автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка моделей и методов для оценки и выбора параметров мультисервисных систем обмена информацией

На правах рукописи

Широков Владимир Леонидович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СИСТЕМ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ

Специальность 05.13.13 - Телекоммуникационные системы

и компьютерные сети

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре «Вычислительные машины, системы и сети» Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Леонид Иванович Абросимов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Климанов Вячеслав Петрович

кандидат технических наук Демин Константин Валентинович

Ведущая организация: Институт проблем передачи информации

Российской академии наук (ИППИ РАН)

Защита состоится «%)»ОМУЩш^ 2006 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.01 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 11250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 17 (аудитория Г-306).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан <Щ ^{¡^СУЩ006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.01 кандидат технических наук, профессор

Ладыгин И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время сообщество пользователей Интернет находится на пороге качественного скачка в направлении полноценных мультимедийных, мультисервисных приложений, то есть услуг "triple play" (данные, голос, видео). Эти услуги, наряду с высокоскоростным доступом в Интернет и передачей данных, включают необходимость высококачественной пакетной передачи трафика цифровой телефонии, радио, телевидения, причем не только в корпоративных или локальных сетях, но и в региональных сетях обмена и доступа к глобальным сетям.

Сеть Интернет Российской Федерации является одним из самых быстрорастущих сегментов WWW. Ее развитие, количество и качество предоставляемых ею услуг имеют важнейшее значение для развития экономики и социальной сферы. Число пользователей Интернет в РФ составляет уже около 20% населения, в крупных городах достигает 40% и более, но в российской «глубинке» составляет несколько процентов. И этот разрыв сохраняется, т.к. без телефонизации регионов и без решения проблемы «последней мили» доступ к ресурсам Интернет невозможен.

Мультисервисные системы обмена информацией (МСОИ) ориентированы на передачу цифровых данных, аудио и видео информации и должны обеспечивать подключение большого числа пользователей, обслуживаемых с более высоким качеством обслуживания (КО), чем в традиционных системах передачи данных (СЦЦ). Под КО здесь понимается полезная гарантированная или лимитированная скорость обслуживания сообщений.

В связи с огромными территориями узким местом отечественной СПД в регионах остается именно «последняя миля», точнее ее «протяженность», а также ограничения, связанные с преодолением естественных препятствий, рассредото-ченность и низкая плотность населения при общем большом числе абонентов. Следовательно, необходимо создание МСОИ, которые эффективны, быстро развертываются, охватывают большие территории, имеют большую емкость и обеспечивают решение проблемы «последней мили» в РФ.

Разработка и реализация МСОИ в нашей стране позволит сделать существенный вклад в решение проблемы создания единой среды обмена данными, обеспечения равного доступа всех граждан к информационным технологиям (ИТ).

Применение ИТ - это один из путей решения указанной проблемы, который относится к стадии рабочего функционирования системы. Дополнительно на стадии создания или модернизации СПД необходим учет предполагаемой нагрузки, предварительный расчет и анализ производительности базовой станции (БС) МСОИ, обоснование эффективности принимаемых технических решений.

На практике решение проблемы КО при передаче трафика через МСОИ основывалось на прямом добавлении ресурсов (дополнительных каналов, узлов, элементов). Однако создание МСОИ должно обосновываться расчетами, сопровождаться оценкой производительности и выбором параметров БС МСОИ с определением и обоснованием ее эффективности. Для создания эффективных БС МСОИ необходима оценка и обоснованный выбор параметров каналов с учетом

видов услуг и кодеков, используемых для передачи голосовой и видео информации, обеспечения КО передаваемого трафика.

Выбор параметров необходимо производить в сочетании с оценкой вариантов структуры БС по стоимости и производительности МСОИ в целом.

Значительный вклад в разработку моделей и методов оценки производительности коммуникационных систем и компьютерных сетей внесли отечественные ученые Л.И.Абросимов, В.М.Вишневский, Г.П.Захаров, В.П.Климанов, а также ряд западных исследователей: Б.Байцер (В.Ве1гег), К.Вейцман (С.\Уекгтап), Л.Клейнрок (Ь.Юетгок), Ф.Куо (Р.Кио), В.Столлингс С^У^аИи^), Э.Таненбаум (А.ТапепЬаиш), Д.Феррари (О.Реггап), Д.Флинт (О.РПт) и др.

Задачи, которые решаются в этих работах, связаны, в основном, с рассмотрением ограничений глобальных, корпоративных и локальных сетей обработки данных, с исследованием и анализом вычислительных систем и сетей.

Таким образом, тематика проводимых в диссертации исследований, обеспечивающих разработку моделей и методов для оценки и выбора параметров каналов МСОИ является актуальной.

Объектом исследования в работе являются региональные МСОИ, которые охватывают большую территорию (тысячи квадратных км), обеспечивая высокую емкость за счет одновременной пакетной передачи цифровых данных, голоса и видео тысячам абонентов. Такие многофункциональные системы предоставляют несколько видов интерактивных мультисервисных услуг, а именно: высокоскоростную передачу и обмен данными, доступ в Интернет, услуги цифровой телефонии, живое потоковое видео/аудио вещание в реальном масштабе времени (РМВ).

Предметом исследования работы являются анализ и оценка параметров производительности создаваемых и модернизируемых БС МСОИ.

Цель работы заключается в создании моделей и методов для исследования, расчета, оценки и анализа параметров производительности МСОИ, которые позволяют выполнять аналитический расчет параметров и анализ нагрузочных возможностей каналов БС МСОИ при передаче комплексного трафика в режиме рабочего функционирования системы. Достижение поставленной цели, ориентированной на ускоренное развертывание эффективных систем класса МСОИ, ведет к решению проблемы создания единой среды обмена мультисервисной информацией в РФ, стиранию информационного неравенства центра и регионов, равному доступу всех граждан к ИТ.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решаются следующие основные задачи:

- исследовать организацию и функционирование МСОИ и разработать ее функциональную модель;

- проанализировать параметры, влияющие на производительность МСОИ, и разработать систему расчетных соотношений, составляющих ее математическую модель;

- разработать методики получения и обоснованного выбора параметров МСОИ на основе функциональной и математической модели, методов измерений, аналитического расчета производительности и балансировки нагрузки.

Методы исследования. При выполнении работы и для решения поставленных задач использовались методы теории информации, теории множеств, теории графов, метод контуров, методы теории систем и сетей массового обслуживания, информационные технологии.

Научная новизна.

• Функциональная модель МСОИ, разработанная на основе формализованного описания объекта.

• Математическая модель, включающая расчетные соотношения взаимосвязей параметров МСОИ.

• Методика получения исходных данных для анализа и выбора параметров каналов МСОИ.

• Методика расчета и оценки параметров производительности МСОИ в целом.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов работы подтверждается опытом практического применения методик получения и расчета параметров производительности МСОИ при создании новых мультисервис-ных систем, модернизации существующих СПД, а также опытом успешного бесперебойного функционирования тринадцати МСОИ, разработанных с использованием разработанных методик.

Практическая ценность. Представленные в диссертации результаты положены в основу инженерной методики, ее программной реализации для расчета, анализа параметров производительности МСОИ и могут быть использованы для:

- формулирования требований, которым должна удовлетворять МСОИ;

- расчета сбалансированной нагрузки и обоснованного выбора параметров каналов БС МСОИ;

- выполнения технико-экономических обоснований создания новых, модернизации существующих СПД заданной архитектуры в систему класса МСОИ;

- построения эффективных систем класса МСОИ уровня региона, охватывающего до 50 тысяч пользователей-абонентов, обслуживаемых на базе кабельного, беспроводного или смешанного, эфирно-кабельного способа доступа;

- создания на базе типовых элементов, каналов и узлов БС новых региональных МСОИ для высокоскоростного обмена данными, доступа в Интернет, реализации телефонных услуг, видео/аудио трансляции, передачи сообщений и файлов, распределенной обработки данных, сбора телеметрии, наблюдения за объектами, организации корпоративной связи, в том числе в интересах образовательных, лечебных, муниципальных и государственных учреждений;

- обеспечения на базе созданных МСОИ массовых универсальных услуг, организации электронного региона, обеспечения равного доступа всех граждан к возможностям ИТ.

Апробация работы. По теме диссертации сделано 12 докладов, в том числе на: Всесоюзном научном семинаре МЦНТИ «Локальные вычислительные сети: Опыт реализации и перспективы развития». Иваново, 1986; Международных конгрессах Национальной Ассоциации Телерадиовещетелей (HAT) в 1999, 2000, 2001 и 2004 гг.; Третьей международной научно-технической конференции Министерства РФ по связи и информатизации «Перспективы развития телерадиовещания и теле-

коммуникационных услуг», Выставочный центр "Сокольники", 2001; конференции Ассоциации Кабельного Телевидения России (АКТР) «Пути достижения успеха в бизнесе кабельного телевидения в России», С-Петербург, 2002; 11-й международной конференции ВНИИТР и НТОРЭС им. А.С.Попова «Организационно-правовые, финансовые и научно-технич. аспекты современного телерадиовещания», Софрино, 2003; 8-й ежегодной конференции компании Комптек и Ассоциации Документальной Электросвязи (АДЭ) по БЕспроводным СЕтям Данных «БЕСЕДА-8», Звенигород, 2003; 2-й научно-практической конференции компании "Телестарт" «Мультисервисные сети связи. Настоящее и будущее», Валдай, 2003; школе-семинаре Поволжской Государственной Академии Телекоммуникаций и Информатики (АТИ) «Принципы и практика построения сетей абонентского доступа с использованием современных телекоммуникационных технологий», Волжский Утес, 2004; научно-практ. конференции Ассоциации Производителей Отечественных Радио-Релейных Систем (АПОРРС) «Беспроводные решения для сельской связи», М., 2005.

С использованием разработанной методики рассчитаны и обоснованы параметры каналов, спроектированы и функционируют 13 региональных систем класса МСОИ, в том числе 11 беспроводных систем MMDS уровня района и 2 кабельные HFC системы городского масштаба. Еще более 10 систем спроектированы и находятся на разных стадиях внедрения.

Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 21 печатной работе, в том числе получено три авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть диссертационной работы изложена на 162 страницах машинописного текста, без учета приложений, включая 33 рис. и 17 табл. Список использованной литературы включает 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена научная новизна, практическая ценность, определен объект и предмет исследований, дано определение мультисервисной системы обмена информацией (МСОИ), сформулированы и поставлены цели исследований, обозначены решаемые задачи и результаты исследований, выносимые на защиту, приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе проведен анализ технологий и методов доставки информации, положенных в основу Интернет, современных СПД и МСОИ. Рассмотрены известные модели и методы оценки производительности систем пакетной коммутации, проанализированы параметры производительности систем обмена сообщениями на разных уровнях модели OSI и стека протоколов TCP/IP с учетом свойств разнородного трафика. Дана общая характеристика традиционной оценки производительности коммуникационных систем и вычислительных сетей. Выполнен сравнительный анализ конкурирующих технологий обработки и доставки информации, позволяющих в той или иной мере преодолеть ограничения и решить проблему «последней мили».

Обосновано применение сетей класса МСОИ на базе технологий HFC и MMDS, как способов доставки информации, в наибольшей мере удовлетворяющих современным требованиям. Проанализированы модели и методы расчета, измерения, моделирования производительности, используемые при создании и внедрении систем класса МСОИ.

Как показал анализ, хотя и существует множество подходов к оценке производительности и эффективности МСОИ, все они носят частный характер, отличаются сложньми математическими соотношениями и непригодны на этапе создания и внедрения МСОИ. Исследования, использующие имитационное моделирование, позволяют лучше оценить процессы, связанные с оценкой производительности. Однако они трудоемки и требуют длительных расчетов. Традиционно используемые методы либо не ставят своей целью отработку стадий развертывания МСОИ, либо не учитывают особенности физических протоколов, свойств разнородных сообщений и не рассчитывают реальную нагрузку на сеть.

Производительность МСОИ, необходимая для обработки заданного числа мультисервисных сообщений с требуемым КО, может превосходить пропускную способность отдельного канала или группы базовых каналов, которые могут быть организованы на выделенном частотном ресурсе для обслуживания заданного числа абонентов-пользователей, секторов-кластеров и регионов. В связи с этим может потребоваться поэтапная реструктуризация БС МСОИ с целью увеличения числа каналов и производительности всей системы.

Учитывая продолжающийся рост Интернет, массовое внедрение сетей класса МСОИ на базе радиосистем MMDS и HFC, а также в связи с началом развертывания сетей 3G и WiMAX в РФ, отсутствия систематических исследований, направленных на разработку моделей и методов для ранних этапов создания таких систем, делается вывод о необходимости разработки научно обоснованных моделей и методов для оценки эффективности МСОИ, расчета производительности системы, выбора параметров каналов с учетом стоимости оборудования БС.

В выводах сформулирована цель работы и поставлены задачи, требующие решения в диссертации.

Во второй главе рассмотрены структурные, логические и функциональные особенности исследуемого объекта класса МСОИ. Рассмотрены элементы и базовые узлы системы. Описаны технические характеристики, необходимые для расчета производительности. Проанализированы режимы функционирования МСОИ. Предложена функциональная модель объекта, рассмотрены параметры и разработана математическая модель МСОИ для оценки производительности системы.

Исследуемый объект, рис. 1-2, представляет собой множество абонентских модемов (AM), размещенных по возможности ближе к потребителям информации: компьютерам, LANs, телефонам, STBs (Set Top Box) и другому оконечному оборудованию данных (ООД). Множество {AM} с помощью головного модема (ГМ, рис.2а) связываются с глобальными сетями и между собой в инфраструктурном режиме (через ГМ), являясь активными узлами сети.

ГМ является основным элементом БС МСОИ, к которому относится также вспомогательное «пассивное» оборудование для приема-передачи и усиления цифровых сигналов. Такая сеть является открытой IP-сетью на всех уровнях выше

канального MAC-уровня. Ее взаимодействие с внешними сетями осуществляется по стандартам Ethernet и с использованием стека протоколов TCP/IP.

Физическая структура МСОИ представляет собой «звезду» (или «мультиз-везду»), то есть структуру "точка-многоточка", образованную каналами связи между ГМ, находящимся на базовой станции (БС), и множеством {AM}, находящимися у абонентов (рис. 1 -2).

Базовая станция (БС)

«точка-многоточка»

Обозначения на рис, 1 -.1: ГМ - головной модем; AM, - абонентский модем; О К* - А-тый обратный канал; К0 - число ОК; ПК„ - и-й прямой ханал; К„ - число ПК; СПД - сеть передачи данных; |*Jf ТВ/радио - сети ТВ, радиовещания, источники; ТфОП - телефонная сеть общего пользования; WANs - глобальные сети.

(^¡пьёгпе^другие ШЫ-сети: ТфОП, ТВ/радио

Рис. 1. Структура МСОИ «точка-многоточка»

Функциональная схема МСОИ имеет в минимальной конфигурации один прямой ТОМ канал и один обратный ТОМА канал (рис.2а).

В направлении от {АМ} к БС, образуется одно или несколько логических «колец» (или «мультикольцо»), которые управляются ГМ (рис.2б).

