Метод параметричного синтезу в задачах проектування мультисервісної мережі ngn



Сторінка1/4
Дата конвертації25.12.2016
Розмір0,63 Mb.
  1   2   3   4


Харківський національний університет радіоелектроніки

Євлаш Дмитро Валентинович

УДК 621.391

МЕТОД ПАРАМЕТРИЧНОГО СИНТЕЗУ В ЗАДАЧАХ ПРОЕКТУВАННЯ МУЛЬТИСЕРВІСНОЇ МЕРЕЖІ NGN

Спеціальність 05.12.02 – Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2011


Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.



Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Агеєв Дмитро Володимирович, Харків-ський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри телекомунікаційних систем.



Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Безрук Валерій Михайлович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри мереж зв’язку;

кандидат технічних наук, доцент Руккас Кирило Маркович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри теоретичної та прикладної інформатики.

Захист відбудеться «16» лютого 2011 р. о  13  годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.09 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «14» січня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.В. Дуравкі



н

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні й перспективні мультисервісні телекомунікаційні мережі (ТКМ) розвиваються в напрямку впровадження концепції мереж наступного покоління NGN (Next Generation Network) та надання послуг «Triple Play». Детальний аналіз показав, що всі сучасні послуги, якими б складними вони не здавалися, можуть бути подані у вигляді комбінації трьох базових послуг: телефонії, передачі даних і відеоінформації (телебачення). Таким чином концепція «Triple Play» запропонувала абсолютно унікальний підхід, який, ймовірно, стане домінуючою концепцією для майбутнього розвитку послуг.

Водночас спостерігається відставання розвитку методів проектування NGN мереж для надання послуг «Triple Play» щодо розвитку технічних засобів, що є однією з актуальних проблем сучасних телекомунікаційних систем. Одним із завдань розв'язуваних під час проектування телекомунікаційних систем є завдання вибору параметрів структурних елементів проектованої мережі NGN, при вирішенні якої переважно використовуються традиційні моделі мережного трафіка. Однак дослідження таких вчених, як W.Leland, M.Taqqu, W.Willinger і D.Wilson показали, що мережний трафік проявляє мінливість у широкому діапазоні масштабу часу. Широка розповсюдженість цього явища, яке спостерігалося в різних мережних контекстах, від Ethernet до ATM, LAN і WAN, стисненого відео й WWW-трафіка, заснованого на HTTP. Така масштабно-інваріантна мінливість не сумісна із традиційними моделями мережного трафіка, які виявляють пульсуючий характер на коротких масштабах часу, але сильно згладжені на більших, і тому в них відсутня довгочасна залежність. Таким чином розрахунок параметрів системи, на підставі традиційних моделей мережного трафіка дає некоректні та невиправдано оптимістичні результати.

Дослідження, що були проведені пізніше довели що, моделі самоподібного потоку, які враховують високу пачковість і наявність довгочасних залежностей в інформаційних потоках, є більш адекватними.

Ті самі методи параметричного синтезу, які використовують моделі самоподібного потоку, орієнтовані переважно на мережі з індивідуальною адресацією і не можуть бути застосовані для мереж з груповою адресацією, до яких належать NGN мережі.



Отже, актуальною є наукова задача, яка полягає в удосконаленні методів параметричного синтезу NGN мереж при наданні послуг «Triple Play» шляхом застосування моделі самоподібного потоку та врахування наявності у мережі трафіка з груповою адресацією, що дасть можливість підвищити якість послуг, що надаються у мережі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з реалізацією основних положень «Концепції національної інформаційної політики», «Концепції Національної програми інформатизації», «Основних засад розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007–2015 роки» та «Концепції конвергенції телефонних мереж та мереж з пакетною комутацією в Україні». Результати роботи використано в науково-дослідницькій роботі № 235-1 «Методи проектування телекомунікаційних мереж NGN та управління їх ресурсами», в якій дисертант був виконавцем. Методика розрахунків навантаження на мережу була втілена в роботу оператора ТОВ «Велтон.Телеком».

Мета роботи полягає у підвищенні якості обслуговування абонентів у мережах NGN при наданні послуг Triple Play за рахунок вдосконалення методів проектування.

