Теоретичні основи забезпечення якості обслуговування при управлінні трафіком з використанням діакоптичних і тензорних моделей телекомунікаційних систем

Установлено, що застосування [NP, рщ]-моделі для розв'язання задач управління трафіком забезпечує підвищення продуктивності мережі в середньому на 10 - 20%, а також покращення якості обслуговування за середньою затримкою на 30 - 40%, за ймовірністю доставки пакетів на 5 - 8% у порівнянні з іншими багатошляховими стратегіями управління трафіком за тих же обсягів вільних ресурсів і вимогах трафіка до QоS (рис. 6), де М1 - М4 - потокові моделі ТКС, у межах яких задача управління сформульована як задача лінійного програмування з вартісною цільовою функцією (М1); задача квадратичного програмування (М2); задача Traffic engineering, формалізована у вигляді задачі мінімізації максимального коефіцієнта використання всіх ТП (М3); задача лінійного програмування з обмеженням на використання канальних ресурсів (М4). У межах [NP, рщ]-моделі, як демонструють результати експерименту, різниця між середнім і максимальним коефіцієнтами використання канальних ресурсів не перевищує 0,2, що свідчить про збалансоване розподілення мережних ресурсів. Крім того дана модель продемонструвала робастність стосовно коливань інтенсивності надходження трафіка (при 20…25%).

Рис. 6. Результати лабораторного дослідження тензорної [NP, рщ]-моделі ТКС (М5) у порівнянні з іншими потоковими моделями ТКС (М1) - (М4)

Встановлено, що підвищення якості обслуговування й продуктивності мережі при використанні тензорної [NP, рщ]-моделі в порівнянні з відомими рішеннями відбувається не за рахунок збалансованого використання мережних ресурсів, а завдяки рівності основних показників якості за множиною доступних маршрутів (балансування за якістю обслуговування) (рис. 7). Причому переваги тензорних моделей проявляються найбільшою мірою в умовах мереж з високою зв'язністю (кількість незалежних шляхів 4 і більше) і при високих вхідних навантаженнях с_м0,6.

Рис. 7. Середня затримка в окремих маршрутах для тензорної [NP, рщ]-моделі (а) та моделі М3

Показано, що використання оцінок кінцевих користувачів QоE під час розв'язання задач управління трафіком сприяє підвищенню продуктивності мережі в цілому. Підвищення продуктивності мережі за рахунок використання тензорної моделі QоE-класу найбільшою мірою проявляється у випадку трафіка з високими вимогами до якості обслуговування (80), складає у середньому 5 -7% відносно [NP, рщ]-моделі й спостерігається в умовах високих навантажень, коли під час використання моделей NP-класу задовольнити QоS-вимоги не є можливим. Завдяки використанню оцінок QоE в процесі управління трафіком забезпечується можливість динамічно перерозподіляти вимоги до показників NP (наприклад, для мовного трафіка збільшити припустиму середню затримку з 150 до 200 мс, але зменшити припустимий рівень втрат пакетів, з 3 до 2%) так, щоб результуюча якість на рівні QоE задовольняла користувачів (на рис. 8 оцінка R=83).

Рис. 8. Розширення області припустимих значень на площині -

З метою оцінки ефективності управління в межах запропонованих ієрархічних методів проведено їхнє дослідження із залученням результатів аналітичних розрахунків (Matlab) й імітаційного моделювання (пакет ТОТЕМ). Показано що запропоновані методи забезпечують зниження обсягів службового трафіка й час прийняття рішення, як мінімум, в 2 - 3 рази, а в середньому 4 - 6 разів у порівнянні з раніше відомими ієрархічно-координаційними методами маршрутизації. Це досягалося за рахунок того, що раніше відомі методи забезпечують отримання оптимального рішення шляхом ітераційних процедур, а в межах запропонованих методів рішення досягається безітераційно.

Виявлено, що запропонований дворівневий метод маршрутизації з під-тримкою якості обслуговування в багатооператорських мережах забезпечує підвищення продуктивності таких мереж відносно протоколу BGP у середньому на 20 - 27% (при с_м=0,6…0,8) і на 15 - 20% щодо інших ієрархічно-координаційних методів маршрутизації. Областю використання даного методу є багатооператорські мережі з високим ступенем міжмережної зв'язності, які функціонують в умовах високої завантаженості як підмереж, так і мережі в цілому (с_м0,6).

Застосування запропонованого методу адаптивного управління трафіком в ієрархічній ТКС, що перебуває під єдиним адміністративним керуванням, забезпечує підвищення продуктивності на величину 20-30% у порівнянні з існуючими протокольними рішеннями за рахунок введення тензорних QоS-обмежень та усунення невизначеностей відносно характеристик абонентського навантаження під час розв'язання задачі їх ідентифікації. Виявлено, що втрати продуктивності суттєво залежать від погрішності в оцінюванні обсягів абонентського навантаження, завантаженості мережі й інтервалу перерозрахунку змінних управління (рис. 9).