ГМ

СПД ТВ/радио,

тфогГсиим)

а) Функциональная схема (Кп= 1 и К0= 1) б) Логическая схема (А'„=1 и К0=к) Рис.2. Функциональная (а) и логическая (б) схемы МСОИ

Функциональная модель МСОИ — это многофазная замкнуто-разомкнутая сеть массового обслуживания. Она состоит из центральной СМО, совместно используемого прямого канала (ПК) и обратного канала (ОК, одного или нескольких), содержит до 8175 обслуживающих узлов ({АМ},), возможно нескольких типов, которые моделируются множеством СМО,, г-йй.

В предположении постоянной нагрузки Ло на все узлы У„ уравнение баланса иД,+А0/ т=Ля (1)

где —сотиГ, /=1 ,т - число абонентов (источников нагрузки) на АМ„ т — общее число АМ (источников нагрузки на ГМ). Общее число абонентов МСОИ

л=2>(. (2)

/

Насыщение ГМ или АМ узла сети класса МСОИ, обозначаемое как максимальное число п'* источников нагрузки на каждый узел г, наступает при

„* _ 1/Д+1¿к _ ь±к =, яа. т £ (если м »ЛЛ (3)

1/д Я, Л, Л, г,

где д - интенсивность обслуживания в узле г; А, - средняя интенсивность одиночной нагрузки; Тс - время цикла, т.е. сумма среднего пассивного времени 1/Д0> или времени "размышления" (где Ли - средняя интенсивность нагрузки АМ, на ГМ), и среднего времени обработки

т,=1/А- (4)

Прямое определение п'* методами СМО затруднительно, т.к. контуры сообщений разнотипные, характеристики узлов и каналов разные, число узлов и пользователей-абонентов МСОИ варьируется от тысячи до десятков тысяч.

Для определения и'* составляются схемы контуров, графовые модели и временные диаграммы контуров сообщений через МСОИ, рис.3-5, которые учитывают все фазы контуров передачи пакетов.

Рис.3. Типы контуров ^ передачи пакетов сообщения через МСОИ

Модель нагрузки на МСОИ характеризуется следующими параметрами:

1) 5-функцией «включена-выключена», т.е. нагрузка активна-пассивна;

2) полезной скоростью Уо оцифровки голосовой информации (типом кодека);

3) временным циклом пакетирования голосовой информации (от 10 до 90 мс);

4) активностью a¡ групп пользователей по видам услуг;

5) активностью А абонентов по группам пользователей.

Для расчета телефонной нагрузки определяется длина Ь0 пакетов голосовой информации в байтах Ь0 = (Ко/8)'í0. (5)

Для наиболее сложного контура q, телефонии передача пакетов голосовых сообщений выполняется с использованием Ле^-запросов и занятия ресурсов обратного (ОК) и прямого канала (ПК). Графовая модель временных затрат Т\т) при прохождении пакетов сообщения через замкнутый контур qc={qt} показана на

Рис-4- г, t¡> i, t. t,

О-Ю-Ю-:-Ю-КЗ-К?

Рис.4. Графовая модель временных затрат Т(т) при прохождении информационных пакетов через замкнутый контур qc~{qt}

Временная диаграмма Т\т) полной задержки г при передаче трафика через

*г » Г »

AM: z'-й запрос

it

ГМ: подготовка

ГМ: передача

AM: прием

Ч<-

AM: г+1-й запрос 1

>t. , и, с

Рис.5. Временная диаграмма Т[т) полной задержки г при передаче пакетов через МСОИ по замкнутому контуру qc

На рис.4-5 приняты следующие обозначения:

• гг- время передачи Яе^-запроса в ОК (фаза <рг);

• 1Р - время выборки Мор-расписания из памяти ГМ;

• ti - время чередования, то есть перемешивания символов в кадрах для передачи в ПК и ОК (интерливинг, т1ег1еахчп%)\

• Гп - время передачи расписания и данных в ПК (зависит от соотношения К,]Кп числа ОК на 1 ПК, длины Ьр Мзр-расписания и длины Ъч пакета Ле^-запроса);

• /г - круговая задержка, определяемая по формуле I? —2Ьт/ар'с, (б)

где Ьт - максимальная дальность; ар - коэффициент замедления физической среды; с — скорость света в вакууме;

• - время обработки пакетов транзакций в АМ;

• - время между соседними запросами в рассматриваемом контуре д;

• Те - полный временной период процессов обработки пакетов всех активных циклически замкнутых сообщений.

Таким образом, общее время г„ или полный период одного прохождения пакетов голосового сообщения через замкнутый контур включает следующие составляющие временных задержек: т,= +/„+/,+?,,„ (7)

где ?г, 1Р, !„ 1п, гг, 1т определены выше.

В расчетах нагрузки на каналы МСОИ учитываются следующие характеристики модели производительности (МП):

- тип „ л контуров, по которым передаются сообщения в зависимости от услуги;

- фактическая длина Ь„, Ь0 пакетов, передаваемых по ПК;

- разбиение пакетов в ПК на кадры длиной фактическая скорость С„ передачи информации в канале;

- разбиение пакетов в ОК на мини-слоты длиной Ь1, длительность тайм-слота число тайм-слотов т$, фактическая скорость С0 передачи информации в канале;

- дополнительные ресурсно-временные расходы в канальных трактах на организацию передачи пакетов в соответствующем контуре д.

Методика получения интенсивности /л состоит из следующих этапов:

- собирается схема по рис.6 для имитации передачи ГМсАМ, которая позволяет изменять настройки каналов, задавать интенсивность потоков и длину пакетов;

- для различных настроек каналов выполняются измерения временных интервалов между пакетами, рассчитывается пропускная способность ц, узлов МСОИ.

Рис.6. Схема измерения временных интервалов передачи пакетов через МСОИ

Адекватность предложенной методики измерений и расчета p.t обоснована фактом, установленным А.А.Шерром, что система разделения времени при конечном числе источников и дисциплине FIFO ведет себя как СМО М\М\ 1.

Для целей проектирования МСОИ в качестве исходных данных (ИД) задаются параметры абонентской нагрузки: структура и динамика трафика по видам реализуемых мультисервисных услуг, передаваемых через МСОИ, которая зависит от вида этих услуг и для своего описания использует следующие ИД:

- количество телефонных абонентов п,;

- используемый голосовой кодек G.7xx;

- активность а, телефонных абонентов в часы наивысшей нагрузки (ЧНН);

- количество абонентов nv ТВ/радиовещания;

- средняя активность av абонентов ТВ/радиовещания;

- средняя интенсивность Л, передаваемых видео/аудио потоков;

- число и активность (п?,а?) индивидуальных пользователей Интернет и корпоративных (rXkfii) соответственно, различаемых по требуемой входной интенсивности трафика А„ Л*, причем пд — число активных пользователей, ad — активность Интернет абонентов, wnd- и, + пк.

Расчетные соотношения математической модели производительности МСОИ Задержка t\ передачи бита в ПК или ОК определяется по формуле:

t\ = UQn o;=( 1 + СС/аoj)IH<n ojTMjn Q>, (8)

где IIf„.oj - ширина ПК, Гц; а!п о) - защитный интервал между каналами, IMin.oi -информативность модуляции.

Задержка t„ передачи пакета длиной Ъп байт в ПК составляет

t^bJCrr 8b„(l+a„)/HnIM- (9)

Продолжительность ts тайм-слота, необходимого для передачи одного мини-слота Ь„, имеющего в ОК фиксированную длину Ь,= 16 байт, определяется как

ts=kJVJlutn-. (10)

где k,=CJSt0; К0=ЯД 1+а0); i0=6,25 мкс.

Число т0 тайм-слотов и число т„ мини-слотов соответственно под передачу пакета в ОК, составляет т0— 2", где Тайм-слоты выделяются в режиме BE

(с наивысшим усилием, BE - Best Effort), по Мгр-расписанию, а часть остается для передачи в режиме конкуренции (Contention).