Завданнями дослідження є:

  • аналіз існуючих методів проектування мультисервісних мереж NGN;

  • розробка методу визначення параметрів сумарного інформаційного потоку в каналах зв'язку мережі, що утворюється при наданні послуг «Triple Play» з урахуванням наявності в мережі Unicast і Multicast трафіка;

  • розробка методу вибору значень параметрів структурних елементів мультисервісної мережі NGN для надання послуг «Triple Play» з урахуванням самоподібності вхідних потоків та заданими параметрами якості обслуговування при мінімально можливій вартості;

  • проведення розрахункових і натурних експериментів з дослідження ефективності запропонованих методів і розробки практичних рекомендацій щодо їх застосування.

Об’єкт дослідження – процес проектування мультисервісних телекомунікаційних систем.

Предмет дослідженняметоди вибору оптимальних значень параметрів елементів мультисервісної телекомунікаційної системи мінімальної вартості при самоподібному вхідному потоці і заданими параметрами якості обслуговування.

Методи дослідження. Під час розробки методу параметричного синтезу мультисервісної мережі були використані методи: теорії масового обслуговування, теорії самоподібних процесів, методи оптимізації: метод найскорішого спуску, метод штрафних функцій, метод дихотомії. Під час розробки методу визначення характеристик групового трафіка в каналів зв’язку (КЗ) мультисервісної мережі використано математичну статистику, теорію ймовірностей, теорію графів і теорію самоподібних процесів. Для підтвердження теоретичних результатів були використані експериментальні методи дослідження характеристик процесів у реальних мультисервісних мережах. Для чого була використана лабораторія кафедри ТКС та мережа оператора «Велтон.Телеком». У ході удосконалення методу розрахунку навантаження, що створюється абонентами Інтернет використовувалася математична статистика. У ході проведення аналізу ефективності використано методи математичного моделювання, імітаційного моделювання та натурного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів. Під час розв’язання поставленої наукової задачі автором було отримано такі нові наукові результати:

  • набув подальшого розвитку метод параметричного синтезу мультисервісної мережі, який забезпечує можливість комплексного визначення пропускних здатностей КЗ та обсягів буферних пристроїв комутаційного обладнання. Новизна методу полягає в комплексному урахуванні властивостей самоподібності вхідного потоку, наявності групової адресації, обмежень на значення середньої затримки у мережі і ймовірність втрати пакетів. Реалізація методу дозволяє отримати оптимальний за сукупністю показників якості варіант мережі;

  • вперше розроблено метод визначення характеристик групового трафіка в каналах зв'язку мультисервісної мережі, відмінність якого від існуючих полягає в урахуванні специфіки надання послуги телебачення, яка полягає у відмінності рейтингів ретрансльованих телеканалів, застосуванні технологій групової адресації, наявності прайм-тайму, відмінності потоків у телеканалів. Це дозволило створити методику розрахунку параметрів результуючого інформаційного потоку під час надання послуг «Triple play»;

  • набула подальшого розвитку методика розрахунку навантаження, створюваної абонентами Інтернет. Новизна методики полягає у введенні параметра питомого навантаження на мережу. На підставі даної методики було розроблено метод, який дозволяє, не вдаючись до проведення додаткових досліджень, на етапі проектування отримувати чисельні значення результуючих інформаційних потоків в умовах відсутності вихідних даних про інтенсивність інформаційного трафіка, створюваного абонентами Інтернет.