Рис. 9. Залежність втрат продуктивності () через погрішності в оцінюванні обсягів абонентського навантаження

Управління трафіком відповідно до запропонованого діакоптичного методу, як показали результати імітаційного моделювання, забезпечує покращення якості обслуговування, наприклад, зменшення середньої затримки, у порівнянні з раніше відомими рішеннями на величину 30 - 40% за рахунок тензорного характеру моделі. Запропоновано, за використання постійних метрик мережі в межах діакоптичного методу управління трафіком ввести градації метрик: для низкої, середньої й високої завантаженості мережі.

На основі результатів дослідження розроблених моделей і методів управління трафіком запропоновано науково-методичні рекомендації з їхнього використання в сучасних і перспективних пакетних мережах з підтримкою гарантованої якості обслуговування одночасно за швидкісними, часовими QоS-показ-никами і показниками надійності. Показано, що запропоновані методи повністю укладаються в архітектуру управління мережами NGN на основі потоку FSA і дозволяють організувати всі типи визначених рекомендаціями ІTU-T послуг (з резервуванням і без резервування ресурсів).

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну проблему, яка полягає в розробці теоретичних основ забезпечення якості обслуговування при реалізації динамічних і багатошляхових стратегій управління трафіком у мультисервісних телекомунікаційних системах на основі їх динамічних моделей у просторі станів, діакоптичних і тензорних моделей. За підсумками вирішення поставленої проблеми можна зробити такі висновки:

1. Встановлено, що центральне місце у функціональній архітектурі сучасної ТКС, яка побудована відповідно до концепції NGN і невід'ємним атрибутом якої є надання послуг із гарантованою якістю обслуговування, займають функції управління RACF. На основі аналізу існуючих протоколів і перспективних концепцій сформульовано вимоги до методів управління трафіком у сучасних ТКС, серед яких урахування мультисервісності, підтримка QоS одночасно за декількома показниками, збалансоване використання мережних ресурсів, узгоджене розв'язання задач маршрутизації, управління доступом і резервування ресурсів, масштабованість та ін., що у сукупності вимагає системного підходу до розв'язання задач управління.

2. Аналіз існуючих технологічних та теоретичних рішень щодо управління трафіком з підтримкою QоS вказав на необхідність перегляду покладених в їх основу математичних моделей в напрямку підвищення системності. З позицій висунутих вимог до управління трафіком проведено аналіз існуючих підходів до математичного моделювання ТКС, який показав, що перспективним способом управління трафіком в NGN є стратегія АММО в комбінації з описанням динаміки ТКС у просторі станів. Такий перехід від евристичних схем і статичних моделей до динамічного опису є необхідною умовою покращення якості синтезованого управління й підвищення ефективності функціонування системи в цілому. Показано, що подальший розвиток математичного моделювання ТКС з підтримкою QоS пов'язаний із застосуванням тензорних моделей, які поєднують у собі структурне і функціональне описання ТКС.

4. На основі аналізу відомих результатів сформульовано основні етапи тензорного моделювання ТКС і визначено можливі шляхи розвитку тензорних моделей, серед яких основними є введення нових типів просторів і систем координат, розширення переліку використовуваних метрик, розширення переліку мережних параметрів, що мають тензорну природу, перехід до мультитензорної інтерпретації математичних моделей ТКС, використання тензорних полів для описання динаміки ТКС, а також застосування діакоптики як засобу підвищення масштабованості отримуваних рішень.

5. З метою тензорного моделювання багатооператорських ТКС з нормуванням показників якості обслуговування в роботі розширено перелік координатних систем шляхом уведення нової ортогональної СК контурів і розрізів мережі, яка є узагальненням раніше відомої СК контурів і вузлових пар. Запропоноване рішення дозволяє оперувати нормованими показниками якості обслуговування, тобто показниками в межах окремих підмереж (дільниць однієї мережі, мереж різних операторів або доменів управління). Для диференціації показників якості обслуговування за множиною шляхів передачі трафіка, що важливо для передачі різнопріоритетних потоків, у роботі запропоновано ортогональну СК шляхів і внутрішніх розрізів мережі, яка є узагальненням раніше відомої СК шляхів і внутрішніх вузлових пар. Для розв'язання задач багатоадресного та широкомовного розсилання запропоновано неортогональну СК дерев.

6. З метою врахування самоподібного характеру мережного трафіка, пріоритетності і багатоканальності обслуговування, обмеженості буферного ресурсу в роботі запропоновано нові метрики, які вводяться в ході тензорного узагальнення математичних моделей ТКС, та які визначають метричні властивості простору, що пов'язаний з даною ТКС. Це дозволило, по-перше, підвищити адекватність опису процесу управління в межах тензорних моделей, по-друге, розширити перелік розв'язуваних мережних задач за рахунок більш повного урахування характеристик трафіка й функціональних особливостей мережі.

