Модели и методы исследования мультисервисных сетей доступа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Аллаев, Акмаль Эргашевич

• Аллаев, Акмаль Эргашевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аллаев, Акмаль Эргашевич

Список сокращений

Введение

ГЛАВА 1. Анализ проблем и принципов построения сетей доступа

1.1. Глобальная информационная инфраструктура (GII).

Место сети доступа в GII

1.2. Эволюция сетей доступа

1.2.1. Сети доступа ТфОП

1.2.2. Сети доступа КТВ

1.3. Специфика перспективных сетей доступа в NGN

1.4. Технологии, используемые в сетях доступа NGN

1.5. Задачи диссертационной работы 37 Выводы по главе

Глава 2. Определение критериев выбора оптимальной структуры ТСД

2.1. Формализованное описание структуры ТСД.

Характеристики и параметры компонентов сети

2.2. Критерии оптимальности и задача выбора структуры ТСД

2.3. Выбор базовой топологии ТСД 60 Выводы по главе

Глава 3. Синтез структур ТСД при заданной базовой топологии

3.1. Синтез односвязной структуры ТСД

3.2. Определение оптимального числа колец в ТСД

3.3. Синтез однокольцевой структуры ТСД 86 Выводы по главе

Глава 4. Разработка моделей и методов расчета ВВХ линий СД при обслуживании мультисервисного трафика 106 4.1. Разработка модели цифровой линии ТСД при передаче мультисервисного трафика

4.2. Модель с бесприоритетным обслуживанием мультисервисного трафика

4.3. Модель обслуживания мультисервисного трафика с приоритетом

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы исследования мультисервисных сетей доступа»

Актуальность исследований. Эксплуатируемые в настоящее время сети доступа (СД) создавались Операторами местных телефонных сетей как совокупности абонентских линий (AJI), соединяющих абонентские терминалы (в основном телефонные аппараты) с кроссом автоматической телефонной станции (АТС). Эти абонентские СД предназначались преимущественно для передачи речевой информации в полосе 0.3-3.4 кГц и мало изменялись в течение 100 лет своего существования, являясь наиболее консервативной частью телефонной сети общего пользования (ТфОП).

Происходящая в настоящее время модернизация местных телекоммуникационных сетей в направлении конвергенции сетей и услуг (речь, данные, видеоинформация) и переход к сетям связи следующего поколения (Next Generation Network - NGN), радикально изменяет подходы к построению СД. От СД по-прежнему требуются высокая надежность и низкая стоимость, но уже при более широкой пропускной способности и более высоком качестве передачи сигналов. Эти требования предъявляются и к технологически новым средам распространения сигналов (оптическое волокно (ОВ) и радиоканал (WLL - Wireless Local Loop)). Это радикально изменяет принципы построения СД. С учетом того, что технологические решения, используемые в СД, активно вытесняют традиционную медную AJI, то СД должны модернизироваться и строиться так, чтобы отвечать будущим требованиям инфокоммуникаций в течение еще нескольких циклов смены технологий в системах передачи и коммутации. Таким образом, СД должны строиться с учетом не только завтрашних, но и послезавтрашних требований.

Революционные изменения в технологиях СД сопровождаются появлением новых телекоммуникационных услуг. Распространение этих услуг меняет характер нагрузки, передаваемой по линиям СД, а применение выносных модулей (ВМ) (Remote Units) [64], новых технологий и новых сред распространения сигналов существенно влияет на выбор топологии и параметров СД. В частности, может оказаться целесообразным расширение границ СД, переход к новым структурам и изменение качества обслуживания различных видов информации. Естественно, что при этом должна меняться количественная и качественная основа исследований СД, совокупность математических моделей и методов оценки эффективности, планирования и оптимизации СД. В связи с-этим, тема диссертационной работы является, безусловно, актуальной.

