приоритетных речевых сообщений. Механизм обслуживания речевых сообщений происходит в рамках модели с потерями, а механизм обслуживания пакетов данных - в рамках модели с ожиданием. Поступление речевых сообщений и пакетов данных подчиняются пуассоновскому закону, а времена обслуживания речевых сообщений и пакетов данных имеют экспоненциальное распределение.

2. Разработанные средства точного расчета показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных используются для оценки погрешности приближенных методов. В общем случае точные значения показателей найдены с помощью метода имитационного моделирования. В частном случае точные значения показателей найдены с помощью составления и решения системы линейных уравнений статистического равновесия для сети, состоящей из трех узлов, двух цифровых линий, трех потоков речевых сообщений, двух потоков пакетов данных.

3. Использование принципа декомпозиции дает возможность разработки точных и приближенных алгоритмов оценки показателей качества обслуживания речевых сообщений при условии минимизации их потерь в сети. Точный расчет основан на процедуре построения рекурсивного алгоритма. Приближенный расчет основан на алгоритме просеянной нагрузки, использующем многократное применение формулы Эрланга.

4. Использование принципа декомпозиции и построение вспомогательной модели сети дает возможность приближенной оценки показателей качества обслуживания пакетов данных, для которой получен рекурсивный алгоритм. При этом относительная погрешность (по сравнению с имитационным моделированием) расчета показателей качества обслуживания пакетов данных при их совместном обслуживании с речевыми сообщениями находится в интервале 5 - 15 %.

5. Исследование совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных в построенных моделях сети линейной структуры производится при условиях нахождения сети в стационарном режиме, когда не происходит переполнения буфера ожидающими пакетами данных и минимизируются потери речевых сообщений. Используемые методы и алгоритмы позволяют исследовать поведение сети при переходе в критический режим обслуживания и определить способы выхода из критического режима.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков, 22 таблиц, список литературы состоит из 73 наименований.

Основные результаты диссертационной работы можно формулировать следующим образом:

1. На основании анализа работ, посвященных расчетным методам теории телетрафика при совместном обслуживании сообщений различного вида в цифровых сетях связи, показано, что в настоящее время не существует детально разработанных методов численной оценки показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных на сетях линейной структуры. Такие методы необходимы как при проектировании, так и при управлении телекоммуникационными сетями.

2. Построена функциональная модель сети линейной структуры, в которой учтено совместное обслуживание потоков речевых сообщений и пакетов данных с возможностью буферизации пакетов данных, если они получают отказ в обслуживании в результате поступления приоритетного речевого сообщения. Для построенной модели разработаны методы точной оценки показателей качества совместного обслуживания с помощью имитационного моделирования и аналитических средств. В последнем случае рассмотрена модель сети, имеющей три узла, три потока речевых сообщений, два потока пакетов данных. Произведена проверка адекватности результатов, полученных с помощью имитационного моделирования, результатам, полученным на основе аналитических средств.

3. Разработаны алгоритмы оценки показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных для сети линейной структуры. Реализация алгоритмов основана на принципе декомпозиции при выполнении свойства мультипликативности, что позволяет проводить точные и приближенные расчеты. Точная оценка показателей качества обслуживания речевых сообщений базируется на рекурсивном алгоритме.

Приближенная оценка показателей качества обслуживания речевых сообщений базируется на алгоритме просеянной нагрузки с многократным использованием формулы Эрланга. Приближенная оценка показателей качества обслуживания пакетов данных базируется на вспомогательной модели сети, для которой разработан рекурсивный алгоритм. Реализация алгоритмов позволяют рассчитывать показатели качества совместного обслуживания для широкого диапазона значений входных параметров с приемлемой точностью и достаточно быстро.

4. Исследованы особенности функционирования построенной модели сети линейной структуры и возможности предложенных методов оценки показателей качества обслуживания поступающих сообщений для решения задач, возникающих при проектировании и эксплуатации цифровых сетей. Сформулированы условия существования стационарного режима обслуживания - такого режима, при котором минимизируются потери речевых сообщений в сети и количество пакетов данных, находящихся в сети на обслуживании и ожидании, не начинает лавинообразно увеличиваться. Рассмотрены условия, при которых сеть попадает в условия перегрузки, то есть в критический режим, и исследованы возможные пути устранения проблем, обусловленных попаданием сети в условия перегрузки.

5. На основании разработанных методов, алгоритмов, численных расчетов и оценки показателей качества совместного обслуживания речевых сообщений и пакетов данных на сети линейной структуры разработаны рекомендации, позволяющие оптимизировать решение задач проектирования телекоммуникационных сетей и прогнозировать эффективные способы управления их функционированием.