7. Запропоновано тензорну [NP, рщ]-модель ТКС, яка заснована на використанні системи координат контурів і розрізів мережі, що дозволило в умовах багатооператорських мереж оперувати не тільки міжкінцевими QоS-показниками, але й показниками в межах окремих ІSP (QоS-ІSP), що відповідає вимогам рекомендації Y.1542. Застосування [NP, рщ]-моделі ТКС забезпечує розв'язання задачі управління трафіком з нормуванням основних показників якості обслуговування (середньої затримки, джитера, рівня втрат пакетів) у багатооператорських мережах. За результатами лабораторного експерименту встановлено, що за рахунок використання тензорної [NP, рщ]-моделі вдається підвищити продуктивність мережі у середньому на 10 - 20%, знизити середню затримку передачі на 30 - 40% і підвищити імовірність доставки пакетів на 5 - 8% у порівнянні з іншими багатошляховими стратегіями управління трафіком. Областю її переважного застосування є мережі з високою зв'язністю (кількість незалежних шляхів 4 і більше ), що функціонують в умовах високих навантажень (с_м0,6).

8. У напрямку гарантованого забезпечення якості обслуговування за оцінками кінцевих користувачів в роботі вперше запропоновано тензорну модель ТКС QoE-класу. Згідно до рекомендацій ITU-T G.107, G.1070, G.1030 оцінки QоE є функціями міжкінцевих показників якості функціонування мережі, що дозволило в процесі управління трафіком динамічно перерозподіляти вимоги до показників NP (наприклад, збільшити припустиму середню затримку, але зменшити припустимий рівень втрат пакетів) так, щоб результуюча якість на рівні QоE задовольняла користувачів. Це дозволило реалізувати більш гнучке і повне урахування особливостей підтримки якості обслуговування для мовного трафіка, трафіків відеоконференцій і перегляду інформації в Web. Як показали результати моделювання, застосування тензорної моделі QoE-класу забезпечує додаткове підвищення продуктивності мережі відносно [NP, рщ]-моделі на 5 -7% особливо для трафіка з високими вимогами щодо якості обслуговування (80) та в умовах високого навантаження, коли за використання моделей NP-класу задовольнити QoS-вимоги не вбачається можливим.

9. Встановлено, що в умовах забезпечення якості обслуговування трафіка за декількома QоS-показниками, серед яких можна чітко виділити якийсь один найбільш критичний для даного типу трафіка (наприклад, затримку для мовного трафіка), перехід від двобазисних тензорних моделей до трибазисних сприяє подальшому підвищенню продуктивності ТКС. У зв'язку з цим в роботі запропоновану трибазисну тензорну [NP, рз-ге]-модель ТКС, яка дозволяє більш гнучко формувати QоS-обмеження для різних показників якості обслуговування відповідно до їхньої критичності для даного типу трафіка. Запропонована модель базується на одночасному використанні трьох систем координат: СК контурів і вузлових пар мережі разом з СК гілок для формування обмежень за найбільш критичним показником якості обслуговування, а СК шляхів і внутрішніх розрізів разом з СК гілок - для інших менш критичних QоS-показників.

10. З метою зниження обчислювальної складності практичної реалізації запропонованих в роботі тензорних моделей без суттєвого зниження точності отримуваних рішень були вперше отримані умови використання в їх межах афінних систем координат замість криволінійних шляхом апроксимації метрич-ного тензора постійним числом. Це означає отримання розв'язку мережної задачі в аналітичному вигляді (за умови афінних систем координат) замість застосування числових процедур пошуку (за умови криволінійних систем координат). Установлено, що основними факторами, які визначають адекватність таких дій, є структура доступних шляхів між заданою парою адресатів, їх пропускні здатності й поточний ступінь завантаження мережі. В цілому апроксимація метрик є припустимою (з розбіжністю до 5%) у випадках, коли всі до-ступні для передачі шляхи однакові як за пропускними здатностями, так і за кількістю переприйомів; коли обсяги вільних ресурсів дорівнюють подвоєному обсягу трафіка, що надходить (геодезична крива); коли сумарна завантаженість мережі близька до с_м0,5.

11. У роботі набув подальшого розвитку дворівневий метод управління трафіком з підтримкою QoS в багатооператорських мережах, в якому рішення про міжмережні маршрути приймається на основі встановленої між провайдерами угоди про порядок обробки транзитного трафіка та зафіксованих в SLS показників якості обслуговування, що гарантуються в мережі кожного провайдера. У межах запропонованого методу задача міжмережного управління сформульована як задача математичного програмування, у якій з метою підвищення масштабованості передбачається оперування агрегованими трафіками, а як вихідні дані використовується агрегована топологічна інформація (у вигляді SLS-топології). У цілому метод при розрахунках маршруту відповідає підходу «накопичення похибок» (Y.1542). Управління трафіком усередині підмереж організовано відповідно до концепції сервера маршрутів і багатошляхової динамічної маршрутизації, яка формалізована як задача оптимального управління в межах моделі ТКС у просторі станів. У цілому метод може бути класифікований як метод ієрархічної багатошляхової маршрутизації, головною перевагою якого є безітераційне визначення міжмережного маршруту, що відповідає міжкінцевим QоS-вимогам, разом з узгодженим розв'язанням задач маршрутизації, управління доступом і резервування ресурсів.