Длина Ъ1 пакета телефонии на А£4С-уровне b,'=b0+zMAc, (И)

где zMACrziP+zRTP+zUDp. (12)

Интенсивность Л,' голосовых пакетов на М4С-уровне Я,—8è,7io. (13) Занимаемый пакетом объем Ъ, на Phy-уровне составит b,=bl+zf+z{skl, (14) где zF - вставка Phy-уровня; zisj,} - оверхед мини-слота zs или кадра zk, определяемые по формуле Zfs,krb{s.krm0&b(b!+ZF), (15) где modb(b,'+zF) — значение b,'+Zf по модулю Ь„ — длина в байтах мини-слота в ОК, bs= 16, или по модулю bh в случае ПК, bk= 188 байт — длина кадра в ПК. Физический заголовок (оверхед) Zf определяется как

Zf=ZC+Zp+ZQ, (16)

где zc - вставка FEC-контроля, которая определяется по схеме (К,2Т) кодирования Рида-Соломона zc^binOt'TT+ZL, (17) где К=75, Т=5; Гх1 — округление вверх; zL — вставка последнего кодового слова: Zi.=16-modK(è,'), если 0<modK(i,')<16, иначе zi=0, если тос1к(Ь/)=0, (18) где modK(è/) - значение ¿>,'ло модулю К=75.

Максимальная интенсивность Лед-запросов Яг=8Ьг'Лр, (19)

где Ъг - фактическая длина Лед-запроса; интенсивность Лр Map-сообщений для телефонии, Ap=l/io (20). Максимальная интенсивность передачи Мз/з-расписаний L,m=hpn;{KJKny{ 1 +ап)!НпТк, (21), где bpm - фактическая длина Мгр-сообщения,

KJK„ - число OK на один ПК. tr~l/Ar (22), tp=l/Ap=bp't2u/!2w (23), где tp - время выборки нового Л/а/5-расписания через шину compact PCI ГМ для его передачи, Ър -длина расписания в байтах, t2w - время чтения двойного слова длиной /2и,=4 байта.

Требуемая интенсивность Я," обслуживания отдельной транзакции телефонии (фазы <р, и (рг контура q,) составит в OK ?.°=Xt+Xr (24), а общая интенсивность /2," обслуживания и,' пакетов сообщения в OK fi°=X°'nl (25).

Интенсивность X", требуемая для обслуживания пакетов одной транзакции телефонии (фазы (рп и <рР контура д,), и общая интенсивность ¡л" обслуживания и/ пакетов транзакций в ПК составят соответственно Х"=Х„+ХР (26), (27).

Числа К! каналов МСОИ для телефонии определяется по формуле К!=\ N;ajnf\ (28), где N, - число абонентов; а, - их активность; и/ - число абонентов в "условном" канале. Пропускная способность С, каналов для телефонии определяется по формуле C,-Kt 'V) (29), где V\ - скорость в одном частотном канале.

Время t, чередования символов кадра в ПК tr=K§t\ (30), если A/„=64QAM или 256QAM, иначе ti=K\t\ (31), если M„=QPSK или I6QAM, где К0, К\ - табличные значения; t] - время передачи бита, определяемое как i|=l/F, (32), где V, — фактическая скорость в ПК,.

Время передачи Мзр-расписания в ПК tp„=(K2-+bl;KJK„y(l+ak)^t] (33), где К2 — константа (дается производителем); Ър — длина расписания.

Передача смеси аудио/видео сообщений и цифровых данных.

Вычисление интенсивностей передачи аудио/видео информации v и

данных d производится по формуле {^,С}у+1/={/ил,0-//„С„1в-С/} (34), где С„ - пропускная способность ПК, fi - интенсивность обслуживания пакетов в узлах. Задержки г определяются как {z,j,zv}-t„+tm (35), где t„=t„(b„) - время передачи пакетов в контурах qd, qy по ПК в направлении от ГМ к AM (фаза <р„); tm=t„,(b„) — время обработки в фазе <рп пакетов, поступающих в AM по ПК. Эти данные берутся у производителя оборудования или являются результатом измерений времени ьгх интервалов для расчета {ц„,(л0} по предложенной выше методике.

Предельное число пакетов телефонии, аудио/видео информации или данных, которое обеспечивается ресурсно-временными возможностями, составит nq,=Xq'Tc=TtJTq (36), где Тс - временной цикл, тч - задержка в контуре qe Q= {q„qv,qd}, г?= = 1 & (37), <pq - фазы контура q; /,• - элемент задержки тч\ Z>; -

длина пакета; /л, - интенсивность обслуживания в фазе /.

Если абонентам и, выделяется только часть pq временного ресурса Тс, то nq~Xq'pqTc-pqTJтч (38), где pqTc=hTc (39) - доля временного ресурса.

Весовой коэффициент Рч услуг в контуре q определяется как Pq~nq/(n,+nv+n^), поэтому P=nJ(n,+nv+nd) и Pj=nd/(n,+nv+nd) (40).

Предельная производительность Wq в контуре q, при ограничении на временную задержку rq<Tc, определяется как Wq =nq !aq (41), где aq - активность трафика услуг или абонентов в контуре q. Соответственно предельная производительность Wj передачи данных Wd =nd /аА где ad — средняя активность Интернет-абонентов, W* (при передаче телефонного трафика) составит W,'=n'/a„ где а, - ак-

тивность телефонных абонентов, и предельная производительность IV' передачи видео/аудио трафика составит /ау, где ау — средняя активность получателей

видео/аудио информации.

Комплексная рабочая производительность \УР определяется как )¥р= /Т^Я/Мед (42), где /' — индексы контуров 6={с?а я,, <?Л> описывающих

предоставление мультисервисных услуг и={с!,1,у}, у1 — коэффициент использования контура / сообщениями.

Соотношения (1-42) составляют основу математической модели производительности МСОИ.

В третьей главе поставлены задачи расчета функциональных параметров производительности, выбора пропускной способности каналов МСОИ и предложены решения. Описана технология получения, обработки и анализа исходных данных (ИД), необходимых для расчета параметров производительности. Разработаны алгоритмы методик расчета параметров каналов и оценки эффективности ЕС системы класса МСОИ.

Задача расчета параметров производительности и выбора пропускной способности каналов МСОИ формулируется следующим образом.

1) Заданными для расчета производительности являются следующие ИД:

- перечень II предоставляемых сервисных услуг и={с1,1,у};

- число N обслуживаемых абонентов Л -{Лг£/,Д',^\ги};

- максимальная дальность Ьт БС МСОИ;

- активность А={а^,а(,ау} абонентов;

- интенсивность входного трафика Ло={Л/, Л. абонентов;

- ширина каналов МСОТ {Нк}, к = 1,К, Ке{КпуК0};

- виды модуляции {Мк} в каналах {ЮУ, к =1, К;

- интенсивность обслуживания цп, ц0 {ОУ}={У} (ГМ и АМ);

- бюджет В, выделенный на оборудование БС системы.

2) Ограничения модели производительности МСОИ:

- длины пакетов по типам услуг - одинаковые;

- время обслуживания пакетов - детерминированное;

- фазы и контуры сообщений по типу услуг - однотипные;

- законы распределения поступления сообщений — экспоненциальные;

- допустимое время т„ ту задержки пакетов в контурах — фиксированное;

- (ЕМЕА, }«1, } » }, ¿> «О и

3) Промежуточные результаты расчета производительности:

- дополнительные ресурсные затраты г пакетов на сетевом канальном гшс и физическом 2р),у уровнях;

- фактическая длина пакетов Ъе {Кп,К0} для ПК и ОК в зависимости от вида услуги £/={^,г,у};

- интенсивность А(уоЛ,<р) нагрузки в зависимости от полезной скорости у0 обслуживания, периода г0 активности и фаз {<р) обработки в контуре д;

- интенсивность /л(а,Ъ,п,Х) обслуживания пакетов в зависимости от активности {я} абонентов, длины пакетов Ъ, числа сообщений п и интенсивности А.

4) Требуется рассчитать и выбрать следующие параметры каналов БС МСОИ:

- требуемую пропускную способность {С} каналов {ГЖ,ОК} еБС МСОТ;

- необходимое количество К„, Ка каналов {ПК,ОК};

- рабочую W„' и предельною fV„' производительность W„'={Wj,W,',Wv'};

- максимальное число nq ={nd ,п, ,и„ } абонентов, обслуживаемых в заданный временной цикл Тс\

- стоимость D(ShyK) оборудования и параметры производительности {W) в зависимости от вариантов структуры £/,, числа К={К„,К0}, конфигурации каналов {Н, М] и дополнительных каналообразующих элементов БС МСОИ.

Методика расчета параметров каналов БС МСОИ содержит три основные стадии:

- сбор, обработку ИД, расчет фактических параметров в соответствии с математическими соотношениями модели нагрузки (МН);

- использование ИД и расчетов параметров нагрузки в соответствии с разработанными алгоритмами методики и соотношениями математической модели производительности (МП);

- анализ и интерпретацию полученных результатов, формирование рекомендаций по выбору оборудования для создания эффективной БС МСОИ.

Методика расчета параметров каналов (рис.8) состоит в задании ИД, расчете удельной нагрузки {/?} по видам услуг, определении производительности условного канала, общего числа каналов и настроек БС МСОИ.

Сходимость выбора параметров каналов обеспечивается пропорциональным распределением нагрузки между видами услуг U={d,t,v} в каналах БС.

Наряду с производительностью, рассчитывается стоимость БС в зависимости от структуры дополнительного каналообразующего оборудования, определяющего общую стоимость каналов, т.е. учитывается эффективность БС МСОИ.

В четвертой главе представлены описания системной организации реализованных МСОИ. На конкретных примерах построенных беспроводных сетей MMDS демонстрируется применение разработанных моделей и методик.

Приводится карта покрытия территории Московской области (рис.10) беспроводными мультисервисными системами MMDS {Multichannel Multipoint Distribution Systems), которые относятся к классу МСОИ. Каждая МСОИ характеризуется своими отличительными особенностями.

Рассмотрены варианты выбора структуры БС и приводятся результаты оценки параметров каналов систем МСОИ, в которых для обслуживания разных видов трафика используются как выделенные (город Солнечногорск), так и совмещенные (город Серпухов) каналы. Рассмотрены подзадачи расчета, оценки параметров каналов, производительности структур БС эффективной системы, получения с помощью измерений базовой интенсивности обслуживающих узлов МСОИ. Даются примеры использования методики расчета и выбора параметров каналов, стоимостной оценки структуры БС систем класса МСОИ, в том числе с учетом экономии частотного ресурса за счет повторного использования частот.

нет^___1 - Проверка

»>0?

Рис.8. Методика расчета параметров каналов БС МСОИ

Алгоритмы расчета в методике оценки и выбора параметров каналов МСОИ реализованы программно и используются итерационно в инженерной практике.

12. Изменение НУ:

н, м, р

Основные внедрения БС систем класса МСОИ выполнены в 12 городах: Но-воуральск (Свердловская область, 2 системы), Челябинск (областной), Усинск (Республика Коми), Клайпеда и Каунас (Литва), Брянск (обл.), Южно-Сахалинск (обл.), Солнечногорск, Серпухов, Ивантеевка (Московская область), Можга (Удмуртия), Салым (ХМАО). По большинству объектов получены акты о внедрении результатов диссертации. ^

Дубину ., • N Сергиев

г по^

\ ) Г\ Mi-4/ i

vN Голики

НО ,/ ;

Чехов Серпухов

- Зоны покрытия действующих систем MMDS/HFC

- Зоны покрытия планируемых систем MMDS

Рис.10. Карта покрытия Московской области системами класса МСОИ

Подробно рассмотрены расчеты производительности, выполненные по предложенной методике при разработке беспроводных систем MMDS класса МСОИ на примере городов Солнечногорск и Серпухов Московской области.

Расчет параметров каналов систем MMDS и кабельных HFC сетей класса МСОИ по предложенной методике выполнен для 7 из 13 перечисленных объектов, что подтверждается соответствующими актами о внедрении. Разработанные методы использовалась также при разработке специализированных стендовых интерфейсов связи (2 акта), а методические материалы - в Учебном центре Московского филиала ОАО "ЦентрТелеком" (1 акт).

Сведения о количестве абонентов, обслуживаемых в настоящее время сис-

Название города Численность населения Кол-во семей Кол-во мультисервисных абонентов

Всего Интернет Телефонии ТВ/радио

Новоуральск 50000 16000 1500 1500 450 Н/д

Челябинск 1600000 500000 1500' 1500 500 100

Серпухов 132000 44000 500 500 Н/д Н/д

Ивантеевка 53000 17000 j 500 | 500 ] 200 Н/д |

Перечисленные системы достигли 50-70% предельной нагрузки и продол. жают устойчиво функционировать. По главе 4 делаются следующие выводы:

1. Использование разработанных методик для расчета производительности, выбора параметров каналов, оценки стоимости БС в зависимости от структуры и при проектировании систем класса МСОИ позволяет охватить до трех этапов жизненного цикла системы: формализацию требований, разработку, настройку и запуск системы, а в дальнейшем и этап модернизации, увеличения производительности и эффективности МСОИ.

2. Практическое применение разработанных методик измерений, расчета, анализа, оценки производительности и стоимости БС МСОИ обеспечивают сходимость оценок и существенную минимизацию времени проектирования.

В заключении приводятся основные результаты проведенных исследований, которые сводятся к следующим.

1. Разработана функциональная модель, которая учитывает структуру и функционирование МСОИ, позволяет описать систему адекватно исследуемому объекту, имеющему большое число параметров и большую размерность.

2. Разработана математическая модель нагрузки А и производительности W(n, г) МСОИ, а именно: математические соотношения, учитывающие все фактические ограничения на сеть, которые связывают параметры нагрузки с фактической интенсивностью ¡л обработки трафика, реальной пропускной способностью С и параметрами каналов, периодом следования to пакетов, их длиной Ь, активностью трафика и абонентов.

3. Предложена методика измерений и получения нормативных значений интен-сивностей ц базовых обслуживающих узлов (AM и ГМ) и пропускной способности С направленных каналов МСОИ, прямых и обратных.

4. Предложена методика расчета параметров МСОИ, которая использует математическую модель и обеспечивает проектирование эффективных МСОИ, выбор параметров направленных каналов, оценку фактического использования пропускной способности (загрузки) каналов МСОИ.

5. Разработаны алгоритмы расчета функциональных параметров производительности МСОИ, обеспечивающие сходимость результатов, автоматизированный, сбалансированный выбор параметров каналов, вариантов структуры Sh БС по стоимости и реальной производительности МСОИ.

6. Предложенные методы доведены до инженерного применения и апробированы при решении задач оценки параметров производительности создаваемых МСОИ на ранних стадиях проектирования. Методы прошли проверку при проектировании около 10 региональных беспроводных систем MMDS и нескольких городских гибридных HFC-сетей класса МСОИ. Практика подтвердила работоспособность предложенных методов: все разработанные системы устойчиво функционируют, что подтверждает адекватность разработанных моделей объекту исследования - МСОИ.

7. Эффективные системы класса МСОИ, спроектированные и построенные с использованием разработанных моделей и методов, решают проблему «длинной

последней мили» на уровне больших городов с помощью одной макросоты, обеспечивают единую среду для информационного обмена сообщениями, создания "электронного" региона, предоставления универсальных услуг, устраняют неравенство доступа граждан к возможностям ИТ в центре и регионах. Внедрение результатов диссертации подтверждены 10 актами по соответствующим объектам, видам выполненных исследований и разработок.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Широков В.Л., Правдин В.М., Филатов В.Г., Харитонов Ю.М. Устройство сопряжения вычислительных машин / Межвузовский сборник Чувашского университета (в настоящее время научный журнал "Вестник Чувашского университета"). - Чебоксары: ЧГУ. - 1985. - С.48-51.

2. Широков В.Л., Лысяков Ю.М. Временные задержки в сети микроЭВМ с шиной Q-bus // Иваново. Тезисы докладов всесоюзного научного семинара. "Локальные вычислительные сети: Опыт реализации и перспективы развития". -М.: МЦНТИ. - 1986. - С.84-88.

3. A.C. № 1336019 СССР, МКИ G06F13/00: Устройство для ввода данных в канал ЭВМ, авт.: Лысяков Ю.М., Широков В.Л., Збарский С.М., 08.05.87.

4. A.C. № 281189 СССР, авт.: Анисимов Л.А., Еремин А.Ф., Федоров Б.Н., Широков В.Л., 01.09.88.

5. A.C. № 1463114 СССР, Телевизионный имитатор, авт.: Широков В.Л., Никонов Е.К., Гуслиц О.М., Еремин А.Ф., Анисимов Л.А., 01.11.88.

6. Широков В.Л. Межмашинный интерфейс микроЭВМ с предельными временными характеристиками / Международный журнал "Управляющие системы и машины". - Киев: Наукова думка. УСиМ. - 1989. - № 5 (103). - С.29-33.

7. Широков В.Л., Лысяков Ю.М. Влияние загрузки канала прямого доступа к памяти на производительность микроЭВМ / Журнал "Микропроцессорные средства и системы" (после 1990 года - "Средства и системы информатики"). -М.: МПСиС. - 1990. - № 5. - С.33-34.

8. Широков В.Л., Ярошенко В.А. Высокоскоростной доступ к Интернет по технологии MMDS // TRBE'99. Материалы Международного конгресса Национальной Ассоциации Телерадиовещателей (HAT). - М.: HAT, 1999 (ноябрь). -С.29-31.

9. Широков В.Л. Технология интерактивных радиосетей MMDS для высокоскоростного доступа в Интернет / Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание". -М.: Groteck, ВС №5 (9), 2000. - С.50-51.

10. Широков В., Ярошенко В., Мажуль Е., Малов В. Практическое внедрение высокоскоростного доступа в Интернет на действующей радиотелевизионной сети MMDS / Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание". - М.: Groteck, ВС №6 (10), 2000. - С.58-59.

11. Широков В.Л., Ярошенко В.А. Реализация технологии высокоскоростного радиодоступа в Интернет на примере действующей системы MMDS // TRBE'2000. Материалы международного конгресса HAT "Прогресс технологий телерадиовещания". - М.: HAT, 2000.(октябрь). - С.148-150.

12. Широков B.JT., Ярошенко В.А., Малов В.А., Мажуль Е.М. Практическое внедрение высокоскоростного доступа в Интернет по технологии MMDS // Выставочный центр "Сокольники". Материалы третьей международной научно-технической конференции "Перспективы развития телерадиовещания и телекоммуникационных услуг". - М.: Министерство РФ по связи и информатизации, 2001 (февраль). - С.62.

13. Широков В.Л., Ярошенко В.А. Опыт практического внедрения и испытаний систем обмена данными в стандартах DOCSIS и DVB-RC на широкополосных ТВ сетях доступа // Тезисы докладов V Международного конгресса HAT "Прогресс технологий телерадиовещания". - М.: HAT, 2001 (октябрь). - С.13.

14. Широков В.Л., Ярошенко В.А. MMDS: практика внедрения беспроводного доступа в Интернет / Информ-Курьер-Связь. -М.: ИКС №10, 2001. - С.38-41.

15. Широков В.Л., Ярошенко В.А., Печерский А.Д. MMDS/Интернет - интерактивная технология распределительных радиотелевизионных сетей / Информ-Курьер-Связь. - М.: ИКС №9,2002. - С.42-46.

16. Широков В.Л., Ярошенко В.А. Особенности интерактивной эфирно-кабельной технологии "DOCSIS +wireless" на примере систем "MMDS Internet" и развитие их многофункциональности // Софрино. Материалы 11-й международной конференции: Организационно-правовые, финансовые и научно-технические аспекты современного телерадиовещания. - М.: ВНИИТР, 2003 (апрель).-С. 15.

17. Широков В., Ярошенко В. Новые мультимедийные возможности технологии MMDS Internet / Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание". - М.: Groteck, ВС №3 (31), 2003. - С.34-35.

18. Широков В.Л. Беспроводной мультисервис для регионов / Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание". - М.: Groteck, ВС №7 (35),

2003.-С.34-35.

19. Широков В.Л., Ярошенко В.А. Городские широкополосные беспроводные сети. Радио технология DOCSIS+ как прообраз Wireless MAN / Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание". - М.: Groteck, ВС №3 (39).

2004. - С.10-11.

20. Широков В.Л., Ярошенко В.А. Мультисервисная беспроводная городская сеть доступа Wireless MAN / Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание". - М.: Groteck, ВС №6 (42), 2004. - С.32-33.

21. Широков В.Л. Модели оценки производительности многофункциональных систем обмена трафиком на примере беспроводных сетей доступа Wi-Fi, Wireless MAN и WiMAX / Электронный журнал "Вычислительные сети. Теория и практика". — М.: BC/NW, №2 (5), 2004. Раздел 6, статья 1. -http://network-iournal.mpei.ac.ru.

Подписано в печать öß зак. IД Тир. (ОС П.л. 1

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СИСТЕМ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ.

1.1. Общая характеристика показателей эффективности систем пакетной коммутации на физическом и канальном уровне.

1.2. Параметры производительности систем обмена информацией на физическом и канальном уровнях.

1.3. Общая характеристика свойств разнородного трафика и реальные оценки производительности систем обмена информацией.

Выводы по первой главе.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МСОИ.

2.1. Особенности МСОИ, проблемы и задачи, решаемые в процессе создания и модернизации систем класса МСОИ.

2.2. Описание структурных характеристик исследуемого объекта, элементов, узлов, моделей и параметров нагрузки МСОИ.

2.3. Расчетные соотношения модели производительности МСОИ.

Выводы по второй главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА, АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МСОИ.

3.1. Постановка задачи расчета параметров производительности и выбора пропускной способности каналов МСОИ.

3.2. Технология получения, обработки и анализа исходных данных для расчета параметров производительности МСОИ.

3.3. Алгоритмы расчета параметров производительности и оценки стоимости базовой станции МСОИ.

Выводы по третьей главе.

Глава 4. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ, СИСТЕМНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭФФФЕКТИВНЫХ МСОИ.

4.1. Системная организация, структура и примеры построения беспроводных сетей MMDS класса МСОИ.

4.2. Подзадачи оценки параметров каналов, структуры базовой станции и измерение производительности ОУ МСОИ.

4.3. Расчет параметров производительности МСОИ с выделенными и совмещенными каналами и балансировка нагрузки.

4.4. Выбор вариантов структуры и оценка стоимости базовой станции системы класса МСОИ.

Выводы по четвертой главе.

Одним из ключевых факторов ускоренного развития современного общества является технологический прогресс в области цифровых телекоммуникационных систем и компьютерных сетей.

Как отмечалось в [1], «Растущая производительность микропроцессоров, появление мощных сигнальных процессоров, создание высокоэффективных методов компрессии и транспортировки информации - это только часть списка технологических инноваций, ведущих к ускорению развития сетевых технологий, к увеличению числа услуг связи и снижению их стоимости».