Состояние исследований. Вопросы, в той или иной мере касающиеся СД рассматриваются во многих работах. В частности, в [1] рассмотрены основные вопросы планирования и проектирования местных телефонных сетей, в том числе абонентских. Представлены методы, позволяющие эффективно проектировать сети связи, а также осуществлять их оптимизацию. Работы [3], [17] посвящены методикам проектирования линейных сооружений связи. Основам технико-экономического проектирования городских телефонных сетей посвящена работа [4], в [2] исследуются вопросы выбора длины АЛ. Но все эти работы касаются, в основном, исследования СД как части традиционной ТфОП с коммутацией каналов для обслуживания речевого трафика. В работах [24], [25] исследуются принципы модернизации сетей кабельного телевидения (КТВ). В работе [8] рассмотрены принципы построения и модернизации СД для ТфОП. В работе [10] описаны новые технологии, но не рассматриваются сетевые аспекты.

Наиболее близкими к данной диссертационной работе являются работы [19], [22] и [42], посвященные методам планирования современных СД. Данная диссертационная работа является, по сути, их продолжением, обобщением и дальнейшим развитием.

Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в исследовании и разработке методов выбора структур СД, моделей и методов оценки ВВХ при передаче по СД разнородной нагрузки для определения необходимого ресурса цифровых линий в условиях перехода к NGN. Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих основных задач:

- анализ проблем и путей модернизации существующих СД;

- определение круга задач планирования, которые требуют своего решения при построении мультисервисных СД;

- развитие методов формального описания структуры сети, определение параметров, метрик и критериев оценки для сравнения между собой альтернативных вариантов компонентов и структуры СД в условиях NGN;

- разработка методов и алгоритмов выбора компонентов и структуры СД;

- разработка методов определения рациональной топологии СД;

- разработка методов, алгоритмов и программных средств синтеза структур СД при различных сетевых топологиях по критерию минимальной стоимости;

- разработка моделей и методов расчета ВВХ обслуживания нагрузки цифровых линий СД.

Методы исследования. Для достижения поставленных целей в качестве аппарата исследования использованы методы теории графов, целочисленного линейного программирования, теории телетрафика, теории массового обслуживания, теории исследования операций и теории надежности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в предложенных оригинальных методах и моделях, позволяющих эффективно вырабатывать предложения по модернизации или строительству новых СД, с учетом современных требований при переходе сетей связи к NGN. В процессе проведенных исследований были разработаны следующие объекты, характеризующиеся научной новизной:

- метод определения структуры СД, основанный на последовательном решении задач выбора топологии и синтеза структуры в рамках выбранной топологии;

- метод определения базовой топологии построения СД, учитывающий как надежностные, так и затратные критерии;

- метод минимизации затрат на линейно-кабельную инфраструктуру при построении СД на базе кольцевых топологий;

- алгоритм и программа синтеза однокольцевых структур СД;

- модель цифровой линии СД и метод определения ВВХ при передаче по ней мультисервисного трафика.

Практическая ценность результатов работы. Теоретические исследования, выполненные в работе, доведены до инженерных решений. Основные результаты работы внедрены ОАО «Связьинвест» и ГК «Экран» при построении мультисервисной сети абонентского доступа BroadAccess в системном проекте сети следующего поколения NGN для ОАО «Межрегиональный ТранзитТелеком» и в ряде других НИР и ОКР, выполненных при участии автора.

Представленные принципы и методы эффективного проектирования сетей доступа служат основой для создания программного обеспечения, автоматизирующего процесс проектирования. В рамках диссертации созданы программы, тексты которых содержатся в приложениях.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на 59-й Научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 2004 г., а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и опубликованы в "Трудах учебных заведений связи".

Публикации. По материалам данной диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 9 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Объем пояснительной записки 140 страниц, 44 иллюстраций, список литературы насчитывает 80 наименований. В приложениях приведены

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Аллаев, Акмаль Эргашевич

Выводы по главе 4

1. Показано, что процесс передачи мультисервисного трафика по цифровым линиям СД, приводит к достаточно сложной модели СМО с комбинированным способом обслуживания заявок.

2. Предложена упрощенная модель цифровой линии ТСД при приоритетном и бесприоритетном обслуживании мультисервисного трафика, а на ее базе получены явные аналитические выражения для расчета ВВХ заявок потоков, требующих обслуживания в реальном масштабе времени (речь, видеоинформация), и заявок, допускающих задержку (текст, неподвижные изображения). Представленные зависимости доказывают превосходство приоритетного способа обслуживания мультисервисного трафика.