12. Для територіально-розподілених мереж, що знаходяться під єдиним адміністративним керуванням, в роботі набув подальшого розвитку дворівневий метод адаптивного управління трафіком, який базується на використанні декомпозиційного принципу послідовної координації й ідей адаптивного управління. Властивостями методу є: 1) допущення невизначеностей відносно характеристик абонентського навантаження, які усуваються під час розв'язання задачі ідентифікації; 2) введення сервера маршрутів мережі, на який покладаються функції координації дій підмереж, формалізовані у вигляді задачі адаптації другого рівня, за рахунок чого досягається узгоджене управління в межах окремих підмереж; 3) висока масштабованість, яка забезпечується за рахунок декомпозиційного розв'язання вихідної задачі, використання агрегованої топологічної інформації під час розв'язання задачі управління верхнього рівня та однієї ітерації в процесі взаємодії серверів маршрутів різних рівнів.

13. З метою розширення області застосування тензорних моделей у роботі вперше запропоновано діакоптичну тензорну модель територіально-розподіленої гетерогенної ТКС, засновану на декомпозиційному поданні структури мережі й використанні принципів діакоптики. У межах діакоптичної моделі технологічна різнорідність підмереж визначала типи метричних просторів, що вводяться для описання підмереж в ході геометризації їх структурно-функціонального подання. Простір, що пов'язується з ТКС у цілому, утворюється шляхом об'єднання просторів підмереж. На основі запропонованої діакоп-тичної моделі отримано умови забезпечення якості обслуговування «з кінця в кінець», за підмережами, з диференціацією QоS-показників за множиною доступних шляхів, що досягається за рахунок використання різних типів базисів та реалізації різних способів еквівалентного подання підмереж.

14. На основі розробленої діакоптичної тензорної моделі в роботі вперше запропоновано метод управління трафіком у гетерогенній ТКС з підтримкою QоS, в якому результуюче рішення щодо управління трафіком у мережі формується на основі безітераційного об'єднання результатів розрахунків для окремих підмереж та може бути отримано в аналітичному вигляді. Висока масштабованість управління в межах запропонованого методу забезпечується за рахунок реалізації ієрархічного управління та низької інерційності процесу формування рішення завдяки зниженню обсягів службового навантаження, обумовлених кількістю ітерацій у взаємодії серверів управління різних рівнів.

15. Адекватність тензорних моделей ТКС і ефективність управління, побудованого на їхній основі, були підтверджені результатами аналітичного (з використанням Matlab), імітаційного (з використанням пакета ТОТЕМ) моделювання і лабораторного експерименту (з використанням обладнання Cisco Systems). Так для тензорних моделей розбіжність між результатами лабораторного експерименту та аналітичних розрахунків складала в середньому 4 - 9%. На користь адекватності запропонованих тензорних моделей свідчить ще й те, що отримані за їх допомогою рішення не суперечили раніше відомим результатам.

16. Результати експериментального дослідження показали, що під час розв'язання задач управління трафіком у мережі з гарантованою якістю обслуговування умова збалансованого використання мережних ресурсів не є достатньою, «сильнішою» є вимога рівності основних показників якості по множині доступних маршрутів (балансування за якістю обслуговування). Причому доцільно дану вимогу застосовувати не до всіх, а тільки до одного, найбільш критичного QоS-показника.

17. Встановлено, що областю використання запропонованих тензорних моделей та ієрархічних методів управління трафіком є сучасні й перспективні пакетні мережі з підтримкою гарантованої якості обслуговування одночасно за швидкісними, часовими QоS-показниками та показниками надійності особливо в умовах високої завантаженості як підмереж, так і мережі в цілому (0,6 і вище). Використання запропонованих методів управління трафіком дозволяє підвищити продуктивність в середньому 20 - 30% залежно від структури мережі, її завантаженості та вимог щодо якості обслуговування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Евсеева О.Ю. Потоковая модель процесса маршрутизации с гарантированным качеством обслуживания / О.Ю. Евсеева, А.В. Лемешко, А.А. Кравчук // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2004. - Вып. 138. - С. 32 - 37.

2. Беленков А.Г. Метод распределения нагрузки в иерархических телекоммуникационных сетях на базе декомпозиционных принципов предсказания взаимодействий и целевой координации / А.Г. Беленков, О.Ю. Евсеева, А.В. Ле-мешко // Праці УНДІРТ. - 2005. - № 2 (42). - С. 11 - 16.

3. Евсеева О.Ю. Распределение нагрузки в иерархических телекоммуникационных сетях декомпозиционным методом / О.Ю. Евсеева, А.Г. Беленков, С.В. Алексеев // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 142. - С. 63 - 70.

4. Лемешко А.В. Методика выбора независимых путей с определением их количества при решении задач многопутевой маршрутизации / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, О.А. Дробот // Праці УНДІРТ. - 2006. - Вип. №4 (48). - С. 69-73.

5. Лемешко А.В. Игровая трактовка задачи иерархическо-координационной маршрутизации в территориально-распределенной телекоммуникационной системе / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, Д.В.Симоненко // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2006. - Вып. 144. - С. 251 - 257.

6. Лемешко А.В. Реструктуризация телекоммуникационной системы в условиях неопределенности ее стационарного состояния / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, О.В. Копейка [и др.] // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2007. - Вып. 148. - С. 15 - 27.

7. Лемешко А.В. Модифицированный метод целевой координации задач управления сетевыми ресурсами в территориально-распределенных телекоммуникационных системах / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, Д.В. Симоненко // Наукові записки УНДІЗ. - 2007. - № 2. - С. 22 - 32.

8. Евсеева О.Ю. Мультиструктурная модель и метод управления в самоорганизующейся телекоммуникационной сети / О.Ю. Евсеева // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2007. - Вып. 151. - С. 98 - 105.

9. Лемешко О.В. Управління телекомунікаційною системою, що самоорганізується, в умовах невизначеності її стаціонарного стану / О.В. Лемешко, О.Ю. Євсєєва, О.В. Старкова // Моделювання та інформаційні технології: зб. наук. праць. - 2007. - Вип. 42. - С. 142 - 150.

10. Евсеева О.Ю. Метод координации управления сетевыми ресурсами, основанный на анализе устойчивости иерархических телекоммуникационных систем / О.Ю. Евсеева, Д.В.Симоненко, Е.В. Старкова // Вісник ДУІКТ. - 2008. - Том 6 (2). - С. 170 - 177.

11. Лемешко А.В. Категориально-тензорное представление телекоммуникационной системы / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, А.В. Чечуй // Наукові записки УНДІЗ. - 2008. - № 2 (4). - С. 3 - 15.

12. Евсеева О.Ю. Тензорная модель гарантированного обеспечения нормированных показателей качества обслуживания в ТКС / О.Ю. Евсеева // Наукові записки УНДІЗ. - 2008. - № 3 (5). - С. 71 - 81.

13. Лемешко О.В. Модель динамічного балансування мережних ресурсів у телекомунікаційній мережі / О.В.Лемешко, О.Ю. Євсєєва, Д.В. Симоненко // Системи обробки інформації. - 2008. - Вип. 5 (72). - С. 71 - 74.

14. Лемешко А.В. Метод иерархического управления ресурсами телекомму-

никационной сети с апериодической координацией по условиям обеспечения качества обслуживания / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, Д.В.Симоненко [и др.] // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2008. - Вып. 154. - С. 156 -166.

15. Євсєєва О.Ю. Метод секвенційного управління мережними ресурсами в розподілених ієрархічних телекомунікаційних мережах / О.Ю. Євсєєва // Моделювання та інформаційні технології: зб. наук. праць. - 2008. - Вип. 49. - С. 226 - 233.

16. Евсеева О.Ю. Обеспечение гарантированного качества обслуживания в сетях NGN с использованием оценок конечных пользователей / О.Ю. Евсеева // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2008. - Вып. 155. - С. 54 - 71.

17. Евсеева О.Ю. Метод адаптивного управления сетевыми ресурсами в условиях неопределенности характеристик трафика / О.Ю. Евсеева // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2009. - Вып. 156. - С. 20 - 27.

18. Поповский В.В. Динамическое управление ресурсами ТКС: математические модели в пространстве состояний / В.В. Поповский, А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева // Наукові записки УНДІЗ. - 2009. - № 1 (9). - С. 3 - 26.

19. Евсеева О.Ю. Метод адаптивного управления ресурсами иерархической телекоммуникационной сети / О.Ю. Евсеева // Прикладная радиоэлектроника. - 2009. - Том 8, № 2. - С. 162 - 172.

20. Евсеева О.Ю. Исследование метрических свойств тензорных моделей при решении сетевых задач / О.Ю. Евсеева // Моделювання та інформаційні технології: зб. наук. праць. - 2009. - Вип. 54. - С. 81 - 94.

21. Евсеева О.Ю. Классификация пространств и базисов, используемых при геометрическом описании структуры телекоммуникационной сети / О.Ю. Евсеева // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2009. - Вып. 159. - С. 14 - 19.

22. Лемешко А.В. Тензорная геометризация структурно-функционального представления телекоммуникационной системы в базисе межполюсных путей и внутренних разрезов / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева // Наукові записки УНДІЗ. - 2010. - Вип. 1(13). -С. 14 - 26.

23. Евсеева О.Ю. Диакоптическое обобщение тензорной модели телекоммуникационной сети / О.Ю. Евсеева // Системи обробки інформації. - 2010. - Вип. 2 (83). - С. 84 - 91.