Практичне значення результатів роботи. Запропоновані в роботі математичні модель і методи були використані в роботі оператора «Велтон.Телеком», а також використані на етапі проектування нових мультисервісних мереж для надання послуг «Triple Play» і впровадження нових послуг на вже існуючих мережах (оцінка необхідного обсягу ресурсів мережі для впровадження нової послуги). Крім того, результати дисертаційної роботи використано під час виконання науково-дослідної роботи № 235-1 «Методи проектування телекомунікаційних мереж NGN та управління їх ресурсами», в яких автор виступав виконавцем. Запропонований метод параметричного синтезу мультисервісної мережі використані в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, зокрема в дисципліні «Проектування телекомунікаційних систем». Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві, особисто автору належать такі наукові результати: у роботі [1] – розвиток відомого методу параметричного синтезу за рахунок урахування імовірності втрати повідомлень у мережі; у роботі [2] – запропонований розв’язок задачі синтезу мережі мінімальної вартості з використанням градієнтного методу; у роботі [3] – запропонований метод оцінки значень потоків, що виникають під час надання послуг IPTV; у роботі [5] – проведення дослідження навантаження, що створюється при наданні безлімітного доступу до мережі Інтернет, та статистична обробка отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації проводилась протягом восьми наукових конференцій (форумів), у тому числі на 11-му, 12-му, 13-му Міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті» (м. Харків, ХНУРЕ 2007–2009); 2-й Міжнародній науковій конференції «Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку» (Харків, ХНУРЕ, 2007); International Conference TCSET’2008 «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science» (Lviv-Slavsko: Lviv Polytechnic, 2008); 2-й Науково-технічній конференції «Проблеми телекомунікацій» (Київ, НТУУ «КПІ», 2008); IV-й міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» (Запоріжжя, ЗНТУ, 2008); 3-му Міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» МРФ-2008 (Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2008).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлено у 13 працях, з яких 3 виконані без співавторства. Серед праць 5 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України [1–5], та вісім тез доповідей на науково-технічних конференціях і форумах [6–13].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури, додатків. Загальний обсяг дисертації складає 141 сторінку: 125 основного тексту, 21 рисунок, 12 таблиць, 75 бібліографічних джерел на 7 сторінках та 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан дослідженої проблеми, обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано наукову задачу та визначено мету досліджень.


Зазначено наукову новизну та практичне значення отриманих у роботі результатів. Наведено дані про публікації автора за темою дисертації.

У першому розділі на основі проведеного аналізу відомих методів проектування ТКМ, телекомунікаційних послуг, технологій і технічних засобів, виявлених особливостей та недоліків, встановлено відставання розвитку методів проектування від технологій і технічних засобів. З’ясовано, що метод проектування, який би враховував специфіку надання послуг «Triple play» та наявність у мережі самоподібних потоків, відсутній. У зв’язку з цим сформульовано вимоги до методів проектування ТКМ, які стосуються насамперед урахування наявності у мережі самоподібних потоків, застосування при наданні послуг групової та індивідуальної адресації, постійного переходу абонентів між різними multicast групами при наданні послуг телебачення тощо. Обґрунтовано наукову задачу та здійснено її декомпозицію на окремі задачі дослідження.



Другий розділ присвячений розробці методу параметричного синтезу мультисервісної мережі NGN згідно з критерієм мінімуму її вартості при обмеженнях на розмір середньої затримки у мережі і величину ймовірності втрати пакетів між відправником та одержувачем.

Для вирішення даного завдання була побудована математична модель синтезованої мережі, яка базується на теорії множин і матричному поданні даних. Дана модель враховує топологію мережі, розподіл абонентів між вузлами доступу (ВД), маршрути передачі інформаційних потоків, пропускні спроможності каналів зв’язку (КЗ), розміри буферів комутаційного устаткування, послуги, що надаються в мережі. Послуги в мультисервісних мережах надаються з використанням індивідуальної або групової адресації. Особливістю застосування групової адресації є те, що всередині мережі створюються копії інформаційних пакетів. Для характеристики навантаження, що створюється на мережу в моделі, враховані потоки, які передаються між вузлами мережі при наданні послуг з індивідуальною адресацією та склад кожної multicast групи послуг із груповою адресацією. Базуючись на використанні даної математичної моделі, в роботі розроблений метод параметричного синтезу, який дозволяє за наявності даних про топологію мережі, маршрути передачі даних, множину unicast потоків , що передаються між вузлами мережі, множину multicast груп , склад кожної multicast групи визначити значення пропускних спроможностей КЗ і розміри буферів.



Розроблений метод складається з двох етапів:

  1. Визначення характеристик групового трафіка в КЗ.

  2. Розрахунок значень пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів.

На першому етапі виконуються такі кроки:

  1. Розподіл інформаційних потоків по КЗ, використовуючи процедуру «пропустити потік».