3. Разработанные аналитические методы расчета ВВХ разнотипных заявок в СД могут быть эффективно использованы как для выбора внутренних параметров ТСД (например, пропускной способности) в процессе проектирования, так и для определения внешних параметров функционирования СД в процессе эксплуатации, обеспечивающих наиболее эффективное использование ресурсов ТСД при выполнении заданных требований к качеству обслуживания вызовов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Проведенный анализ эволюции сетей в направлении мультисервисных NGN показывает, что применение в телекоммуникационных сетях различных узлов предоставления услуг с ВМ приводит к появлению ярко выраженной части сети в виде транспортной сети доступа. Это в свою очередь вносит существенные изменения в принципы построения СД, требует разработки новых методов планирования и оптимизации, а разнородный трафик, циркулирующий в этих сетях, требует разработки новой модели расчета ВВХ линий СД.

2. Использование традиционных стоимостных и надежностных критериев оптимальности при синтезе структуры СД приводит к необходимости решения многокритериальных оптимизационных задач. Разработан единый интегральный показатель оптимальности для сравнения между собой компонентов СД и ее структур в целом, учитывающий как стоимостные, так и надежностные характеристики этих компонентов.

3. Разработан метод выбора базовой топологии СД по усредненным или предельным значениям характеристик сети. Обоснована целесообразность применения на СД односвязных и кольцевых топологий.

4. Разработаны алгоритмы и программные средства синтеза СД в классе односвязных и однокольцевых структур, позволяющие существенно минимизировать затраты на реализацию СД. Предложена общая схема выбора структуры СД, позволяющая синтезировать односвязную и кольцевую сети. Схема поддержана разработанными алгоритмами и программным обеспечением, т.е. представляет в совокупности с ними программный продукт, как практический выход диссертационной работы.

5. Обоснована оптимальность однокольцевых структур СД и рациональный переход к многокольцевым структурам СД.

6. Разработана модель и предложена методика расчета ВВХ СМО с комбинированным способом обслуживания заявок, адекватно характеризующие процесс передачи по линиям СД мультисервисной нагрузки при наличии и отсутствии приоритетов в обслуживании. Полученные в явном виде аналитические выражения позволят выбрать ресурс линий СД так, чтобы обеспечивались нормированные характеристики качества обслуживания вызовов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аллаев, Акмаль Эргашевич, 2004 год

1. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи. М.: Радио и связь, 1988, 272 с.

2. Жданов И.М., Кучерявый Е.И. Построение городских телефонных сетей. -М.: Связь, 1972, 136 с.

3. Гроднев И.И., Верник С.М., Кочановский JI.H. Линии связи. М.: Радио и связь, 1955,488 с,

4. Мархай Е.В. Основы технико-экономического проектирования городских телефонных сетей. М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1953, 424 с.

5. Табаков В.П., Лохмотко В.В. Оптимизация структуры двухступенчатой сети связи по критерию стоимости. Вопросы радиоэлектроники. Серия «техника проводной связи». Вып. 5, 1975.

6. Broadband Access Networks. Introduction Stratégies and Techno-Economic Evaluation. Edited by L.A. Ims. Chapman&Hall, 1999.

7. Гольдштейн Б.С. Протоколы сети доступа. T.2. M.: Радио и связь, 2001.

8. Соколов Н.А. Сети абонентского доступа. Принципы построения. Пермь, 1999, 254 с.

9. ГОСТ Р50889-96 "Линейные сооружения местных телефонных сетей. Термины и определения", 1996.

10. Денисьева О.М., Мирошников Д.Г. Средства связи для последней мили. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998, 146 с.

11. Булгак В.Б., Варакин Л.Е., Ивашкевич Ю.К., Москвитин В.Д., Осипов В.Г. Концепция развития связи Российской Федерации. М.: Радио и связь, 1995, 224 с.

12. Report of the Sixth Stratégie Review Commitee on European Information Infrastructure, Main Report and Annexes (ETSI/TA22(95)5), Part B, 1995.

13. S.V. Ahamed., V.B. Lawrence. Design and Engineering of Intelligent Communication Systems. Kluwer Academic Publisher, 1997, 675 p.

14. T. Miki, "Towards the Service-Rich Era", IEE Communications Magazine, February 1994, pp.34-39.

15. Смолянский M.E. Проектирование линейных сооружений ГТС. M.: Радио и связь, 1989, 176 с.

16. Дубровский Е.П. Канализационно-кабельные сооружения связи. М.: Высшая школа, 1991, 317 с.

17. Овсянников А.И., Колесников В.А., Цыбулин М.К. Основы проектирования сооружений связи: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1991,232 с.

18. Давидов Г.Б., Рогинский В.Н., Толчан А .Я. Сети электросвязи. М.: Связь, 1977, 360с.

19. Крендзель А.В. Планирование перспективных сетей доступа.// Диссертация на соискание ученой степени кандитата технических наук. -СПбГУТ. СПб., 2001.

20. Соколов Н.А. Руководящий технический материал по модернизации сетей доступа.// Редакция 2.0. СПб., 2001.

21. Соколов Н.А. Эволюция местных телефонных сетей. ТОО "Типография "Книга", Пермь, 1994, 375с.

22. Кох Р., Яновский Г.Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. М.: Радио и связь, 2001. - 280с.

23. Яновский Г.Г. Сети следующего поколения NGN: технологии и услуги.// 56-я НТК: Тез.докл./ СПбГУТ. СПб., 2004.

24. Барабаш П.А., Воробьев С.П., и др. Мультисервисные сети кабельного телевидения.-СПб: «Наука», 2000.

25. Дубинский JI.M. Перспективы развития сетей кабельного телевидения. -издание. М.: ЦНТИ "Информсвязь", 2000. - 60 с.

26. ETS 300 175-1. Radio Equipment and Systems (RES); Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT); Common Interface (CI); Part 1: Overview ETSI, 1996, 26 p.

27. Пяттаев В.О., Филиппов А.А. Технологические аспекты развития транспортной инфраструктуры NGN. Всероссийская конференция «Сети связи следующего поколения». Сборник трудов.

28. Мирошников Д.Г. Технологии «последней мили». Сравнительный анализ.//Вестник связи. №10, 1998.

29. D. Carballal, G. Salamanca, D. Deloddere. Access Network Evolution. -Alcatel Telecommunications Review -3rd Quarter 1996, pp. 167-175.

30. Гольдштейн B.C., Орлов О.П., Ошев A.T., Соколов Н.А. Модернизация сетей доступа в эпоху NGN.// Руководящий технический материал.- СПб., 2001.

31. Назаров А.Н., Симонов Н.В. ATM технология высокоскоростных сетей. М.: Эко-Трендз, 1988.

32. Annie Gravey, Soren Blaabjerg. Cell delay variation in ATM networks. Interim report of action COST 242. December, 1994.

33. Hiroshi S. Teletraffic technologies in ATM networks. London: Artech House, 1994.

34. Kuehn P.J. Reminder on queueing theory for ATM networks.// Telecommunication Systems. 1996. №5.

35. James Roberts. Broadband network traffic. Perfomance evaluation and design of broadband multiservice networks. Final report of action COST 242. Springer, 1996.

36. Лазарев. В.Г. Интеллектуальные цифровые сети: Справочник. М.: Финансы и статистика, 1996.

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

38. Руководящий технический материал по построению сети доступа на основе мультисервисных абонентских концентраторов./Версия 1.4. СПб., 2001.

39. ETR 248. Transmission and Multiplexing (ТМ); Use of single-mode fibre in the access network ETSI, 1996, 36 p.

40. ITU-TS. Introduction of New Technologies in Local Networks. Geneva, 1993, 189 p.

41. Попков В.К. Математические модели живучести сетей связи. — Издательство СО АН СССР, 1980, 235с.

42. Шмалько А.В. Цифровые сети связи: основы планирования и построения. -М.: Эко-Трендз, 2001, 283 с.

43. Лагутин B.C., Степанов С.Н. Телетрафик мультисервисных сетей связи. -М.: Радио и связь, 2000.

44. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. М.: Мир, 1967.

45. Исследование операций. Том 2 "Модели и применения". Пер. с англ. под ред. ДЖ. Моудера и С. Элмаграби. М.:Мир, 1981, 677 с.

46. Ross K.W. Multiservice loss models for broadband telecommunications Networks. London: Springer, 1995.

47. Roberts J.W. AA servise system with heterogenous user requirements application to multiservice telecommunications systems / Performance of Data Communications Systems and their Applications. Pujolle G.(ed.). North Holland, 1981.

48. Kaufman J.S. Blocking in a shared resourse environment // IEEE Transactions on Communications. 1981. V.29. N1.

49. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.

50. Таха X. Введение в исследование операций: В двух томах. Кн.1. Пер. С англ. М.: Мир, 1985. - 479с.

51. О. Оре Графы и их применение. Пер. с англ. под ред. И.М. Яглома. М., "Мир", 1965,- 174 с.

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

53. Корнышев Ю.Н., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. М.: Радио и связь, 1996. - 224 с.

54. Аллаев А.Э. Выбор топологии построения сетей абонентского доступа.// Электросвязь, №5, 2004.

55. G. Van Hoey, S. Vvan den Bosch, P. De La Vallee Poussin, H. De Neve, G.H. Petit. Dimensioning of NGN transport networks for real-time voice applications. -Alcatel Telecommunications Review -2nd Quarter 2001, pp. 105-109.

56. A. Lardies, G. Ester. Optimal network design of ultra-long-haul transmission networks. Alcatel Telecommunications Review -2nd Quarter 2001, pp. 142-147.

57. Морозов В.П., Дымарский Я.С. Элементы теории управления гибкими автоматизированными производствами: математическое обеспечение. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ие. 1984. - 333с.

58. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь, 1982.

59. Проектирование и техническая эксплуатация сетей передачи дискретных сообщений. Учебное пособие для вузов/ М.Н. Арипов и др. Под ред. Г.П. Захарова. М.: Радио и связь, 1988.

60. Многокритериальные задачи принятия решений/ Под ред. Д.М. Гвишнани и С.В. Емельянова. М.: Машиностроение, 1978.

61. Подиновский В.В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 256с.

62. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1958. - 464с.

63. Дымарский Я.С. Методы оптимизации сетей связи. Методические указания и контрольные задания/ СПбГУТ. СПб, 2003.

64. Витченко А.И., Соколов H.A. Эффективность мультисервисных абонентских концентраторов.// Вестник связи №10, 2004.

65. Заславский IO.JI. Сборник задач по линейному программированию. М. "Наука", 1969.

66. Ашманов С.А. Линейное программирование. М. "Наука", 1981.

67. Теория сетей связи: Учебник для вузов связи/ Рогинский В.Н., Харкевич А.Д., Шнепс М.А. и др.; Под ред. В.Н. Рогинского. М.: Радио и связь, 1981. -192с.

68. ITU-T Recommendation G.803. Architecture of transport networks based on the Synchronous digital hierarchy (SDH). 2002.

69. ITU-T Recommendation G.813. Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC). 2003.

70. ITU-T Recommendation G.841. Types and characteristics of SDH network protection architectures. 2002.

71. ITU-T Recommendation G.902. Framework recommendation on functional access networks (AN). Architecture and functions, access types, management and service node aspects. 1995.

72. Аллаев. А.Э., Саморезов. B.B. Мультисервисный доступ: от теории к npaKTHKe.//InfoCOM.UZ, №3, 2004.

73. Аллаев. А.Э. Модель и метод расчета пропускной способности сетей доступа при обслуживании мультисервисного трафика// Техника и технологии, №4, 2004.

74. А.Э. Аллаев. О потенциальной надежности сетей абонентского доступа// 58-я НТК: Тез. докл./СПбГУТ.- СПб, 2004.

75. Аллаев. А.Э. Структурная оптимизация сетей абонентского доступа при конвергенции сетей и услуг// 59-я научная сессия, посвященная Дню радио: Тез. докл./МТУСИ.- М, 2004.

76. Аллаев. А.Э. Синтез односвязной структуры сети абонентского доступа// 58-я НТК: тез. докл./ СПбГУТ.- СПб, 2004.

77. Аллаев. А.Э. Об оптимальном числе колец в транспортной сети доступа// Техника и технологии, №4, 2004.

78. Аллаев. А.Э. Построение минимальной по общей длине сети для односвязных структур// Свидетельство №DGU 00724 на программу/Государственное Патентное Ведомство Руз. Ташкент, 2004.

79. Мультисервисные абонентские концентраторы// Технологии и средства связи №1, 2004.

80. Мультисервисные концентраторы в сетях сельской связи//Вестник №12, 2003.