Наиболее общую форму оценки впечатляющего прогресса в области микроэлектроники дает лозунг компании Intel, что «Компьютер (микропроцессор) - это средство связи», который привел к браку телекоммуникаций и компьютеров. Этому браку способствовал также закон Мура [1, 2], что «Производительность интегральных схем, измеряемая количеством операций в секунду, и объемом памяти, размещаемой на единице площади, удваиваются каждые 18 месяцев, а стоимость микросхем при этом уменьшается на 50 %».

Очень точно роль информационных технологий (ИТ) в развитии нашего общества подмечена главным исполнительным директором фирмы Intel Крей-гом Барретом во время его последнего визита в нашу страну (17-18 июня 2004 года), что «ИТ, наряду с огромными сырьевыми и большими интеллектуальными ресурсами, должны стать еще одним ресурсом России» [3].

ИТ, по словам главы Intel, становятся одним из основных средств обеспечения конкурентоспособности компаний, регионов и стран! Многие правительства начинают это понимать. В мире нет ни одной крупной компании, которая не понимала бы, что современные ИТ являются инструментом опережающего роста бизнеса, внутреннего валового продукта, сохранения устойчивости их развития. Это справедливо не только для крупного бизнеса, но и для отдельных регионов, стран и континентов.

Параметры развития инфраструктуры страны и эффективность ее трудовых ресурсов - вещи взаимосвязанные, - утверждает Крейг Баррет. - Сегодня на одного работника в России приходится валового продукта на 20 тысяч долларов в год, а в США - на 80 тысяч долларов. Это прямое следствие развития инфраструктуры».

В тезисах Президента России В.В.Путина о развитии ИТ содержатся следующие ключевые положения [126]:

1. Необходимо увеличение вклада ИТ в ВВП России.

2. Необходимо обеспечение равного доступа всех граждан к ИТ.

3. Все школы должны быть обеспечены . доступом в Интернет (к концу 2008 года.).

4. Радиочастотный спектр для гражданских нужд может быть расширен за счет военных.

5. Необходимо повысить уровень информатизации органов государственного и муниципального управления.

В Послании Президента 2005 года также выделяются направления государственной политики в развитии средств массовых коммуникаций:

- сохранение и развитие единого информационного пространства;

- совершенствование системы образования;

- законодательное обеспечение данного направления государственной политики;

- интеграция России в мировое информационное пространство.

В настоящее время Интернет сообщество находится на пороге качественного скачка в направлении полноценных мультисервисных приложений, то есть услуг "triple play" (данные, голос, видео). Эти услуги, наряду с высокоскоростным доступом в Интернет и передачей цифровых данных, включают необходимость высококачественной передачи трафика цифровой телефонии, радио, телевидения, причем не только в корпоративных или локальных сетях, но и в региональных сетях обмена информацией.

Существенно расширить и ускорить реализацию доступа широких слоев населения России к сети Интернет, к услугам телефонии, цифровому телерадиовещанию при одновременном снижении стоимости подключения, позволяют беспроводные (Wireless) и смешанные широкополосные технологии городского и регионального MAN (Metropolitan Area Network) уровня.

Сеть Интернет Российской Федерации является одним из самых быстрорастущих сегментов WWW. Ее развитие, количество и качество предоставляемых ею услуг имеют важнейшее значение для развития экономики и социальной сферы. Число пользователей Интернет в РФ составляет уже около 20%, в крупных городах достигает 40%, но в «глубинке» составляет несколько процентов. И этот разрыв сохраняется, т.к. без телефонизации регионов и без преодоления ограничений «последней мили» доступ к ИТ ресурсам невозможен.

Мультисервисные системы обмена информацией (МСОИ) ориентированы на передачу цифровых данных, аудио и видео информации и должны обеспечивать подключение большого числа пользователей, обслуживаемых с более высоким качеством (КО), чем в традиционных системах передачи данных (СПД). Под КО здесь понимается полезная гарантированная или лимитированная скорость обслуживания сообщений.

В связи с огромными территориями узким местом отечественной СПД в регионах остается именно «последняя миля», точнее ее «протяженность», а также ограничения, связанные с преодолением естественных препятствий, рас-средоточенность и низкая плотность населения при общем большом числе абонентов. Следовательно, необходимо создание МСОИ, которые эффективны, быстро развертываются, охватывают большие территории, имеют большую емкость и обеспечивают решение ограничений проблемы «последней мили» в РФ.

Разработка и реализация МСОИ в нашей стране позволит сделать вклад в решение проблемы создания единого информационного пространства и среды обмена трафиком, обеспечения равного доступа всех граждан к мультисервис-ным возможностям ИТ.

Применение технологий - это один из путей решения указанной проблемы, который относится к стадии рабочего функционирования системы. Дополнительно на стадии создания или модернизации систем необходим учет предполагаемой нагрузки, предварительный расчет и анализ производительности базовой станции (БС) МСОИ, обоснование эффективности принимаемых технических решений.

На практике решение проблемы КО при передаче трафика через МСОИ основывалось на прямом добавлении ресурсов (дополнительных каналов, узлов, элементов). Однако создание МСОИ должно обосновываться расчетами, сопровождаться оценкой производительности и выбором параметров базовой станции (БС) МСОИ с определением и обоснованием ее эффективности. Для создания эффективных БС МСОИ необходима оценка и обоснованный выбор параметров каналов с учетом видов услуг и кодеков, используемых для передачи голосовой и видео информации, обеспечения КО передаваемого трафика.

Выбор параметров необходим в сочетании с оценкой вариантов структуры БС по стоимости и производительности, т.е. по эффективности МСОИ.

Значительный вклад в разработку моделей и методов оценки производительности коммуникационных систем и компьютерных сетей внесли отечественные ученые Л.И.Абросимов, В.М.Вишневский, Г.П.Захаров, В.П.Климанов, а также ряд западных исследователей: Б.Байцер (B.Beizer), К.Вейцман (C.Weitzman), Л.Клейнрок (L.Kleinrok), Ф.Куо (F.Kuo), В.Столлингс (W.Stallings), Э.Таненбаум (A.Tanenbaum), Д.Феррари (D.Ferrari), Д.Флинт (D.Flint) и др.

Задачи, которые решаются в этих работах, связаны, в основном, с рассмотрением ограничений глобальных, корпоративных и локальных сетей обработки данных, с исследованием и анализом вычислительных систем и сетей.

Таким образом, тематика проводимых в диссертации исследований, обеспечивающих разработку моделей и методов для оценки и выбора параметров каналов МСОИ является актуальной. s

Объектом исследования в работе являются региональные МСОИ, которые охватывают большую территорию (тысячи квадратных км), обеспечивая высокую емкость за счет одновременной пакетной передачи цифровых данных, голоса и видео многим тысячам абонентов. Такие многофункциональные системы предоставляют несколько видов мультисервисных услуг, а именно: высокоскоростную передачу цифровых данных, доступ в Интернет, услуги цифровой телефонии, живое видео/аудио вещание в реальном масштабе времени (РМВ).

Предметом исследования работы являются анализ и оценка параметров производительности создаваемых и модернизируемых БС МСОИ.

Цель работы заключается в создании моделей и методов для исследования, расчета, оценки и анализа параметров производительности МСОИ, которые позволяют выполнять аналитический расчет параметров и анализ нагрузочных возможностей каналов БС МСОИ при передаче комплексного РМВ трафика в режиме рабочего функционирования системы. Достижение поставленной цели, ориентированной на ускоренное развертывание эффективных систем класса МСОИ, ведет к решению проблемы создания единой транспортной среды для обмена мультисервисной информацией в РФ, стирания информационного неравенства центра и регионов, равного доступа всех граждан к ИТ.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие основные задачи:

- исследовать организацию и функционирование МСОИ и разработать ее функциональную модель;

- проанализировать параметры, влияющие на производительность МСОИ и разработать систему расчетных соотношений, составляющих ее математическую модель;

- разработать методику обоснованного выбора параметров МСОИ на основе функциональной и математической модели.

