30 Май

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМИНАЛОВ АБОНЕНСКОГО И СЕТЕВОГО ТИПА




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

В настоящее время одним из актуальных направлений развития современных систем телекоммуникаций является построение эффективных мультисервисных сетей связи с использованием абонентских и сетевых терминалов многофункционального типа, обеспечивающих предоставление широкого набора основных и дополнительных услуг интеллектуального характера с гибкими возможностями по их управлению и персонализации [1].

Системный технический анализ работы [2, 3] показали, что построения звеньев мультисервисных сетей связи составляют сети передачи данных с коммутацией пакетов, использующих технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode), MPLS (Multiprotocol Label Switching) и IP-телефоний (Internet Protocol). Последние различаются возможностями по предоставлению и интеграции различного спектра узкополосных и широкополосных услуг, а также обеспечению качества обслуживания QoS (QoS – Quality of Service) неоднородного трафика. К ним ещё относятся интеграция и реализация телематических служб, доступ к Internet и передача интегрированного трафика по единым каналам связи и терминальным средством, которые приобретают большую актуальность в мультисервисных сетях связи следующего поколения [2-6].

Теоретические вопросы построения терминального оборудования звена мультисервисных сетей связи хорошо изучены [4, 5, 7], но бурное развитие новых информационных, сетевых и компьютерных технологий стимулирует дальнейшее их исследование.  В соответствии с этим, для решения данной технической задачи необходимо создание многофункциональных абонентских и сетевых терминалов (МАиСТ) звена мультисервисной сети, реализующих процессы интеграции различных видов обслуживания.

Исследования показали [1, 2, 4], что существующее звено сети и ее терминальные оборудования при объединенном обслуживании неоднородного трафика на достаточном уровне не удовлетворяют требованиям МСЭ-Т, G114, E.800, Y.1540. Поэтому возникает задача – создание эффективного многофункционального терминала, работающего в мультисервисных сетях связи, которые предусматривают абонентский и сетевой доступ, передачу и прием любого вида нагрузки. Увеличение нагрузки на звено сети связи приводит к снижению эффективности образующих ее элементов.

 Создание высокоэффективных МАиСТ для передачи и приема неоднородного трафика будет способствовать повышению эффективности функционирования звена мультисервисных сетей связи. Обсуждению перечисленных вопросов, условий функционирования и оценки показатели эффективности звена мультисервисной сети, образованной МАиСТ посвящена предлагаемая статья.

Эффективность передачи неоднородного трафика МАиСТ можно оценить с помощью двух больших групп показателей, полностью характеризующих качества функционирования звена мультисервисных сетей связи [4]:

(1)

Анализ показывает, что с точки зрения характеристики эффективности и качества обслуживания QoS процессов объединения и передачи гетерогенного трафика, можно определить оптимальное функционирование МАиСТ в мультисервисной сети с коммутацией пакетов. При этом эффективность процесса передачи неоднородного трафика МАиСТ будет описываться следующими целевыми функциями:

                                                 

где Сi (l) – пропускная способность звена мультисервисной сети при передаче i-го трафика со скоростью входящего потока l; Vi(l) – параметры, учитывающие скоростные характеристики МАиСТ звена сети при передаче i-го трафика со скоростью входящего потока l; Тi.сз.(l) – среднее время задержки при передаче i-го трафика со скоростью входящего потока l; Ni.бн— емкости буферных накопителей (БН) терминала для i-го трафика; Сi.а – стоимость аппаратных и программных средств для передачи i-го трафика.

Принципы построения и алгоритмы функционирования МАиСТ при объединении процессов обслуживания и передаче неоднородного трафика подробно рассмотрены в [4, 7], где отмечается, что основная архитектура и состав МАиСТ базируется на DSP-технологии (Digital Signal Processing) c программно-управляемых модулей, которые состоят из модулей кодека, цифрового сигнального процессора, содержащего аналоговые и цифровые преобразователи для речевой и видео информации, анализатора и синтезатора речи, факса, видео, данных, работающих на базе RTP (Real Time Protocol) и интегральных мультиплексоров (ИМ) терминала для временного мультиплексирования информационных потоков неоднородного трафика.

Алгоритм работы МАиСТ звена сети при передаче неоднородного трафика заключается в пересылке первичной информации от отправителя к адресату, т.е. передача от источника нагрузки неоднородного трафика до получателя при наличии непосредственных скоростных каналов связи.

Описание системы и создание структурной модели процесса передачи неоднородного трафика. Современные звенья мультисервисных сетей связи строят на базе коммутаций пакетов. При этом терминальные оборудования звена сети содержат буферный накопитель, а в процессе передачи по сети пакеты передаются из выходного буферного накопителя предыдущего звена по каналу связи во входной буфер последующего звена.