24. Лемешко А.В. Двухуровневый метод маршрутизации с поддержкой качества обслуживания в многооператорских сетях NGN / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, Д.В. Агеев // Збірник наукових праць Харківського університету повітряних сил. - 2010. - Вип. 1 (23). - С. 83 - 89.

25. Поповский В.В. Тензорная модель адаптивной фрагментации (дефрагментации) пакетов в транзитных узлах телекоммуникационной сети при решении задач многопутевой маршрутизации / В.В. Поповский, А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева // Теория и техника передачи, приема и обработки информации: 10-я Междунар. конф.: тезисы докл. - Харьков: ХНУРЭ, 2004. - С. 101 - 102.

26. Лемешко А.В. Сравнительный анализ моделей многопутевой маршрутизации в мультисервисных телекоммуникационных сетях / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева, В.Н. Руденко, [и др.] // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: 2-й Междунар. радиоэлектронный форум: сб. науч. трудов. Том IV. - Х.: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2005. - С. IV-20 - IV. 22.

27. Євсєєва О.Ю. Застосування ієрархічно-координаційних методів для оптимізації управління в територіально-розподілених телекомунікаційних мережах військового призначення / О.Ю. Євсєєва, О.Г. Бєлєнков // Перша науково-технічна конференція Харківського університету Повітряних сил, 16 - 17 лютого 2005 р.: тези доповідей. - Харьков: ХУПС, 2005. - С. 228.

28. Лемешко А.В. Определение количества независимых путей при решении задач многопутевой маршрутизации / А.В. Лемешко, О.Ю. Евсеева // Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития: междунар. конф., 3-6 окт. 2006 г.: сб. материалов. - Х.: ХНУРЭ, 2006. - С. 381 - 382.

29. Лемешко О.В. Динамічна модель управління мережними ресурсами при невизначеності стану телекомунікаційних систем / О.В. Лемешко, О.Ю. Євсєєва, О.В. Старкова // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ- 2007: 3-я Междунар. научн.-техн. конф., 16-24 апр. 2007 г.: сб. материалов конференции. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. - С. 35.

30. Гоголева М.А. Модель маршрутизации с обоснованным ограничением количества используемых путей / М.А. Гоголева, С.Н. Горяева, О.Ю.Евсеева // Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании: ХІІ Всерос. науч.-техн. конф.: сб. материалов. - Рязань, 2007. - С. 151 - 153.

31. Евсеева О.Ю. Управление самоорганизующейся ТКС в условиях нестационарной неопределенности ее состояния / О.Ю. Евсеева // Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку: 2-а Міжнар. наук. конф., 2 - 5 окт. 2007 р.: зб. матеріалів конференції. - Х: ХНУРЕ, 2007. - С. 119 - 120.

32. Евсеева О.Ю. Обеспечение устойчивости телекоммуникационных систем в рамках теории катастроф / О.Ю. Евсеева, Е.В. Старкова, Д.В. Симоненко // Перспективные технологии в средствах передачи информации ПТСПИ'2007: VII Междунар. науч.-техн. конф., 10 - 12 окт. 2007 г.: сб. материалов конференции. - Владимир: РОСТ, 2007. - С. 64 - 67.

33. Євсєєва О.Ю. Принципи секвенційного управління в ієрархічних телекомунікаційних мережах / О.Ю. Євсєєва // Сучасні проблеми телекомунікацій: наук.-практ. конф., 29 - 30 жовтня 2008 р.: зб. матеріалів конференції. - Львів, 2008. - С. 33 - 36.

34. Евсеева О.Ю. Модель реструктуризации телекоммуникационной сети в условиях неопределенности ее состояния / О.Ю. Евсеева, Е.В. Старкова, А.Г. Беленков // Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.: 11-й Міжнар. молодіжний форум, 10 - 12 апр. 2007 р.: зб. матеріалів форуму, Ч. 1.- Харків: ХНУРЕ, 2007. - С. 102.

35. Євсєєва О.Ю. Координація управління мережними ресурсами на основі аналізу стійкості ієрархічних телекомунікаційних систем / О.Ю.Євсєєва, О.В. Старкова, Д.В. Симоненко // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2008: 4-я Междунар. молодежная науч.-техн. конф.: сб. материа-

лов конференции. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2008. - С. 46.

36. Gogolieva M., Flow Based Mathematical Models At Multipath Routing /

Maryna Gogolieva, Oksana Yevsyeyeva // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET'2008: the international Conference, Feb. 19 - 23, 2008: Proceedings of the Conference. - Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic, 2008. - Р. 72.

37. Евсеева О.Ю. Пространства координат и их базисы в тензорном анализе телекоммуникационных сетей / О.Ю. Евсеева // Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития: 3-й Междунар. радиоэлектронный форум, 22 - 24 окт. 2008 г.: сб. науч. трудов., Том II. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2008. - С. 76 - 79.