Методы исследования. При выполнении работы и для решения поставленных задач использовались методы теории информации, теории множеств, теории графов, метод контуров, методы теории систем и сетей массового обслуживания, математические методы, информационные технологии, программное обеспечение, стандарты компьютерных сетей и коммуникационных систем.

Научная новизна.

- Функциональная модель МСОИ, разработанная на основе формализованного описания объекта.

- Математическая модель, включающая расчетные соотношения сложных взаимосвязей параметров МСОИ.

- Алгоритмы для расчета параметров нагрузки и производительности МСОИ.

- Методика получения исходных данных, оценки, анализа и выбора пропускных способностей, параметров и структуры направленных каналов эффективной базовой станции (БС) МСОИ.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов работы подтверждается опытом практического применения методики, методов получения и расчета параметров производительности МСОИ при создании новых мультисервисных систем, модернизации существующих СПД, опытом успешного бесперебойного функционирования разработанных МСОИ.

Практическая ценность. Представленные в диссертации результаты положены в основу инженерной методики, ее программной реализации для расчета, анализа параметров производительности МСОИ и могут быть использованы для:

- формулирования требований, которым должна удовлетворять МСОИ;

- расчета сбалансированной нагрузки и обоснованного выбора параметров каналов БС МСОИ;

- выполнения технико-экономических обоснований создания новых, модернизации существующих СПД определенной структуры в систему класса МСОИ;

- построения эффективных систем класса МСОИ уровня региона, охватывающего до нескольких тысяч пользователей-абонентов, обслуживаемых на базе кабельного, беспроводного или смешанного, эфирно-кабельного способа доступа;

- создания на базе типовых элементов, каналов и узлов БС новых региональных МСОИ для высокоскоростного обмена данными, доступа в Интернет, реализации телефонных услуг, видео/аудио трансляции, передачи транзакций, распределенной обработки данных, сбора телеметрии, наблюдения за объектами, организация корпоративной связи, в том числе в интересах образовательных, лечебных, муниципальных и государственных организаций;

- обеспечение на базе созданных МСОИ массовых универсальных услуг, организации электронного региона, обеспечения равного доступа всех граждан к возможностям ИТ.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 10 научно-практических отечественных и международных конференциях и симпозиумах. С использованием разработанной методики рассчитаны и обоснованы параметры каналов, спроектированы и функционируют 13 системы класса МСОИ, в том числе 11 региональных беспроводных мультисервисных систем MMDS и 2 кабельные мультисервисные HFC в масштабе среднего города.

Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе получено три авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть, без учета приложений, изложена на 169 страницах машинописного текста, включая список использованной литературы из 127 наименований, размещенный на 5 страницах.

Выводы по четвертой главе

1. Методика работоспособна, т.е. по заданным исходным данным можно получить все требуемые расчетные параметры, к которым в первую очередь следует отнести:

- максимальную нагрузку по передаче данных, телефонии, видео/аудио трафика, то есть пиковое число одновременных телефонных разговоров п*, одновременных видео/аудио сессий nv *, Интернет пользователей *;

- предельное количество Интернет абонентов Nd*, телефонных Nt*, видео/аудио абонентов Nv*, которое может быть подключено к системе;

- предельные нагрузочные возможности системы, т.е. общее число Ns* абонентов, которое суммарно может быть подключено и обслужено системой в зависимости от настройки параметров каналов МСОИ;

- стоимость {D(Sh}} в зависимости от структуры базовой станции системы.

2. Спроектированные с использованием результатов разработки системы МСОИ успешно выполняют требуемые функции, т.е. показатели производительности, рассчитанные при разработке всех систем, согласуются с фактическими показателями функционирующих МСОИ.

3. Для автоматизированного вычисления параметров МСОИ реальной размерности (диапазон от 10 до 50 тысяч абонентов) при использовании разработанного алгоритмического и программного обеспечения, требуется не более 8 часов работы на PC класса Pentium 3-4 в интерактивном режиме.

161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа и исследований объектов класса МСОИ поставлены и решены необходимые задачи, выполнены разработки адекватных моделей и методов, осуществлены внедрения МСОИ. Результатом проведенных исследований и разработок являются следующие выводы:

1) Адекватные исследуемому объекту МСОИ модели и методы, обеспечивающие получение нормативных значений интенсивностей /л, расчет параметров нагрузки Л, выбор пропускной способности С каналов, оценку параметров структуры Sh БС, определение производительности W МСОИ, имеющей большое число параметров и большую размерность.

2) Модели функционирования МСОИ, позволяющие адекватно описать систему, учесть многокритериальность при решении задач расчета нагрузки Л, выбора пропускных способностей С, параметров настройки и числа К направленных каналов.

3) Математические модели нагрузки Л и производительности W(n, г) МСОИ, а именно: математические соотношения, связывающие параметры нагрузки с параметрами каналов, учитывающие фактические интенсивности /л обработки трафика, реальную пропускную способность С и параметры каналов, периоды следования to пакетов, их длину Ь, активность трафика и абонентов, то есть учитывающие все фактические ограничения на сеть.

4) Методика получения нормативных значений интенсивностей р базовых обслуживающих узлов (AM и ГМ) и пропускной способности С направленных каналов МСОИ, прямых и обратных.

5) Алгоритмы расчета временных задержек трафика, реального использования пропускной способности (загрузки направленных каналов), фактических показателей производительности БС МСОИ.

6) Автоматизированная методика оценки и выбора параметров МСОИ, обеспечивающая сходимость и сбалансированный выбор параметров каналов и вариантов структуры Sh БС по их стоимости и производительности.

7) Созданные эффективные системы класса МСОИ, спроектированные и построенные с использованием разработанных моделей и методов, решают проблему «длинной последней мили» на уровне большого города с помощью одной макросоты, обеспечивают единую среду для информационного обмена сообщениями, созданиея "электронного" региона, предоставление универсальных услуг, устраняют неравенство доступа граждан к возможностям ИТ в центре и регионах.

8) Разработанные методики используются при решении задач оценки параметров производительности и стоимости БС создаваемых МСОИ на ранних стадиях проектирования и при модернизации БС. Методики прошли проверку при проектировании более 10 региональных беспроводных мульти-сервисных систем MMDS, а также нескольких городских кабельных систем класса МСОИ на базе гибридных HFC сетей. Практика подтвердила работоспособность методик: все разработанные системы устойчиво функционируют. Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтверждены соответствующими актами.

1. Концепция развития отрасли «Связь и информатизация» Российской Федерации. / Под ред. Л.Д. Реймана и Л.Е. Варакина М.: MAC, 2001. 340 с.

2. Кох Р., Яновский Г.Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. М: Радио и связь, 2001.280 с.

3. Выступление главного исполнительного директора фирмы Intel К.Баррета на бизнес-форуме компании Intel. М.: МДМ, 17 июня 2004 года.

4. Abramson N. The ALOHA System. In Computer-Communication Networks (N.Abramson and F.F.Kuo, eds.), Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., pp. 501-518, 1973.

5. Shannon С. A Mathematical Theory of Communication. Bell System Tech. J., vol. 27, pp. 379-423, July 1948; and pp. 623-656, Oct. 1948.

6. Kleinrock, L. Principles and Lessons in Packet Communications. Proceedings of the IEEE, Special Issue on Packet Communication Networks, 66 (11), pp.13201329, November 1978.

7. Kleinrock L. On Flow Control. Proceedings of International Conference on Communications. Toronto, Canada, pp.27.2:l-5, June 1978.

8. Piscitello D.M., Chapin A.L. Open System Networking: TCP/IP and OSI. Boston: Addison-Wesley, 1993.

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

10. Бочаров П.П., Печенкин А.В. Теория массового обслуживания. М.: РУДН. 1995.

11. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. М.: Техносфера, 2003. 512 с.13.