Для выполнения целевой функции (1), характеризующей показатели эффективности системы передачи необходимо создание математической модели объединения процессов обслуживания различных видов неоднородного трафика, описывающих динамическое перераспределение ресурсов терминальных средств и мультиплексирования трафика с оценкой качества функционирования МАиСТ, базирующихся на современных технологиях, таких как приложения мультимедиа, IP, АТМ и NGN (Next Generation Network)  [3, 7].

На рис. 1. представлена структурная схема функционирования модели МАиСТ звена мультисервисной сети связи при передаче неоднородного трафика, состоящего из БН, модуля управления трафиком, граничного коммутатора и звена доступа информационных ресурсов, интегральных мультиплексоров терминала и других сетевых элементов [4].

Для исследования и анализа процесса обслуживания потоков пакетов терминальным оборудованием рассматривается модель звена сети, представляющего собой систему массового обслуживания (СМО) типа M/G/1/Nбн с общим буферным накопителем (БН) конечной емкости Nбн, 1£ Nбн<¥. Входящие потоки неоднородного трафика являются пуассоновскими с интенсивностью li, i=, соответственно. Время обслуживания i-го трафика с ограниченной очередью имеет произвольную функцию распределения bi, i=.

Предполагается, что функция распределения bi – непрерывная и все n (n ³1) поступающие потоки трафика независимы (n- общее количество типов потока трафика). Если пакет i-го потока трафика, поступает в момент времени t, когда имеется свободный МАиСТ, то он обслуживаются. По истечении допустимое (пороги) времени ожидания на обслуживание потоки пакетов покидают СМО с вероятностью Рi.п.

Рис.1. Cтруктурная схема функционирования модели МАиСТ звена

                                мультисервисной сети при  передаче неоднородного трафика

Предположим, что поступившие потоки пакетов в момент времени t, когда все обслуживающие МАиСТ заняты, становятся в очередь. В каждой очереди имеется ограниченное число мест ожидания Li, i=. В очереди потоки пакетов обслуживаются по правилу FIFO. Вероятность выбора из очереди передаваемых потоков пакетов равно Q. Для существования стационарного распределения очереди будем считать, что загрузка ρi(qcp), зависящей от средней длины очереди  < 1, .

На основе алгоритма работы схема функционирования модели звена мультисервисной сети следует, что в БН, модуль управления трафиком и доступом МАиСТ поступает стационарный гетерогенный пуассоновский поток трафика с параметром lр, lнр,…,lb образуемый в результате суперпозиции n неоднородных информационных потоков с интенсивностью li (i=), создаваемых различными типами источников (голоса, факсы, Internet, данные и видео) нагрузки. Тогда, общая интенсивность потока гетерогенного трафика равна  l.

учитывая интенсивности входящих потоков трафика, пропускную способность интегрального мультиплексора терминала, с учетом алгоритма функционирования модуля управления трафиком и эффективного метода сжатия данных определяется следующим выражением:

где Ni.m.доп – допустимое количество блочно-модульных систем терминала, через которые проходит каждый i-й поток трафика; Vi.max(λ)  –максимальная скорость работы МАиСТ звена сети при передаче i-го потока трафика; Кi.cж – коэффициент сжатия трафика i-го потока пакетов  на основе  дифференциальных алгоритмов данных и алгоритмов интерполяции речевых и видеосигналов (ITU-T,  G.727A, G.723.1,  Ki.cж ≥ 4,…,8).

Проведенный анализ работы [4, 7] показали что с целью повышения максимального значения пропускной способности МАиСТ звена мультисервисной сети при передаче неоднородного трафика необходимо учитывать следующее: методы маршрутизация трафика, емкость БН и общую вероятность потерь пакетов.

Определение условия эффективного функционирования МАиСТ. Установлено [2, 5, 7], что для создания метода оценки процесса передачи неоднородного трафика, необходимо определить условия эффективного функционирования звена мультисервисных сетей связи.

Полученное выражение (5) является условием, характеризующим максимально – верхнюю границу достижимой пропускной способности МАиСТ звена мультисервисной сети при передаче i-го потока трафика. Кроме того выполнение условия (5) существенно зависит от количества функционально модульных схем, производительности МАиСТ и эффективного алгоритма сжатия трафика (ITU-T, G.729A, Кi.cж≤(16,…,12), Vi ≤5,3 кбит/с).

Анализ полученных аналитических выражений (4) и (5) показывает, что увеличение пропускной способности МАиСТ звена сети связи обеспечивает лучшее QoS неоднородного трафика [3, 5, 7].