38. Евсеева О.Ю. Реализация адаптивного подхода к управлению сетевыми ресурсами в условиях неопределенности характеристик трафика / О.Ю. Евсеева // Перспективные технологии в средствах передачи информации ПТСПИ'2009: VIII Междунар. науч.-техн. конф., 21 - 22 мая 2009 г.: сб. материалов конференции. - Владимир, 2009. - С. 97-101.

39. Yevsyeyeva O. Diakoptical Approach in Telecommunication Engineering / Oksana Yevsyeyeva // Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET'2010: the international Conference, Feb. 23 - 27, 2010: Proceedings of the Conference. - Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic, 2010. - Р. 29.

40. Евсеева О.Ю. Диакоптический подход в тензорном моделировании телекоммуникационных сетей / О.Ю. Евсеева // Наукові технології в телекомунікаціях: III-й Міжнар. наук.-техн. симпозіум, 2 - 5 лютого 2010 р.: зб. тез. - К.: ДУІКТ, 2010. - С.74 - 76.

41. Евсеева О.Ю. Тензорная модель QoE-маршрутизации в IP-сети / О.Ю. Евсеева, К.В. Коробко // Комп'ютерне моделювання в наукоємних технологіях КМНТ-2010: наук.-техн. конф.: зб. наук. праць. - Харків, 2010. - С. 100 - 103.

42. Пат. 49641 Україна, МПК (2009) G06G 3/00. Спосіб керування чергами для забезпечення стійкості ТСР-сеансу в умовах лінійної моделі блокування пакетів/ Лемешко А.В., Старкова О.В., Євсєєва О.Ю.; власник Харківський національний університет радіоелектроніки. - № u 2009 09992; заявл. 01.10.2009; опубл. 11.05.2010, Бюл. № 9.

АНОТАЦІЯ

Євсєєва О.Ю. Теоретичні основи забезпечення якості обслуговування при управлінні трафіком з використанням діакоптичних і тензорних моделей телекомунікаційних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи і мережі. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010.

Робота присвячена розробці теоретичних основ забезпечення якості обслуговування при реалізації динамічних і багатошляхових стратегій управління трафіком у мультисервісних телекомунікаційних системах на основі їх динаміч-них моделей у просторі станів, діакоптичних і тензорних моделей. На основі аналізу відомих результатів сформульовано основні етапи тензорного моделювання ТКС і визначено можливі шляхи розвитку тензорних моделей, в межах яких в роботі розширено перелік координатних систем, введено нові метрики, запропоновано трибазисний підхід. Запропоновано нові тензорні моделі, за допомогою яких отримано, по-перше, умови забезпечення якості обслуговування для багатооператорських мереж, по-друге, умови забезпечення якості обслуговування за оцінками QoE. Отримані умови знаходять застосування в межах запропонованих ієрархічних методів управління трафіком з точки зору його маршрутизації, а також управління канальними та буферними ресурсами. Розроблено діакоптичну тензорну модель, яку покладено в основу відповідного методу управління трафіком.

Ключові слова: телекомунікаційна система, гарантована якість обслуговування, управління трафіком, багатооператорська мережа, модель в просторі станів, тензорна модель, діакоптика.

ABSTRACT

Yevsyeyeva O. Yu. Theoretical bases of quality of service providing in the traffic control with use diakoptical and tensor models of telecommunication systems. - Manuscript.

Dissertation for the doctor's degree of technical science in a specialty 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Kharkiv National University of Radio and Electronics, Kharkiv. 2010.

The dissertation is devoted to the research of theoretical bases for providing quality of service in the implementation of dynamic strategies and multipath traffic control in the multiservice telecommunication systems (TCS) based on their dynamic models in state space, diakoptical and tensor models. On the basis of analysis of known results, the main stages of the tensor modeling TCS are formulated and possible ways of tensor models development are identified. The list of coordinate systems is extended, new metrics are introduced, three-basis approach is proposed. A new tensor models are offered; these models are used to obtain of quality of service of providing conditions for multioperator networks, and to obtain of quality of service of providing conditions on the QoE level. Obtained conditions can be implemented in the framework of the offered hierarchical methods of traffic control that solves problem of the routing, channel and buffer resources allocation. Diakoptical tensor model is offered; the model is assumed as basis of correspond traffic control method.

Keywords: telecommunication system, guaranteed quality of service, traffic control, multioperator network, model in state space, tensor model, diakoptics.

АННОТАЦИЯ

Евсеева О.Ю. Теоретические основы обеспечения качества обслуживания при управлении трафиком с использованием диакоптических и тензорных моделей телекоммуникационных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

Работа посвящена разработке теоретических основ обеспечения качества обслуживания при реализации динамических и многопутевых стратегий управления трафиком в мультисервисных телекоммуникационных системах (ТКС) на основе их динамических моделей в пространстве состояний, диакоптических и тензорных моделей.