Заключение

1. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука, 1989. - 336 с.

2. Башарин Г.П., Харкевич А.Д., Шнепс М.А. Массовое обслуживание в телефонии. М.: Наука, 1968. 244 с.

3. Белов С. Практика построения ведомственных сетей Frame Relay в России. //Сети, май, 1997//

4. Буассо М., Деманж М., Мюнье Ж. Введение в технологию ATM / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1997. 128 с.

5. Будников В. Ю., Пономарев Б. А. Управление трафиком в муль-тисервисных сетях IP. // Вестник связи-2001. №4 -С. 86-91.

6. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. -М.: Наука, 1978.-399 с.

7. Вильк X.- В. Тенденции в развитии услуг современных сетей связи. -М.: Программа и тезисы докладов НТК ППС и ИТС МТУ СИ. 2002. С.223-225.

8. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука, 1984.- 320 с.

9. Воронцов Ю. А. Разработка теоретических основ анализа и оптимизации узлов коммутации, сетей и распределения ресурсов на базе асимптотических моделей второго порядка. Дисс. ДТН. 1995. -432 с.

10. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1968. 431 с.

11. Ершов В.А, Кузнецов H.A. Метод расчёта пропускной способности магистралей мультисервисных телекоммуникационных сетей // Труды Международной академии связи. 1999. 1. С.22-24.

12. Ершов В.А, Кузнецов H.A. Теоретические основы построения цифровой сети с интеграцией служб (ISDN) . М.: Институт проблем передачи информации РАН, 1995. 280 с.

13. Захаров Г.П., Варакосин Н.П. Расчет количества каналов связи при обслуживании с ожиданием. Номограммы и таблицы. М.: Связь, 1967. 304 с.

14. Захаров Г.П., Яновский Г.Г. Цифровые сети интегрального обслуживания // Итоги науки и техники, серия "Электросвязь". Т.5. М.: ВИНИТИ, 1990. С.3-53.

15. Ионин Г.Л., Седол Я.Я. Статистическое моделирование систем телетрафика. М.: Радио и связь, 1982. 182 с.

16. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями / Пер. с англ. М.: Мир, 1979.- 600 с.

17. Клейнрок Л. Коммуникационные сети: Стохастические потоки и задержки сообщений / Пер. с англ. М.: Наука, 1970. 255 с.

18. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

19. Клещёв Н.Т., Федулов A.A., Симонов В.М. и др. Телекоммуникации. Мир и Россия. Состояние и тенденции развития / Под ред. Клещё-ва Н.Т. М.: Радио и связь, 1999. 480 с.

20. Корнышев Ю.Н., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. М.: Радио и связь, 1996. 270 с.

21. Кульгин М. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. -СПб.: Питер, 2000. -704 с.

22. Лагутин В. С., Степанов С. Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи. -М.: Радио и связь, 2000. 320 с.

23. Лагутин B.C. Анализ эффективности совместного обслуживания новых информационных потоков на ГТС большой ёмкости // Электросвязь. 1999. 3. С.28-30.

24. Лагутин B.C. Инженерные методы оценки эффективности совместного обслуживания новых информационных потоков на ГТС большой ёмкости//Электросвязь. 1999. 4. С.29-30.

25. Лагутин B.C. Сети связи: проблемы эффективности использования ресурсов цифровых линий. М.: Радио и связь, 1999. 229 с.

26. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети: Справочник. М.: Финансы и статистика, 1996. 224 с.

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

28. Назаров А.Н., Симонов Н.В. ATM технология высокоскоростных сетей М.: ЭКО-ТРЕНД, 1998.

29. Нейман В.И. Самоподобные процессы и их применение в теории телетрафика // Труды Международной академии связи. 1999. 3. С Л1-15.

30. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. -СПб: Питер, 2001.-672 с.

31. Подопрыгалов М. А. Мультисервисная пакетная магистральная сеть. //Вестник связи 2001. - №4 -С. 42-46.

32. Пшеничников А. П., Вильк X. В., Новодережкин К. Ю. Формирование требований к перспективным корпоративным сетям связи и базовымпринципам их построения. -М.: Тезисы докладов Юбилейной НТК ППС и ИТС МТУСИ. 2001. С.211-212.

33. Рябко С. Д. Мир TCP/IP. Internet Protocol //Системы и сети связи, №1, 1996.

34. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. -М.: Высшая школа, 1985. -271 с.

35. Соколов Н. А. Конвергенция телекоммуникационных сетей. Терминологический аспект. //Вестник связи №4, С. 12-14, 2000 г.//

36. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х ч. Ч. I / Пер. с англ. М.: Наука, 1992. 336 с.

37. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. -М.: Мир, 1978. -418 с.

38. Шехтман JL И. Системы телекоммуникаций: проблемы и перспективы. (Опыт системного исследования) -М.: Радио и связь, 1998. -280 с.

39. Шнепс М. А. Основы расчета автоматической сети связи при наличии повторных попыток. //Методы развития теории телетрафика. -М.: Наука. 1979. С. 80-96.

40. Шнепс М.А. Системы распределения информации. Методы расчета. М.: Связь, 1979. 342 с.

41. Шнепс М.А. Численные методы теории телетрафика. М.: Связь, 1974.- 232 с.

42. Aein J. М. A Multi-User-Class, Blocked-Calls-Cleared, Demand Access Model // IEEE Transactions on Commun. 1978. v26, #3. -C. 378-385. -Англ.

43. Akiyama M., Yamaguchi T. An integrated hybrid traffic switching system mixing preemptive wideband and waitable narrowband calls //Electronic and Communications in Japan. 1970. V.53-A. №5.

44. Broadband networks traffic. Performance evaluation and design of broadband multiservice networks. Final report of action COST 242 (James Roberts.(ed). (Lecture notes in computer sciences). Springier, 1996.

45. Choudhury L., Leung K., Whitt W. An algorithm for product-form loss networks based on numerical inversion of generating functions. AT&T Bell Lab, Holmdel. USA. 1994.

46. Chung S, Ross K. Reduced load approximations multirate loss networks servise. //IEEE Transaction on Communications. 1993, V.41. №8.

47. Dziong Z, Roberts J. W. Congestion Probilities in a Circuit-Switch Integrated Services Network. // Performance Evaluation 7. -1987. -C. 267-284. Англ.

48. Eromoto 0, Miyamoto H. An Analysis of Mixtures of Multiple Bandwidth Traffic on Time Division Switching Systems. //Proceedings of the 7 th ITC, Stockgolm 1973. -1973. -P. 635. 1-8.

49. Gimpelson L.A. Analysis of mixtures of wide- and narrow-band traffic // IEEE Trans, on Comm. Tech. 1965. Vol.13. No.3. P.258-266.

50. Halfin S, Segal M. A priority queueing model for a mixture of two types of customers // SIAM J. Appl. Math. 1972. Vol.23. No.3. P.369-379.

51. Hui J.Y. Resource allocation for broadband networks // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1988. V.6. P. 1598-1608.

52. Iversen V.B. The exact evaluation of multi-service loss system with access control // Teleteknik. 1987. Vol. 31. No.2. P.56-61.

53. Jackson J.R. Networks of Waiting Lines // Operation research. 1957. V.5. P.518-521.

54. Kaufman J.S. Blocking in a shared resource environment // IEEE Transactions on Communications. 1981. V.29. No. 10. P. 1474-1481.

55. Kelly F.P. Blocking probabilities in large circuit-switched networks // Adv. Appl. Prob. 1986. V.18. P.473-505.

56. Kelly F.P. Reversibility and stochastic networks. Willy. New York, 1979.-230 p.

57. Multi-Rate Models for Dimensioning and Performance Evaluation of ATM Networks./Michael Ritter, Phuoc Tran-Gia (ed) //Interim Report of COST 242.-Jun, 1996.-125 p.

58. Performance evaluation and design of multiservice networks. Final report of action 224 / J.W.Roberts, (ed.), Performance evaluation and design of multiservice networks. Paris, October, 1991. 125 p.

59. Pinsky E., Conway A. Computational algorithms for blocking probabilities in circuit-switched networks // Annals of Operational Research. 1992. V.35. P.31-41.

60. Roberts J.W. A service system with heterogenous user requirements application to multi-service telecommunications systems / Performance of Data Communication Systems and their Applications. Pujolle G.(ed.). North Holland, 1981. P.423-431.

61. Ross K.W. Multiservice loss models for broadband telecommunication networks. London. Springer, 1995. 343 p.

62. Segal M. A preemptive priority model with two classes of customers // ACM/IEEE Second Symposium on Problems in the Optimization of Data Communications Systems. 1971. Paolo Alto. Calif, P. 168-174.

63. Source: Datamonitor report on Consumer Interactive Service to 2002. 1998.

64. Whitt W. Blocking when service is required from several facilities simultaneously // ATT Technical Journal. 1985. V. 64. P.1807-1856.

65. Yamaguchi T., Akiyama M. An integrated hybrid traffic switching system mixing preemptive wideband and waitable narrowband calls // Electronics and Commun. in Japan. 1970. Vol.53-A. No.5. P.43-52.