Підвищення ефективності оптичних мультисервісних мереж з використанням кодового розділення каналів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

УДК 621.39:681.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Підвищення ефективності оптичних мультисервісних мереж з використанням кодового розділення каналів

Андрухів Тарас Васильович

Одеса - 2010

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Климаш Михайло Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри "Телекомунікації".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лісовий Іван Павлович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, професор кафедри телекомунікаційних систем, кандидат технічних наук, доцент Омельченко Анатолій Васильович Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри мереж зв'язку.

Захист дисертації відбудеться 24 вересня 2010 р. о 13.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О.С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

Автореферат розісланий 18 серпня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., доцент Т.А. Цалієв

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток телекомунікаційних послуг сьогодні вимагає якісних змін і підходів до побудови телекомунікаційних мереж.

Нові підходи повинні враховувати велику пропускну здатність оптичних мереж та гнучкість топологічних рішень мультисервісних мереж, а також забезпечувати відповідну якість телекомунікаційних послуг.

Ще недавно основною задачею для зв'язківців була організація переходу від аналогових мереж і систем передачі до цифрових мереж з комутацією пекетів.

На даний час одним з актуальних напрямків теоретичних і практичних досліджень є перехід до мультисервісних мереж наступного покоління (NGN). Впровадження мультисервісних мереж на базі концепції NGN забезпечує значне підвищення техніко-економічної ефективності сучасних телекомунікаційних мереж.

При переході від традиційних телекомунікаційних мереж до мультисервісних виникають проблеми наукового, технічного та методологічного характеру, головна з них - необхідність забезпечення відповідної якості обслуговування для різних видів трафіку.

Проблемою якості обслуговування в мережах різних класів займаються науково-дослідні установи та провідні телекомунікаційні компанії.

Основні підходи до аналізу показників якості в сучасних мультисервісних мережах, в яких домінує інтернет протокол (IP), наводяться в рекомендаціях міжнародного союзу електрозв'язку (МСЕ-Т).

Оцінка показників якості обслуговування різних видів трафіку базується на імовірнісних та імовірно-часових характеристиках.

Аналіз показників якості обслуговування мультисервісних мереж виконано, в основному, шляхом декомпозиції на ієрархічні підрівні. Такий підхід дозволяє виявити і оцінити вплив на показники якості обслуговування основних процесів, які протікають в вузлах і каналах мультисервісної мережі.

Аналітичному моделюванню телекомунікаційних мереж з пакетною комутацією присвячені роботи Л. Клейнрока, В. Бакса, П. Башарина, И. Неймана, П. Захова, И. Шулухина, задачі оптимізації розглядаються в роботах В. Лохмотко, Ф. Янбихов, А. Столяров, А. Ложковського, Л. Беркман, питання побудови мультисервісних мереж та якості обслуговування широко розкриті в працях Б.С. Гольдштейн, А.Е. Кучерявый, А.Н. Назаров, Н.А. Соколов, М.А. Шнепс-Шнеппе, Г.Г. Яновский, U. Black, J. Davidson, S.Fisher, J.M.Garcia, D. McDysan, D. Minoli, F.A. Tobagi, та інших авторів.

Але в даних роботах не враховуються процеси в абонентських ADSL-модемах та групових DSLAM з пріоритизацією трафіка, процеси обслуговування в мережі агрегації доступу та процеси в ядрі мережі з кодовим розділенням каналів.

Не враховується також вплив маршрутизації кадрів в ядрі мережі та затримки формування блоків даних.

Важливим питанням при побудові мультисервісних мереж є вибір технології на основі якої будуть будуватися мультисервісні мережі з кодовим розділенням каналів.

Більшість фахівців схиляються до використання технології IP в якості платформи для побудови мереж NGN.

Тим не менше, побудова NGN на основі цієї технології породжує ряд проблем, пов'язаних з тим, що технологія IP розроблялася як технологія передачі даних, а передача трафіку реального часу в рамках цієї технології пов'язана з неможливістю забезпечити необхідний рівень якості послуг (QoS).

Використання кодового розділення каналів на фізичному рівні дозволяє суттєво збільшити швидкість передачі, хоча приводить до збільшення затримки в вузлах комутації.

Отже, на даний час існує потреба більш детального дослідження ефективності побудови оптичних мультисервісних мереж з використанням кодового розділенням каналів. Таким чином, підвищення продуктивності та якості обслуговування мультисервісних мереж на основі застосування оптичного кодового мультиплексування каналів є актуальною науково-технічною задачею.

Метою роботи є підвищення продуктивності та якості обслуговування мультисервісних мереж шляхом застосування оптичного кодового мультиплексування та розробки алгоритмів обслуговування інформаційних потоків.

Об'єкт дослідження: процес передачі інформації в мультисервісних мережах з кодовим розділенням каналів.

Предмет дослідження: параметри мультисервісних мереж з кодовим розділенням каналів, які впливають на ефективність їх функціонування.

Поставлені у роботі задачі:

1. Розробити концептуальну модель мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів для оцінки якості обслуговування основних видів мережного трафіку, згідно формату надання телекомунікаційних послуг “Triple Play”.

2. Розробити спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів, що дозволить підвищити швидкість в оптичних каналах мереж зв'язку.

3. Розробити структурно-функціональну модель агрегації потоків мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів, яка дозволяє оцінити імовірно-часові характеристики трафіку у різних фазах обслуговування.

4. Розробити аналітичну модель мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів, яка дозволить оцінити якість обслуговування для різних видів трафіку за допомогою математичного моделювання на основі теорії систем та мереж масового обслуговування.

5. На основі розроблених моделей дослідити параметри та характеристики функціонування мультисервісної мережі для різних видів трафіку.

Методи дослідження: теорія систем зв'язку, методи математичної статистики та теорії ймовірності, імітаційного моделювання, теорія систем та мереж масового обслуговування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Розроблено концептуальну модель мультисервісної мережі з кодовим розділення каналів для оцінки якості обслуговування основних видів трафіку, що дало можливість формалізувати процеси обслуговування згідно формату надання послуг “Triple Play”.

2. Розроблено спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів, що дозволить підвищити швидкість в оптичних каналах мереж зв'язку.

3. Вдосконалено структурно-функціональну модель агрегації потоків мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів, яка дозволяє оцінити імовірно-часові характеристики трафіку на рівні доступу, агрегації доступу та ядра мережі.

4. Вперше отримано залежність показника якості надання послуг від структурно-параметричних властивостей мережі з кодовим розділенням каналів, що дало змогу вказати методи його підвищення та рекомендації щодо розвитку міських мультисервісних мереж наступного покоління

5. Досліджено основні параметри передавання інформації в мультисервісних мережах, які побудовані на основі способу оптичного передавання з кодовим розділенням каналів, що дало можливість підвищити швидкість передавання в оптичних каналах.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено підходи до визначення оптимальних за ефективністю мультисервісної мережної системи структурно-параметричних показників, необхідних для практичного впровадження мультисервісних мереж з кодовим розділенням каналів на національній телекомунікаційній мережі.

2. Запропоновано аналітичну модель мультисервісної мережі, яка враховує процеси обслуговування в абонентських ADSL - модемах, групових модемах доступу DSLAМ, в мультиплексорах агрегації доступу та мультиплексорах ядра мережі, що використано для комплексного математичного та імітаційного моделювання, а також дослідження показників ефективності міських мультисервісних мереж.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає науково-технічному напрямку ВАТ «Укртелеком», а також науковим планам кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка». Отримані результати використано в ході виконання держбюджетних і госпдоговірних тематик кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка»: держбюджетної НДР «Дослідження і оптимізація структури і топологій інфокомунікаційних систем і мереж» (ДБ/Структура), (2006 - 2007 рр.), № держреєстрації 0106U009587, госпдоговірної НДР «Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM - оптичного лінійного тракту», (2005 - 2006 рр.), № держ. реєстрації 0106U004703, госпдоговірної НДР «Дослідження методів та засобів підвищення ефективності оптичних транспортних систем», (2006 р.), № держреєстрації 0107U001127, госпдоговірної НДР «Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж», (2007 р.), № держреєстрації 0107U000822.

Результати наукових досліджень впроваджені у відділі планування та розвитку мереж РЦТЕТТМ-6 філії «Дирекція первинної мережі» ВАТ «Укртелеком» та ТЗОВ “Аркада-Х”.

Особистий внесок здобувача.

Основні наукові результати теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто: аналіз методів оптимізації SDH мереж [1]; запропоновано основи способу оптичного передавання з кодовим розділенням каналів [2]; проведення досліджень оптичних мереж зі спектральним ущільненням каналів [3]; розраховано модернізацію транспортної мережі м. Львова [4]; проведено вибір критерію та параметрів оптимізації для оптимізації мультисервісних мереж [5]; запропоновано нові принципи оптичного передавання з кодовим розділенням каналів [6, 11]; запропонована мережа рознесеного спецвузла на базі 5ESS [7]; аналіз особливостей управління структурою потоків оптичної транспортної мережі [8];запропоновано алгоритми маршрутизації та управління потоками на основі аналізу топології мережної структури [9]; запропонована топологія мережі та вхідні дані моделі [10]; досліджено параметрів QoS в мультисервісних мережах [12]; запропоновано вдосконалення до способу оптичного передавання з кодовим мультиплексуванням каналів на основі використання властивостей трансортогональності кодових послідовностей [13]; запропоновано параметри QoS для досліджень в мультисервісних мережах [14]; запропоновано метод покращення параметрів мультисервісних мереж [15].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на наступних конференціях: «Advanced Optoelectronics and Lasers» - CAOL-2003, «Laser and Fiber-Optical Networks Modelling» - LFNM-2003 (м. Алушта, 2003 р.); VIІ Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации” ССПОИ-2003. - Одесса, Украина; Міжнародна конференція "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій і комп'ютерної інженерії - TCSET-2004" (Львiв-Славсько, 24-28 лютого 2004 р.); VIII Международная научно-практическая конференция «Системы и средства передачи и обработки информации». - Одеcса, 2004; Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» TCSET-2006. Львів-Славсько, Україна, 28 лютого - 4 березня 2006 року, V Міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології" /COMINFO'2009/ 5-9 жовтня 2009, Крим, Ялта.

Публікації. Всі наукові положення і висновки дисертаційної роботи опубліковано повністю у 18 наукових працях, з них 1 - монографія, 10 - в статтях у провідних виданнях, згідно переліку, що затверджений ВАК України, 2 - патенти України, 5 - в матеріалах міжнародних та національних наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 154 сторінку друкарського тексту: 44 рисунків, 10 таблиць, список використаних джерел із 114 найменувань, 1 додаток.

Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано необхідність розробки нових моделей та методик дослідження міських мультисервісних оптичних мереж з кодовим розділенням каналів. Вказано на зв'язок роботи з науковими програмами, сформовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Подано дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи та публікації.

В першому розділі - “Оцінка та забезпечення якості обслуговування в мультисервісних мережах ” - проведено системний огляд стану проблеми, розглянуто особливості будови і функціонування оптичних транспортних мереж з кодовим розділенням каналів, обмеження, критичні параметри та загальні вимоги до систем передавання. Проаналізовано перспективні інноваційні рішення для реалізації розвитку високоефективної архітектури мережно-залежних рівнів мереж NGN, визначено основні вимоги до мультисервісних мереж та методів комутації в мережах нового покоління.

Особливу увагу приділено методам побудови і забезпечення QoS в мультисервісних мережах, а саме концепції побудови мультисервісних мереж MSF та механізмам формування заданих параметрів трафіку: Traffic Shaper, Integrated Services (IntServ), DiffServ та MPLS.

Архітектура фізично-канальних рівнів для високошвидкісних оптичних кластерів NGN:

4. Часове мультиплексування

3. Дискретно-фазова модуляція кодових слів

2. Кодове мультиплексування

1. Спектральне ущільнення каналів

0. Оптична чи ОЕО крос-комутація

Проведений аналіз показав, що враховуючи всі переваги і недоліки служб формування заданих параметрів трафіку можна зробити висновки, що дані засоби застосовні, перш за все, усередині корпоративних мереж для вирішення обмеженої кількості завдань. При цьому вказані засоби згідно оцінки ряду телекомунікаційних компаній не будуть застосовані в межах всієї або хоч би значної частини мережі Інтернет, тому використання виключно пакетних технологій може не дати очікуваних результатів продуктивності проектованих мереж нового покоління, якщо не у кількісному, то, однозначно, у якісному плані.

Другий розділ - “Принципи побудови оптичної мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів ” - присвячено технологіям розширення спектру, що дозволяє здійснювати передавання інформації на високих швидкостях та з низькою ймовірністю помилок за рахунок комплексної оптимальної обробки сигналу, крім цього, мережі з кодовим розділенням каналів володіють стійкістю до прослуховування сигналів та низькою чутливістю до завад. Велика кількість систем доступу, зокрема радіо- та оптичних мереж, забезпечують підвищення частотної ефективності ціною невідворотних спотворень сигналу при перевищенні допустимого рівня завад у каналі передавання. Специфічною властивістю систем з кодовим розділенням каналів є те, що вони вимагають чіткої синхронізації усіх кодових послідовностей для надання приймачеві можливості провести коректне детектування та відновлення інформації, що передається.

В даному розділі запропоновано адаптивну гібридну фізично-канальну архітектуру кластера інтегральної оптичної мережі транспортної системи для мультисервісного доступу з використанням багатофазного кодового мультиплексування каналів. Синтез архітектури виконано як з урахуванням базових параметрів: велика пропускна здатність та здатність до мультиплексування за різними технологіями, так і вимог, які висуваються функціональним аналізом систем управління потоками розподілених оптичних систем - орієнтація на комутацію потоків в межах кластеру невеликого розміру. Найбільш перспективним для синтезу такої архітектури є поєднання технологій спектрального ущільнення, поляризаційної модуляції, дискретно-фазової модуляції та оптичного кодового ущільнення (FO-CDMA).

Висока швидкість передавання забезпечується оптичними шарами 0, 1, 3. Шари 2, 4 дозволяють ділити пропускну здатність каналів, спільно з шаром 3, чим забезпечується гнучке мультиплексування інформаційних потоків. Гнучкість мультиплексування залежить від кількості інформаційних кодових слів на канал, кількості робочих позицій фазових зміщень та кількості часових циклів передавання, організованих у кожну з сесій зв'язку в межах кластеру мережі. Таким чином забезпечується повна статична та динамічна адаптивність даної технологічної архітектури фізичного та канального рівнів до вимог, які пред'являються або пред'являтимуться до оптичних мережних транспортних систем в майбутньому, а також необхідна масштабованість за пропускною здатністю.

Слід відзначити, що використання одночасно великої кількості робочих позицій фазових зміщень повинно бути узгоджене з інтервалом мультиплексування статичних кодових послідовностей у відповідну кількість разів. Запропонований приклад варіанту багатофазного кодового мультиплексування для прикладу, передбачає 63 інформаційних фазових позиції, що забезпечує ефективну реалізацію розвитку архітектури високошвидкісних оптичних мереж наступного покоління. При цьому забезпечується висока стійкість мережної системи до перевантажень, висока пропускна здатність та гнучкість мультиплексування і розподілу пропускної здатності, а отже створюються обґрунтовані підстави для забезпечення високої якості сервісу у всій мережній системі.

Запропоноване рішення для фізично-канальної основи оптичних систем передавання може стати фундаментом для організації кластерної архітектури висококонвергентних інфокомунікаційних мереж наступного покоління NGN. Гнучкість та прозорість, завадозахищеність багатофазової модуляції в разі централізовано-синхронізованої трансляції оптикою, надзвичайно висока ефективність управління, що забезпечується багатофазним оптичним кодовим мультиплексуванням каналів при передаванні інформації, особливо в оптичній мережній архітектурі, вказують на високу ефективність та перспективність даного способу передавання інформації та заявленого концептуального напряму.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Також запропоновано спосіб багатофазного кодового мультиплексування каналів для оптичних мереж доступу. Низька частотна ефективність CDMA наштовхує на думку, що можливе створення гібридних рішень, які дозволили б гнучко підвищити інформаційну місткість, яка першопочатково повинна міститися в кожному з кодових каналів. Об'єднаємо дві послідовності кодових каналів циклічно в один суперфрейм, при цьому приймач реалізує можливість приймати сигнал кореляторами відносно деякої стартової позиції в межах суперфрейму з довжиною 2*N кодових позицій, в даному випадку - 128 (рис. 2). Кожен цикл обробки кореляторів відповідає у часі інтервалові довжиною (N-1)/N частки N-бітової послідовності Уолша. Виділимо кодовий канал системи передавання (на схемі - CC1), що відповідає кодовій послідовності з номером 1 для загальної еталонної синхронізації.

Наступним 63-ом каналам системи передавання надамо спеціальні властивості, що характеризуватимуть їх фазові затримки по відношенню до початку еталонної канальної кодової послідовності СС1 з дискретністю рівно один кодовий біт. Прийом зміщених кодових комбінацій відбувається за допомогою потокових кореляторів, конфігурація яких (надалі в тексті - фазовий портрет приймача) заздалегідь налаштована на їх когерентний, дискретний за позиціями СС1D0 можливий прийом. Таким чином, забезпечується питоме збільшення інформаційної місткості суперфрейму у (N-1)/2=31,5 разів, оскільки кожна комбінація матиме до N фазових позицій (CC1…ND0…63) включно по відношенню до еталонної та прийматиметься з метою визначення значення її фазової затримки, використовуючи еталонну кодову послідовність за взірець. З цього стає очевидною гнучкість, з якою можливо керувати параметрами каналу передавання - зростає вимірність сигналів, що передаються. Звичайно, істотним фактором стають вимоги до стабільності синхронізації у таких системах, що з успіхом забезпечується шляхом застосування оптичних середовищ передавання. У приймачі реалізація приймання із врахуванням його фазового портрету та високих впливів автокореляційних властивостей функцій Уолша, які в даному випадку активно протидіють прийманню зміщеної в часі копії КК, можлива шляхом застосування лише двох стратегій - статичної та динамічної за інформаційним навантаженням фазовими портретами приймача - множиною CC1…ND0…63. У разі статичної стратегії відбувається виділення одного чи кількох кодових каналів і подальше передавання інформації синхронізується згідно еталонного каналу із заданими для кожної сесії стабільними (скоректованими під час тестового інтервалу) параметрами фазового портрету приймача (ФПП), який визначається кількістю можливих зсувів за фазою початкових позицій приймання КК згідно сітки синхронізації CC1 для підвищення частотної інформаційної ефективності каналу. Застосування динамічної стратегії - надання змінних ФПП, що будуть нести додаткову інформацію в середовищі поширення випромінювання - викликає труднощі, пов'язані із забезпеченням стабільності синхронізації та існування високошвидкісної системи кореляторів, яка має передбачати корекцію коефіцієнтів згортки, відповідно до картини відбиттів сигналу від неоднорідностей, коефіцієнтів спектрального еквалайзера, окрім цього, у разі використання усіх N несучих та переважної більшості можливих ФПП значно знижується завадозахищеність та вичерпується необхідний ресурс пропускної здатності за довжинами хвиль, оскільки реалізація таких систем вимагатиме просторового ансамблю оптичних точок доступу, кожна з яких буде займати значний частотний діапазон, що далеко не завжди є припустимим. У разі реалізації виділення користувачам повної можливої множини ФПП та КК - необхідне використання якісних оптичних середовищ передавання.

Даний підхід дозволяє створити мережну оптичну архітектуру на основі передавання із керуванням ФПП зі статичними або динамічними комутацією каналів. Причому, для випадку мереж доступу є можливість як застосування більш широкосмугових (а отже і дешевших) лазерних джерел випромінювання, так і взагалі відмови від будь-якої оптичної обробки сигналу (за виключенням підсилення там, де це необхідно). Іншою є ситуація в магістральних мережах. Тут зберігається потреба у високоякісних випромінювачах, оптичній комутації для забезпечення резервування оптичних шляхів. Застосування кодового розділення каналів для такого якісного середовища передавання інформації, як оптичне волокно знімає питання перехресних завад та дозволяє гнучко підвищити частотну ефективність - пропускну здатність або гнучкість мультиплексування інформаційних потоків. Запропонований підхід дозволяє організувати до 40 DWDM-ущільнених оптичних каналів з пропускною здатністю кожного оптичного каналу 10 Гбіт/с. Можливе об'єднання по два спектральних канала, таким чином для описаної технології в спектральному еквіваленті при H-DWDM ущільненні, утворюються як мінімум 80 спектральних каналів.

Керування передаванням інформації передбачає синхронізацію від вузла-ініціатора широкомовно по всій оптичній мережі. Тобто, можна використовувати для передавання даних між абонентами мережі доступу виділений транзитний вузол. Алгоритми керування в такому разі відповідають за структуру зв'язків всередині мережі доступу, що окрім того характеризуватиме завантаження та визначатиме вільні вузли її побудованої таблично логічної віртуальної топології поверх зірки, що дозволяють транзитне використання шляхом довантаження невикористаних канальних та частотних ресурсів. Швидкість передавання інформації залежить від кількості виділених КК та можливої позиційності ФПП для кожної сесії між вузлами.

Швидкість, що може бути досягнута при використанні 1 з N-1 кодових каналів при F=10 Гбіт/с складає приблизно 300 Мбіт/c, що всього у 2 рази менше пропускної здатності цілого xWDM каналу базової спектральної основи із максимальним завантаженням і дозволяє забезпечити доступ до 200 користувачів Fast Ethernet на одній оптичній несучій із повним завантаженням та надзвичайно гнучким управлінням канальною ємністю, що приблизно рівне можливостям та завадозахищеності звичайного Ethernet over SDH мультиплексування, але виключає колізії та підвищення ієрархічної складності комунікаційного обладнання.

В третьому розділі - “Модель оптичної мультисервісної мережі з кодовим розділення каналів ” - запропонована модель мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів, яка дозволяє оцінити ймовірно-часові параметри мережі. Для аналізу такої складної системи, як мультисервісна мережа з кодовим розділенням каналі, вибрано шлях декомпозиції об'єкта на ієрархічні рівні. Такий підхід дозволив виявити і оцінити вплив на показники якості обслуговування основних процесів, які протікають в вузлах і каналах на підрівнях доступу, агрегації та ядра мережі. Структура ММ була розділена на декілька підрівнів мережевої ієрархії (рис 2).

На рівні доступу застосовуються ADSL-модеми, що підключаються через існуючі абонентські лінії до устаткування DSLAM.

DSLAМ підключається до вузлів агрегації доступу, які є маршрутизаторами з підтримкою MPLS.

Магістральні маршрутизатори на рівні ядра мережі виконують функцію граничних маршрутизаторів LSR і, як правило, включаються в повнозв'язному режимі. Для забезпечення структурної надійності в мережі операторського класу їх не може бути менше двох.

Отримання інформаційного контенту (дані з Інтернет, відеозапис з сервера V_OIP, мова через шлюз з ТМЗК і тому подібне) здійснюється через вузли агрегації послуг, які є маршрутизаторами з реалізацією функцій крайових маршрутизаторів LER.

Для рівномірного розподілу навантаження на рівні агрегації доступу реалізуються функції управління. У цих же вузлах агрегації доступу здійснюється виділення IP пакетів з кадрів Ethernet і сортування потоків трафіку (дані - IP1/MPLS1, відео - IP2/MPLS2, мова - IP3/MPLS3) по різних буферах MPLS з метою формування класів пріоритетності обслуговування. Найвищий пріоритет призначається для найбільш критичного до затримок мовного трафіку, а для трафіку даних Інтернет призначається нижчий пріоритет.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Формування декількох буферів з різними типами трафіку для забезпечення Q_OS в мережах MPLS дозволяє застосовувати до них різні дисципліни обслуговування. Забезпечення Q_OS в мережах MPLS є пріоритетним напрямом роботи організацій по стандартизації і розробників мережевого устаткування, проте в даний час для забезпечення Q_OS в мережах MPLS використовуються два механізми: DiffServ і InServ.

Рівень агрегації доступу забезпечує часткове розвантаження ядра мережі від трафіку між включеними в дану підмережу вузлами доступу. Рівень замикає внутрішній місцевий трафік, що передається між вузлами доступу, який при цьому не завантажує магістральну мережу.

До такого трафіку відносяться, переговори між мешканцями сусідніх будинків (IP- телефонія), включеними в один вузол доступу або в сусідні вузли, мультимедійні сеанси, що проводяться між кореспондентами, включеними в близько розташовані вузли доступу, наприклад, сусідніх районів і інші місцеві транзакції, крім цього підрівень виконує функцію агрегації потоків, що надходять від вузлів доступу в об'єднані потоки і що передаються в магістральну мережу і передачу потоків в зворотному напрямі. Підрівні агрегації доступу будується на основі спеціальних високопродуктивних маршрутизаторів, що забезпечують набір функцій Q_OS і швидке передавання кадрів Ethernet, як між вузлами доступу, так і між магістральною мережею і мережею доступу.

Рівень ядра мережі забезпечує об'єднання маршрутизаторів рівня агрегації даних та наскрізну передачу даних через транспортну мережу. На фізичному рівні ядра мережі використовується кодове розділення каналів, що дозволяє підвищити швидкість передачі та забезпечити відповідний рівень Q_OS.

На канальному рівні використовується комутація блоків, оскільки передача блоків здійснюється тільки між зв'язаними вузлами мережі адресації на даному рівні маршрутизація не використовується. Адресацію на рівні ядра мережі забезпечує комутаційний блок (маршрутизатор) за допомогою IP та MPLS заголовків на мережевому рівні. Блок комутації оптичної мережі з кодовим розділенням каналів повинен виконувати функції маршрутизації пакетів та комутації блоків даних, а також забезпечувати функції кодового розділення каналів і спектрального ущільнення.

Структурна схема блока комутації зображена на рис. 3. Блок комутації для мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів складається з блоку комутації пакетів та блоку комутації блоків, який забезпечує формування блока даних, адресацію блоків та забезпечує адресацію і кодове розділення каналів.



Рис. 3. Структурна схема блоку комутації

Формування блока даних відбувається з пакетів, які поступають з блока комутації пакетів. Розмір блока даних залежить від вибраного коду.

Вузол комутації здійснює комутацію на двох рівнях: оптичному - комутація довжин хвиль та електронному рівні - комутація пакетів.

Введення і виведення відповідних довжин хвиль здійснюється мультплексорами вводу/виводу. Комутація довжин хвиль може бути відсутня у вузлі комутації, якщо відсутня необхідність використання спектрального ущільнення каналів.

Вузол оптоелектронної комутації можна представити у вигляді блоку комутації пакетів та блоку комутації довжин хвиль

При використанні технології комутації блоків на відміну від технології комутації пакетів зникає необхідність забезпечувати сумісність між цими двома технологіями і тоді функції по формуванню блока даних і адресації можуть перейти до мережевого рівня.

В роботі запропоновано аналітичну модель, яка представляє собою ряд математично запропонованих виразів для знаходження варіації (джитера) затримки і ймовірності втрати пакетів при їх обслуговуванні у вузлах мережі. Варіацію затримки можна визначити, як середньоквадратичне відхилення часу затримки пакетів.

Варіація затримки для заявок з відносними пріоритетами класу до k (k =1,Н):

(1)

Для системи М/G/l з однорідним потоком заявок варіація затримки рівна:

(2)

де щ і щ² - середнє значення і другий початковий момент часу очікування;

D- дисперсія часу обслуговування.

Імовірність втрати пакетів в системі визначається як:

, (3)

с - завантаженість вузла j,

K - ємність буфера.

Отримані системи співвідношень для визначення характеристик якості обслуговування для даного об'єкту дослідження

У четвертому розділі - “Моделювання та дослідження показників якості обслуговування мультисервісних мереж з кодовим розділенням каналів” - проведені дослідження рівнів мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів, які дозволили оцінити затримку пакетів у різних фазах обслуговування та завантаження буферної пам'яті мережевого обладнання. Для цього формалізовано рівень доступу, рівень агрегації даних та рівень ядра мережі.

Модель рівня доступу у вигляді багатофазної СМО, що відображає вказані вище фізичні процеси, представлена на рис. 4. У даній моделі можна виділити 6 фаз обслуговування.

Рис. 4. Структурно - функціональна модель мережі доступу

Перша фаза описує прийом заявки (кадру Ethernet) в буфер ADSL-модема від МТА і передачу кадрів по ADSL-лінії вихідного потоку із швидкістю 1 Мбіт/с.

Друга фаза моделює профілізацію вихідного трафіку відповідно до описаних вище класів тарифних планів.

У третій фазі обслуговування Ethernet-кадри поступають в буфер магістрального передавача модему DSLAM і передаються в мережу агрегації доступу із швидкістю 10 Гбіт/с. Особливістю даної фази є те, що в буфер поступає сумарний потік заявок від користувачів, включених в даний DSLAM.

На четвертій фазі Ethernet - кадри вхідного потоку поступають з мережі агрегації доступу в буфер прийому модему DSLAM із швидкістю 10 Гбіт/с.

У п'ятій фазі проводиться розподіл потоку для кожного ADSL - модему з профілізацією вхідного потоку, що поступає в кожну лінію та передається по ADSL або оптичній лінії у бік абонента. Шоста фаза - передача кадрів вхідного потоку, при цьому дані поступають в буфер прийому ADSL- модему на стороні користувача і передаються через інтерфейс Ethernet у бік МАТ.

В результаті чисельного дослідження мережі доступу отримано графік залежності середньої затримки від інтенсивності вхідного потоку для різних фаз обслуговування і видів трафіку (рис. 5.).

Рис. 5. Залежності середньої затримки від інтенсивності вхідного потоку для різних фаз обслуговування

З рис. 6 випливає, що найбільша затримка в мультисервісній мережі виникає у фазах 2, 5 в результаті профілізації трафіку, при чому швидкість передавання 256 кбіт/с є нижньою межею для мультимедіа трафіку.

При меншій швидкості передавання цей трафік створює перевантаження у фазі 2 і тому на графіках ці режими не показані.

Внесок затримки у фазі 3 в загальну затримку настільки незначний, тому оцінювання характеристик мережі доступу це значення можна не враховувати.

Структурно - функціональну модель вузла мережі агрегації, побудовану на базі елементів СМО і ММО з врахуванням буферної пам'яті, обслуговуючих пристроїв, ліній зв'язку представлено на рис. 6

Рис. 6. Структурно - функціональна модель вузла мережі агрегації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кожен з взаємодіючих вузлів агрегації, оснащених маршрутизаторами, представлений у вигляді ММО з трьома фазами обслуговування. У фазі 1 проводиться прийом заявок-кадрів Ethernet в буфер вхідного порту, приєднання і обробка кадрів, класифікація заявок, їх розподіл по трьом чергам в буфери "1", "2", "3" з різними пріоритетами обслуговування. У буфер "1" поступають заявки VоIP, що вимагають найвищого пріоритету просування; у буфер "2" - заявки IPTV, які вимагають підвищеного пріоритету; у буфер "3" прямують заявки служб передачі даних з найнижчим пріоритетом. У фазі 2 проводиться аналіз міток і, якщо ухвалюється рішення про передачу кадру в мережу доступу, то мітка вилучається.

На рис. 7 представлено залежності середньої затримки різних видів трафіку в мережі агрегації доступу від інтенсивності вхідного потоку.

Структурно - функціональну модель ядра мережі з чотирма вузлами зображено на рис. 8. Вхідні потоки від маршрутизаторів мережі агрегації доступу і мережі агрегації послуг з інтенсивністю л поступають на входи маршрутизаторів ядра мережі. У кожному з маршрутизаторів обслуговування заявок включає дві фази.

Рис. 8. Структурно-функціональна модель ядра мережі

У першій фазі проводиться безпріоритетне обслуговування заявок-кадрів і їх комутація на вибирані виходи маршрутизаторів відповідно до таблиці маршрутів.

У другій фазі проводиться передача заявок до інших маршрутизаторів ядра або до прикордонних маршрутизаторів, розташованих в мережі агрегації доступу або в мережі агрегації послуг (швидкість передачі до 10 Гбіт/с).

Таким чином, розглянутий фрагмент мережі є системою, що включає велике число розподілених взаємозв'язаних ресурсів, що виконують дії із заявками. При цьому заявки можуть передаватися і перерозподілятися між цими ресурсами.

Залежності середньої затримки різних видів трафіку від інтенсивності потоку у вузлах мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів представлені на рис.9.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Проте, запропоновані на основі проведених досліджень алгоритми дають можливість значно підвищити ефективність маршрутизації при високих значеннях структурної завантаженості. Причому, дані експериментальних досліджень, що проведені на основі діючої мультисервісної мережі передачі даних Львівської Філії ВАТ “Укртелеком” узгоджуються із результатами моделювання із середньоквадратичним відхиленням поданих залежностей менш ніж 5 %. Показано, що такий коефіцієнт набуває нелінійного характеру від завантаженості при її значеннях близьких до 100%.

Зазначимо, що внаслідок різних причин на транспортних інформаційних мережах передавання пакетних даних постійні втрати інформаційних потоків складають до 10%, а в годину пік - 70-100%. Для оптичних мереж з кодовим розділенням каналів, як видно з рис. 10, внаслідок обмеженої гнучкості при конфігуруванні каналів такі показники є вищими. Шляхом подолання такої ситуації є нарощення необхідної канальної ємності та застосування ефективних алгоритмів керування потоками в мережах із застосуванням кодового розділення каналів.

Висновки

На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень розв'язано важливу науково-технічну задачу в галузі телекомунікаційних систем та мереж - підвищення продуктивності та якості обслуговування мультисервісних мереж на основі застосування оптичного кодового мультиплексування каналів.

При цьому можна зробити наступні висновки:

1. Вперше запропоновано модель мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів та комутацією кадрів на канальному рівні, яка дозволяє оцінити імовірно-часові параметри мережі у різних фазах обслуговування при передачі різного типу трафіку з пріоритизацією.

2. Запропоновано адаптивну гібридну фізично-канальну архітектуру кластера інтегральної оптичної мережі транспортної системи для мультисервісного доступу з використанням багатофазного кодового мультиплексування каналів. Синтез архітектури виконано з урахуванням великої пропускної здатності, поєднанням технологій спектрального ущільнення та оптичного кодового мультиплексування, поляризаційної модуляції та дискретно-фазової модуляції.

3. На основі моделі мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів та фізично-канальної архітектури кластера інтегральної оптичної мережі транспортної системи для мультисервісного доступу з використанням багатофазного кодового мультиплексування каналів розроблено спосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів, який може забезпечити швидкість передачі 300 Мбіт/c при використанні 1 з N-1 кодових каналів при ?F=10 ГГц

4. Досліджено імовірно-часові параметри мультисервісної мережі для послуг “Triple Play” на транспортному рівні, з використанням кодового розділення каналів та комутації кадрів, на рівні агрегації даних, з використання комутації пакетів (IP) та комутації по мітках (MPLS), на рівні доступу з використанням найбільш поширеної технології доступу ADSL.

5. Показано, що найбільша затримка в мультисервісній мережі виникає у фазах об'єднання трафіку різних ADSL - модемів в один інформаційний потік в DSLAM з використанням пріоритерації, при чому швидкість передавання 256 кбіт/с є нижньою межею для мультимедійного трафіку, а менші профільні швидкості передавання створюють перевантаження в мережі. Внесок затримки у фазі передавання трафіку з мережі доступу на транспортну мережу в загальну затримку настільки незначний, що при оцінюванні характеристик мережі доступу це значення можна не враховувати.

6. Проведено порівняльний аналіз методів забезпечення якості обслуговування в мультисервісних мережах для послуг “Triple Play”, методів комутації в мультисервісних мережах нового покоління та методів оптичного передавання з кодовим розділенням каналів. Показано можливість збільшення продуктивності телекомунікаційних мереж 2-3 рази.

Основні роботи, опубліковані за темою дисертації

1. Stream optimization of SDH networks with reservation / [Mychailo Klumash, Andrukhiv Тaras, Dmutro Melnuk, Vasul Vorko, Mychailo Bas] // TCSET 2004, February 24-28, 2004, Lviv-Slavsko, Ukraine.

2. Мельник Д. Моделювання повністю оптичних мереж зі спектральним ущільненням каналів / Мельник Д., Ворко В., Бас М., Андрухів Т.// Вісник НУ”ЛП” "Радіоелектроніка та телекомунікації" №508, 2004, с 145-153.

3. Анрухів Т.В. Мережа рознесеного спецвузла на базі існуючого обладнання 5ESS і системи SDH (STM-16) / Анрухів Т.В. // Збірник наукових праць “Моделювання та інформаційні технології”, Київ 2005, - №31 С. 116-123.

4. Мережа рознесеного спецвузла на базі існуючого обладнання 5ESS і системи SDH (STM-16) / [Анрухів Т.В.] // Матеріали науково-методичної конференції “Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій-2005”. - Львів, Україна, 2005,- С. 35-40.

5. Климаш М.М. Модель розрахунку перехресних завад в мережах зі спектральним ущільненням каналів / Климаш М.М., Романчук В.І., Андрухів Т.В // Комп'ютерні технології друкарства: Зб. наук. пр. - Львів, 2006. - №16. - С. 157 - 161.

6. Loading Calculation and Modernization of Synchronous Metropolitan Area Network / [Andrukhiv Т., Klymash M., Romanchuk V., Oleksin М.] // Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії». - Львів-Славсько, Україна, 2006. - С. 469-470.

7. Климаш М.М. Оптимізація потоків транспортних міських мереж з кільцевою топологією / Климаш М.М., Бенбіхі Імад., Анрухів Т.В., Романчук В.І. // Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2007. - Вип.42. - С. 202-210.

8. The Design of Information Processing System with High Load Utilization //[Pavlyuk R., Andrukhiv Т., Klymash M.] // Матеріали IX Міжнародної науково-технічної конференції CADMS 2007 «Досвід розробки та застосування приладо-технічних САПР в мікроелектроніці». - Львів-Поляна, Україна, 20-24 лютого 2007. - С. 161-162.

9. Климаш М.М. Керування структурою потоків оптичної транспортної мережі за топологічними критеріями / Климаш М.М., Демидов І.В., Андрухів Т.В. // Зв'язок. - 2007. - №1. - С.10 - 12.

10. Климаш М.М. Дослідження ефективності апріорних підходів до маршрутизації потоків в транспортних оптичних мережах / Климаш М.М., Демидов І.В., Андрухів Т.В. // Наукові записки УНДІЗ. - К., 2008, - №1 (3). - С.19-22.

11. Деклараційний патент на корисну модель, МПК (2006) H04J 13/02. Cпосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів / Климаш М.М., Демидов І.В., Андрухів Т.В. (Україна). _ U200800011; Заявл. 02.01.2008; Опубл. 10.06.2008. Бюл. № 11, 2008. - 3 с.

12. Андрухів Т.В. Моделювання повністю оптичних мереж зі спектральним ущільненням каналів / Андрухів Т.В., В.І. Романчук, Поліщук А.В.// Вісник НУ”ЛП” "Радіоелектроніка та телекомунікації" №618, 2008, с 145-153.

13. Оптичні транспортні мережі з кодовим розділенням каналів /[ Андрухів Т.В.] // V Міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології" /COMINFO'2009/ 5-9 жовтня 2009, Крим, Ялта.

14. Дослідження параметрів QoS в мультисервісних мережах / [Т.В. Андрухів] // Науково-методична конференція “Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій”, 28-30 жовтня 2009 р. Львів, с.56-60.

15. Деклараційний патент на корисну модель, МПК (2009) H04J 13/02. Cпосіб оптичного передавання з кодовим розділенням каналів / Климаш М.М., Демидов І.В., Андрухів Т.В., Романчук В.І. (Україна). _ U200907598; Заявл. 20.07.2009; Опубл. 10.11.2009. Бюл. № 21, 2009. - 3 с.

16. Андрухів Т.В. Дослідження параметрів QoS універсального шлюзу доступу NGN / Анрухів Т.В., Лаврів О.А., Бак Р.І.// Моделювання та інформаційні технології: Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - К., 2009. - Вип.54. - С. 278-286.

17. Андрухів Т.В. Покращення якості надання телекомунікаційних послуг в міських транспортних мережах з кодовим розділенням каналів. / Романчук В.І., Климаш М.М. // Комп'ютерні технології друкарства: Зб. наук. пр. - Львів, 2009. - №22. - С. 76 - 82.

18. Климаш М.М. Методи визначення показника якості послуг в телекомунікаційних мережах./ Климаш М.М., Бурачок Р.А., Андрухів Т.В. - Львів, 2009.- 285 с.

Анотації

Андрухів Т.В. Підвищення ефективності оптичних мультисервісних мереж з використанням кодового розділення каналів. - Рукопис.

Дисертація на здобувача наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова. - Одеса, 2010

Роботу присвячено підвищенню ефективності оптичних мультисервісних мереж з кодовим розділенням каналі. У роботі запропоновано адаптивну гібридну фізично-канальну архітектуру кластера інтегральної оптичної мережі транспортної системи для мультисервісного доступу з використанням багатофазного кодового мультиплексування каналів. Синтез архітектури виконано як з урахуванням базових параметрів: велика пропускна здатність та здатність до мультиплексування за різними технологіями, так і вимог, які висуваються функціональним аналізом систем управління потоками розподілених оптичних систем - орієнтація на комутацію потоків в межах кластеру невеликого розміру. Найбільш перспективним для синтезу такої архітектури запропоновано поєднання технологій спектрального ущільнення, поляризаційної модуляції, дискретно-фазової модуляції та оптичного кодового ущільнення.

На основі даного підходу було розроблено модель мультисервісної мережі з кодовим розділенням каналів, яка дозволяє оцінити ймовірно-часові параметри мережі. Для досліджень вибрано шлях декомпозиції об'єкта на ієрархічні рівні. Такий підхід дозволив виявити і оцінити вплив затримок пакета на рівнях агрегації потоків на показники якості обслуговування основних процесів, які протікають в вузлах і каналах на підрівнях доступу, агрегації та ядра мережі. Структура мультисервісної мережі була розподілена на декілька підрівнів мережевої ієрархії.

Проведені дослідження показали, що найбільша затримка у мережі доступу виникає у фазах профілізації трафіку, та швидкість 256 кбіт/с є нижньою межею пропускної спроможності для мультимедіа трафіку, при менших профільних швидкостях цей трафік створює перевантаження в вузлах мережі.

Ключові слова: оптична транспортна мережа, мультисервісна мережа, кодове розділення каналів, технологія розширення спектру, ADSL, DSLAM, IP, MPLS.

Андрухив Т.В. Повышение эффективности оптических мультисервисных сетей с использованием кодового разделения каналов. - Рукопись. трафік мультисервісний мережа інформаційний

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Одесская национальная академия связи им. О.С. Попова. - Одесса, 2010

Работа посвящена повышению эффективности оптических мультисервисных сетей с кодовым разделением каналов. В работе предложена адаптивная гибридная физическо-канальная архитектура кластера интегральной оптической сети транспортной системы для мультисервисного доступа с использованием многофазного кодового мультиплексированию каналов. Синтез архитектуры выполнен как с учетом базовых параметров: большая пропускная способность и способность к мультиплексирования по различным технологиям, так и по требованиям функционального анализа систем управления потоками распределенных оптических систем - ориентация на коммутацию потоков в пределах кластера небольшого размера.

На основе данного подхода была разработана модель мультисервисной сети с кодовым разделением каналов, позволяющая оценить вероятно-временные параметры сети. Для исследований выбран путь декомпозиции объекта исследования на иерархические уровни.

Проведенные исследования показали, что наибольшая задержка в сети доступа возникает в фазах профилирования трафика, а скорость 256 кбит/с является нижней границей пропускной способности для мультимедиа трафика при меньших профильных скоростях этот трафик создает перегрузки в узлах сети.

Ключевые слова: оптическая транспортная сеть, мультисервисная сеть, кодовое разделение каналов, технология расширения спектра, ADSL, DSLAM, IP, MPLS.

Andrukhiv T.V. Improving optical multiservice networks using code division channels. - Manuscript.

Thesis, submitted in fulfillment of Ph.D. on speciality 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Odessa National Academy of Communications, nabbed by O.S. Popov. - Odessa, 2010

Work is dedicated to improving the efficiency of optical multiservice networks with code-division multiplexing. The paper proposed adaptive hybrid physical-channel architecture cluster at integrated optical transport network system for multi-access code using the multi-multiplexed channels. The synthesis architecture is designed as the light of basic parameters: a large capacity and ability to multiplex on different technologies and requirements analysis, functional systems flow distributed optical systems - focus on switching flows within a small cluster size.

Based on this approach was the model of a multiservice network, code-division system which allows to probably-time network settings. To analyze the selected object on the path decomposition of hierarchical levels.

The investigations showed that most delays occur in access network traffic profiling phases, the speed of 256 kbps is the lower limit of bandwidth for multimedia traffic at lower user profiled speeds this creates traffic congestion.

Key words: optical transport network, multiservice network, code division channels, expanding the range of technology, ADSL, DSLAM, IP, MPLS.

Размещено на Allbest.ru

...