На основании анализа существующих протоколов и перспективных концепций в рамках архитектуры NGN были сформулированы требования к методам управления трафиком с поддержкой QоS, которые в совокупности нацеливают на применение системного подхода к решению задач управления в современных ТКС. С этих позиций был произведен анализ известных технологических и теоретических решений в этой области, который указал на целесообразность применения при разработке перспективных методов управления трафиком стратегии АММО (Assess, Monitor, Manage, Optimize) в сочетании с описанием динамики ТКС в пространстве состояний и тензорных моделей, которые объединяют в себе структурное и функциональное описание сети.

На основе анализа известных результатов сформулированы основные этапы тензорного моделирования и определены пути его развития, среди которых основными являются введение новых типов пространств и систем координат (СК), расширение перечня используемых метрик, расширение перечня сетевых параметров, которые имеют тензорную природу, переход к мультитензорной интерпретации математических моделей ТКС, использование тензорных полей для описания динамики ТКС, а также применение диакоптики как средства повышения масштабируемости получаемых решений.

В рамках первого среди перечисленных направлений были введены СК контуров и разрезов сети и СК путей и внутренних разрезов, представляющие собой обобщения ранее известных результатов, а также новая СК деревьев, что в совокупности позволило расширить перечень решаемых в рамках тензорных моделей ТКС прикладных задач. В рамках второго направления с целью учета самоподобного характера сетевого трафика, приоритетности и многоканальности обслуживания, ограниченности буферного ресурса в работе предложены новые метрики связываемого с ТКС метрического пространства.

В работе предложена тензорная [NP, рщ]-модель ТКС, основанная на использовании СК контуров и разрезов сети, что позволило в условиях многооператорских сетей оперировать не только межконцевыми QоS-показателями, но и показателями в рамках отдельных операторов. Как следует из результатов лабораторного эксперимента, использование тензорной [NP, рщ]-модели обеспечивает повышение производительности сети в среднем на 10 - 20%, снижение средней задержки передачи на 30 - 40%, повышение вероятности доставки пакетов на 5 - 8% по сравнению с другими многопутевыми стратегиями управления трафиком.

В направлении гарантированного обеспечения качества обслуживания по оценкам конечных пользователей в работе впервые предложена тензорная модель ТКС QоE-класса. Это позволило реализовать более гибкий и полный учеты особенностей поддержки качества обслуживания для речевого трафика, трафика видеоконференций и просмотра информации в Web. Применение тензорной модели QоE-класса обеспечивает дополнительное повышение производительности сети относительно [NP, рщ]-модели на 5 - 7% особенно для трафика с высокими требованиями относительно качества обслуживания (80) и в условиях высокой нагрузки.

Установлено, что в условиях обеспечения качества обслуживания по нескольким QoS-показателям, среди которых можно четко выделить какой-либо один наиболее критичный для данного типа трафика (например, задержку для речевого трафика), переход от двухбазисных тензорных моделей к трехбазисным содействует дальнейшему повышению производительности ТКС.

С целью обеспечения масштабируемых управленческих решений в работе предложены иерархические и диакоптические модели ТКС и методы управления трафиком с поддержкой QоS. Все предложенные методы обеспечивают снижение объемов служебного трафика и время принятия решения как минимум в 2 - 3 раза, а в среднем 4 - 6 раз по сравнению с ранее известными иерархическо-координационными методами. При этом в рамках двухуровневого метода управления трафиком с поддержкой QoS в многооператорских сетях задача межсетевого управления рассматривалась как задача QoS-маршрутизации агрегированного трафика на SLS-топологии, а внутри подсетей как задача маршрутизации, управления канальными и буферными ресурсами с поддержкой QоS. Отличительной особенностью двухуровневого метода адаптивного управления трафиком является допущение неопределенностей относительно характеристик абонентского трафика, которые устраняются в ходе решения соответствующей задачи адаптации. В рамках диакоптического метода решение задачи управления трафиком представимо в аналитическом виде без потерь в его качестве.

Адекватность тензорных моделей ТКС и эффективность управления, построенного на основе предлагаемых методов, были подтверждены результатами аналитического (с использованием Matlab), имитационного с использованием пакета ТОТЕМ) моделирования и лабораторного эксперимента (с использованием оборудования Cisco Systems). Установлено, что областью применения предложенных моделей и методов управления трафиком являются современные и перспективные пакетные мультисервисные сети с поддержкой гарантированного качества обслуживания одновременно по временным, скоростным и надежностным QоS-показателям, особенно в условиях высокой загруженности как подсетей, так и сети в целом (0,6 и выше). Применение предложенных методов управления трафиком позволяет повысить производительность в среднем на 20 - 30% в зависимости от структуры сети, ее загруженности и требований к качеству обслуживания.

Ключевые слова: телекоммуникационная система, гарантированное качество обслуживания, управление трафиком, многооператорская сеть, модель в пространстве состояний, тензорная модель, диакоптика.

Размещено на Allbest.ru