Оценка условия эффективного использования абонентских и сетевых терминалов. Для обеспечения необходимого уровня качества услуги QоS, влияющей на эффективность функционирования мультисервисных сетей связи следующего поколения и обслуживание i-го потока трафика, являющейся сложной задачей, необходимо эффективно использовать ИМ и терминальные ресурсы. При нормальном функционировании звена сетей связи, когда отсутствует неограниченное возрастание очереди, коэффициент эффективного использования сетевых интегральных мультиплексоров должны быть меньше единицы [4]:

Анализ (6) и (7) показывает, что полученные соотношения позволяют точнее оценить эффективное использование ресурсов ИМ терминала звена мультисервисной сети связи.

    Определение нижней границы среднего времени задержки передачи трафика. Из-за сложной архитектуры и состава МАиСТ с дополнительными блоками (шлюзы, блоки сборка-разборка пакетов, модули цифровой обработки сигналов — блоки сжатия сообщения и др.) увеличивается среднее время задержки передачи неоднородного трафика. Поэтому, целесообразно определить нижнюю границу среднего времени задержки передачи трафика.

На основе структурной модели и с учетом (4) и (5) получим условия, определяющие нижнюю границу — минимальное значение среднего времени задержки передачи i-го трафика МАиСТ, которое выражается неравенством [7]:

где  – функция, учитывающая свойство самоподобия поступающей нагрузки; Нi – коэффициент Хэрста для потока i-го трафика.

Из (9) следует, что от значения Н зависят многие показатели качества обслуживания, а значит коэффициент Хэрста влияет и на требуемые ресурсы мультисервисных сетей связи с использованием МАиСТ (пропускную способность канала, объем буфера, среднее время задержки передачи и др.).

Однако, при Н = 0,5 свойство самоподобия трафика отсутствует (случайный поток), при увеличении Н до единицы влияние свойства самоподобия нагрузки усиливается [6]. В этом направлении проводятся исследования с использованием СМО типа fBM/G/Nm/Nбн.

На рис.2 представлена графическая зависимость среднего времени задержки передачи пакета от количества МАиСТ при заданной скорости передачи потока пакетов.

Анализ графической зависимости Тi.cр = F(Ni.m, Ki.сж,Vi.max) показывает, что использование ограниченного количества абонентских и сетевых терминалов Ni.m≤15, способствует минимизации  времени Тi.cз передачи i-го трафика при заданной максимальной скорости работы звена сети Vi.max ≤ (2,…,8)Мбит/с, отвечающей требованиям отказоустойчивости системы обслуживания.

Рис.2. Графическая зависимость среднего времени передачи пакета от

количества  МАиСТ при заданной скорости передачи потока пакетов

Таким образом, проведенные исследования и анализ показали, что минимизация среднего времени задержки передачи i-го трафика МАиСТ, работающей в сети с коммутацией пакетов, в значительной степени зависит от загруженности звена сети, числа модулей абонентских и сетевых терминалов, емкости буферных накопителей а также использования высокоэффективных протоколов.

Заключение. Эффективность передачи неоднородного трафика на основе структурной модели при ограниченных ресурсах, определяется интегральной характеристикой звена мультисервисной сети, которые характеризуют качество функционирования телекоммуникационных систем, использующих абонентские и сетевые терминалы.

Результаты исследования показали, что полученные условия для характеристик качества обслуживания системы позволяют в более широком спектре оценить эффективность процессов интеграции и передачи неоднородного трафика МАиСТ.

Cписок литературы

  1. Деарт В.Ю. Мультисервисные сети связи. Транспортные сети и сети доступа. Москва. Инсвязьиздат. – 2008. – 168 с.
  2. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2-х т.ч.II./Пер. с англ.-М:.Наука, 1992. – 272c.
  3. Лагутин В.С., Степанов С.Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000. – 320с.
  4. Ибрагимов Б.Г., Ибрагимов Г.Г. Исследование распределения ресурсов пропускной способности звена мультисервисных сетей связи // Труды Международной конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ. Москва, 2010.–с.67–68.
  5. Голышко А.В., Ершов В.А., Цыбаков В.И. Оценка эффективности интеграции разных видов обслуживания на корпоративной мультисервисной сети // Электросвязь. – 2000. №12. – С.16-19.
  6. Шелухин О.И., Осин А.В., Смольский С.М. Самоподобие и фракталы. Телекоммуникационные приложения. – М.: ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368 с.
  7. Ibrahimov B.G. Research and estimation characteristics of terminal equipment a link multiservice communication networks //Automatic Control and Computer Sciences. 2010. USA. Vol. 44, No.6, pp.360-364.
    ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМИНАЛОВ АБОНЕНСКОГО И СЕТЕВОГО ТИПА
    Исследована эффективность функционирования звена мультисервисных сетей связи с использованием абонентских и сетевых терминалов многофункцио-нального типа. На основе исследования предложена структурная модель процессов передачи неоднородного трафика, позволяющая оценить условия работы и показатели терминальных оборудований звена сети.
    Written by: Гасанов Ариф Гасан оглы, Ибрагимов Байрам Ганимат оглы
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/12/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)
    Available in: Ebook