  2. Визначення підмножини multicast груп для кожного КЗ. Кожна під-множина складається з multicast груп, трафік яких передається по заданому КЗ. Дане завдання вирішується послідовним перебором усіх КЗ уздовж маршрутів від вузлів надання послуг до кожного ВД, при якому до підмножини multicast груп обраного КЗ додаються multicast групи, членами яких є ВД призначення.

  3. Розрахунок параметрів агрегованих самоподібних unicast і multicast потоків у КЗ:

; (1)

; (2)

, (3)

де , ,  середня довжина пакету, біт, інтенсивність, пакетів/с та параметр Херста інформаційного потоку i-ї послуги в каналі зв'язку (k,m); , , – середня довжина пакету, біт, інтенсивність, пакетів/с та параметр Херста суммарного інформаційного потоку, що передається по каналу зв'язку (k,m).

Завдання визначення пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів комутаційного устаткування, що розв'язується на другому етапі, має таку математичну постановку:



; (4)

за умови


; (5)

, ; (6)

; (7)

. (8)

де – витрати на організацію каналу зв'язку (k,m); – повний трафік у мережі; – пропускна спроможність каналу зв'язку (k,m); – розмір буфера комутаційного обладнання, що входить до складу каналу зв'язку (k,m); – елемент матриці, яка описує топологію мережі; – середня затримка пакетів у мережі; – ймовірність втрати пакетів у каналі (k,m); – допустиме значення середньої затримки пакетів у мережі; – допустиме значення ймовірності втрати пакетів у мережі; – сумарний потік у каналі зв'язку (k,m); – пропускна спроможність каналів зв'язку (k,m); – маршрутна матриця; – сукупність вузлів мережі.

Раніше відомі вирази визначення параметра застосовуються тільки для unicast трафіка, тому що вони не враховують створення копій пакетів при передачі multicast трафіка. Для вирішення даної задачі був проведений аналіз специфіки передачі multicast трафіка і розроблена методика розрахунку з урахуванням multicast трафіка, суть якої полягає у введенні коефіцієнта ретрансляції , що характеризує середню кількість копій пакетів під час передачі по мережі. У такий спосіб вираз для визначення сумарного трафіка, що надходить в мережу, має такий вигляд:



; (9)

, (10)

де – сумарна інтенсивність unicast трафіка між вузлами i та j; – сумарна інтенсивність multicast трафіка в каналі зв'язку (k,m); – максимальна кількість ретрансляції multicast пакетів при передачі між вузлами відправника та одержувача; – сумарна інтенсивність multicast пакетів кратність ретрансляції яких дорівнює і під час передачі між вузлами відправника та одержувача.

Розв'язувана в роботі задача в постановці (4) - (8) належить до завдань нелінійного математичного програмування, оскільки вона має лінійну цільову функцію та нелінійні обмеження. Для її вирішення був обраний метод найшвидшого спуску. Метод найшвидшого спуску застосовується для завдань без обмежень. Перехід від завдання з обмеженнями до завдання без обмежень був зроблений за способом методу штрафних функцій з експонентним штрафом. Під час переходу до завдання без обмежень цільова функція набула такого вигляду:



(11)

де – штрафні коефіцієнти.



Алгоритм пошуку мінімуму цільової функції методом найшвидшого спуска є ітераційним процесом, що полягає у повторюваних діях доти, поки не будуть виконані умови зупинки алгоритму. Як умови зупинки було обрано одночасне виконання таких умов:

(12)

де – удільна вартість одиниці пропускною спроможністю каналів зв'язку; – питома вартість одиниці розміру буферу каналів зв'язку; – припустима погрішність обчислень.

У такий спосіб завдання параметричного синтезу може бути вирішене у два етапи. На першому етапі визначаються характеристики групового трафіка в КЗ і сумарний трафік, що надходить у мережу. На другому розраховуються значення пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів комутаційного устаткування. Розрахунок значень пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів зводиться до завдання нелінійного програмування і вирішується чисельним методом, таким як метод найшвидшого спуска.

  1   2   3   4


База даних захищена авторським правом ©vaglivo.org 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка