Оптимізація телекомунікаційних мереж за критеріями якості послуг

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Оптимізація телекомунікаційних мереж за критеріями якості послуг

Кирик Мар'ян Іванович

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Тимченко Олександр Володимирович, Національний університет "Львівська політехніка", професор 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

Турупалов Віктор Володимирович,

Донецький Національний технічний університет, доцент кафедри автоматики і телекомунікацій

Захист дисертації відбудеться 27 лютого 2009 р. о 12.00 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 20 січня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент А.Г. Ложковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Загальна тенденція розвитку інформаційного суспільства, як нового етапу в розвитку людства, на якому інформаційні та телекомунікаційні технології стають базовими, вимагає нових підходів до надання послуг в телекомунікаційних мережах (ТКМ).

Зростання конкуренції на ринку телекомунікації, розширення спектру послуг, інфраструктури та постійно зростаючі об'єми трафіку спонукають до вирішення задач оптимізації ТКМ для підвищення якості послуг, що надаються.

Невпинне зростання потоків інформації приводить до постійної модернізації інформаційних мереж, як в частині обладнання вузлів мережі, так і постійного розширення пропускних здатностей каналів передачі для зростаючого обсягу мультимедійного трафіку та забезпечення його якості. Збільшення трафіку реального часу (голос, відео) створює ряд проблем та вимагає застосування нових алгоритмів оптимізації, протоколів управління і відповідно іншого обладнання. Детальний аналіз вказаних проблем, оптимізація і налаштування використовуваного обладнання ТКМ може забезпечити зростаючі вимоги. При цьому витрати на проведення таких робіт значно нижчі від можливих затрат на закупівлю та встановлення нового телекомунікаційного обладнання.

Протягом останніх років ведуться інтенсивні розробки в області оптимізації ТКМ за різними критеріями і забезпечення параметрів якості в процесі доставки даних, в т.ч. мультимедійних. Серед вчених, які вирішували окремі задачі в цій області, можна назвати таких відомих зарубіжних та вітчизняних вчених: S. Blake, D. Grossman, Z. Wang, Іванов А.Б., Вишневський В.М., Стеклов В.К., Захарченко М.В., Беркман Л.Н., Поповський В.В., Лемешко О.В., Тимченко О.В. та ін. Проте, основна задача отримання оптимальних параметрів мережі при заданій якості послуг та існуючих обмеженнях на обладнання, незважаючи на велике число публікацій відомих вчених і зусилля фірм-виробників телекомунікаційного обладнання, до кінця ще не вирішена і є актуальною.

Вирішення задач оптимізації за критеріями якості наданих послуг є складовою частиною для подальшого розвитку методів оптимізації ТКМ, оскільки забезпечення якості послуг є найважливішою та найскладнішою проблемою в телекомунікаціях, адже саме за допомогою показників якості оцінюється ступінь задоволення споживачів цих послуг.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Робота виконувалась в рамках держбюджетної теми кафедри “Телекомунікації” Національного університету “Львівська політехніка” “Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних”, номер державної реєстрації 0103U004644, 2003-2005 рр.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено в навчальний процес кафедри “Телекомунікації” Національного університету „Львівська політехніка” в лекційному курсі та лабораторному практикумі з дисциплін “Телекомунікаційні мережі”, “Інформаційні технології”, “Операційні системи телекомунікаційних мереж”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження методів оптимізації телекомунікаційних мереж за критеріями якості надаваних послуг при передачі мультимедійного трафіку з максимальним використанням ресурсів мереж.

Досягнення поставленої мети здійснюється вирішенням таких завдань:

визначення співвідношення між характеристиками телекомунікаційних мереж та параметрами якості наданих послуг при передачі мультимедійного трафіку;

розробка та дослідження математичної моделі оптимізації обладнання у вузлах телекомунікаційної мережі при заданій якості наданих послуг за критерієм максимального використання мережевих ресурсів;

розробка методів оптимізації трафіку в телекомунікаційних мережах з використанням технології диференціального обслуговування для підвищення продуктивності роботи мереж; телекомунікаційний мережа якість трафік

розробка та реалізація алгоритмів керування багатоадресною передачею із заданою якістю послуг для забезпечення рівномірного завантаження каналів зв'язку.

Об'єкт дослідження: забезпечення якості послуг в телекомунікаційній мережі.

Предмет дослідження: методи та моделі оптимізації телекомунікаційних мереж для отримання заданої якості послуг.

Методи дослідження: методи лінійного програмування, лінійної та нелінійної оптимізації для розробки та дослідження математичної моделі оптимального розміщення обладнання телекомунікаційної мережі при заданій якості наданих послуг, теорії масового обслуговування, методи математичної статистики та стохастичної оптимізації для перевірки адекватності отриманих результатів реальним даним.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

Визначено та обґрунтовано характеристики якості при передачі мультимедійного трафіку на основі системного аналізу критеріїв якості надання послуг в телекомунікаційних мережах.

Набули подальшого розвитку методи оптимізації трафіку в телекомунікаційних мережах на основі заданого класу обслуговування та механізмів диференціального сервісу для підвищення продуктивності роботи мережі з врахуванням завантаженості кожного маршруту та забезпечення заданої якості.

Вперше розроблено та досліджено математичні моделі для підвищення продуктивності роботи мережі та максимального використання мережевих ресурсів на основі механізмів диференціального сервісу та оптимального розміщення обладнання.

Вдосконалено розв'язок задачі оптимізації мультисервісної мережі за критеріями заданої якості послуг та максимізації пропускної здатності, для мінімізації затрат обладнання в залежності від рівня якості та очікуваної кількості споживачів.

Проведено дослідження та оптимізацію діючих мереж провайдерів мультимедійних послуг за описаними критеріями на основі розробленого програмного продукту та запропонованих методів оптимізації телекомунікаційних мереж.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблені методи оптимізації мереж дозволяють забезпечити задану якість послуг при передачі трафіку даних та мультимедійного трафіку і загалом підвищують ефективність використання обладнання та каналів передачі телекомунікаційних мереж.

Застосування розроблених моделей забезпечує оптимальний розподіл ресурсів телекомунікаційних мереж на етапі проектування мережі без виконання трудомістких операцій по налагодженню та введенні в експлуатацію реального обладнання. Наукові результати та розроблені в дисертаційній роботі моделі дозволяють проаналізувати існуючі мережі на предмет максимально можливого використання їх ресурсів, що дозволяє прогнозувати та оптимізувати їх розвиток в найближчій та віддаленій перспективі. Отримані результати використовуються на мережах операторів та провайдерів: Львівського ДП “Фарлеп”, ТзОВ Телекомунікаційна компанія “Телком”, ВК “Кримтел”, ВКФ “Системи”, ЛФ ВАТ “Укртелеком”.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в самостійному отриманні основних наукових результатів, експериментальних досліджень та апробації результатів. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить: аналіз критеріїв та обґрунтування оцінок якості послуг в мультисервісних телекомунікаційних мережах [4, 14], визначення основних критеріїв оцінки ефективності роботи, які впливають на якість роботи телекомунікаційної мережі та дозволяють здійснити оптимізацію мережі для забезпечення заданих показників якості [1, 16, 19], розробка математичної моделі оптимізації обладнання у вузлах мережі при заданій якості послуг [2, 6], дослідження застосування моделі для оптимізації кількості обладнання на мережі провайдера мультимедійних послуг [7], методика використання програмних засобів для моделювання та оптимізації телекомунікаційних мереж [3, 10, 18], розробка моделі для оптимізації та регулювання трафіку, що враховує завантаженість маршрутів та задану якість обслуговування [5, 13, 17], метод мінімізації затрат при наданні телекомунікаційних послуг, що дозволяє визначити оптимальний розподіл мережевої пропускної здатності при наданні послуг із заданою якістю обслуговування [9], дослідження співвідношення вхідного та вихідного трафіку Інтернет-вузла [11, 20], аналіз механізму регулювання трафіку для зменшення навантаження у періоди перевантаження каналу передачі інформації [12], аналіз використання Java-технології та визначення вимог до каналу зв'язку при використанні даної технології [15].

Апробація результатів.

Основні результати досліджень були представлені і всебічно обговорені на науково-технічних конференціях:

VII Міжнародна науково-практична конференція “Системы и средства передачи и обработки информации”, 2-7 вересня 2003р., Одеса.

ХХIII, ХХVI, ХХVII Міжнародних науково-технічних конференціях “Моделювання”, 2004 р., 2007 р., 2008 р., Київ.

Науково-методична конференція “Підготовка фахівців в галузі телекомунікацій і болонський процес”, 20-23 жовтня 2004 р., Львів.

Науково-методична конференція “Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій 2007”, 17-20 жовтня 2007 р., Львів,

Науково-практичні конференції “Сучасні проблеми телекомунікацій”, 2004р., 2005 р., 2006 р., Львів.

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано в

20 наукових працях, з них 11 у фахових виданнях згідно переліку ВАК України, 9 - у матеріалах науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел (141 найменування) та 3 додатків. Загальний обсяг роботи 170 сторінок, з яких основний текст 132 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дослідження та розробки методів і моделей оптимізації телекомунікаційних мереж для передачі мультимедійного трафіку із заданою якістю. Вказано на зв'язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Подані дані про особистий внесок автора, апробацію результатів роботи та публікації.

В першому розділі - «Системний аналіз критеріїв якості надання послуг в телекомунікаційних мережах» - проведено огляд стану проблеми, виконано системний аналіз поняття якості згідно рекомендацій ITU-T на основі проведеної класифікації якості послуг по доставці різних видів трафіку: даних, мультимедійного (аудіо, відео, IPTV, дистанційне навчання, мережні ігри), реального часу. Відповідно до рекомендації ITU-T E.800, якість послуг (QoS - Quality of Service), це сукупність специфічних параметрів, що відносяться до внутрішньої структури мережі та обумовлюють якість її роботи і характеризують споживчі властивості послуги в термінах, зрозумілих користувачам.

Уся сукупність характеристик якості обслуговування і функціонування мережі поділяється на дві категорії:

первинні - визначені шляхом прямого спостереження в точці доступу до послуги і відносяться до певного моменту часу;

похідні - визначенні на підставі одного або декількох первинних атрибутів або усереднені за деякий інтервал часу.

Керуючі впливи системи керування по забезпеченню QoS зводяться до структурування інформаційних потоків і визначенню алгоритмів обробки кожного виду трафіку у вузлах комутації. Розподіл ресурсів вузлів комутації виробляється за допомогою різних алгоритмів буферизації пам'яті і призначення пріоритетів для організації черг пакетів і визначення порядку їхньої обробки.

У середовищі IP можна реалізувати два механізми QoS :

абсолютний механізм QoS, що резервує ресурси вузлів мережевої інфраструктури і гарантує відповідність параметрів трафіку заданій якості;

релевантний (відносний або порівняльний) механізм QoS, заснований на структуруванні інформаційних потоків за допомогою пріоритетів, що дозволяють агрегувати інформаційні потоки з близькими вимогами по якості в обмежений набір класів (CoS), що ділять мережеві ресурси між собою відповідно до призначених їм пріоритетів.

Відповідно, для IP середовища існують дві основні моделі організації QoS при датаграмній маршрутизації трафіку в мережі: Integrated Services (IntServ) і Differentiated Services (DiffServ). IntServ використовує протокол Resource Reservation Protocol (RSVP), який є протоколом сигналізації, що може використовуватися в режимі інкапсуляції в заголовок User Data Protocol (UDP) або Transmission Control Protocol (TCP) для резервування мережевих ресурсів між RSVP вузлами.

DiffServ визначає метод структурування трафіка по класах сервісу CoS з відповідними пріоритетами. Він використовує поле типу сервісу в заголовку IP-пакета (DS byte) для визначення алгоритму його транспортування від вузла до вузла мережі. Така схема, на відміну від IntServ, не вимагає витрат часу на попереднє визначення параметрів транспортування трафіка по маршруту проходження інформаційного потоку.

Показано, що механізми IntServ забезпечують необхідну якість обслуговування додатків реального часу, проте вимагають більшого обсягу буфера і смуги пропускання, ніж механізми диференціального сервісу Diffserv.

Таким чином, більш ефективним методом транспортування даних є механізми диференціального сервісу зі структуруванням трафіка по класах сервісу CoS і відповідними пріоритетами.

Проте задача отримання заданої якості послуг та оптимальних параметрів мережі до кінця ще не вирішена оскільки динамічний характер мультимедійних послуг ускладнює можливість прогнозування необхідних мережевих ресурсів для забезпечення QoS.

В другому розділі - «Моделі якості послуг в телекомунікаційних мережах» - визначено три основні стадії надання послуги, якість виконання кожної з яких дає сумарну якість послуги: доступ до передачі даних (організація з'єднання), передача даних і завершення з'єднання. Кожна із частин характеризується трьома основними показниками, до яких відносяться: швидкість (встановлення з'єднання, передачі даних, завершення з'єднання) ; точність встановлення з'єднання із зазначеними параметрами Q; гарантованість встановлення з'єднання P, тобто:

.(1)

Проаналізовано співвідношення між якістю послуг та рівнями OSI

Визначено характеристики оцінки надання послуг з врахуванням функцій семирівневої моделі. Якість послуги фізичного рівня характеризуємо наступними факторами: доступністю послуги pi; коефіцієнтом виникнення помилок BER; пропускною здатністю C; затримками передачі Тзат:

.(2)

Для канального рівня:

,(3)

де V - швидкість передачі даних; BER - коефіцієнт помилок; Ттранз - транзитні затримки; А - коефіцієнт захищеності, Rпріор - пріоритетність якості обслуговування.

Параметри мережевого рівня виражають узагальнені мережні показники:

,(4)

де , , Тзат - затримка встановлення мережевого з'єднання; Рн.встан - імовірність невдалого встановлення мережевого з'єднання; С - пропускна здатність; Ттранз - транзитні затримки; Рвтрат - імовірність невдалої передачі інформації; Eз - коефіцієнт залишкової помилки; Трозр - затримка завершення мережевого з'єднання; Рн.розр - імовірність відмови завершення транспортного з'єднання.

Послугу транспортного рівня характеризуємо:

,(5)

де , , Тзат - затримка встановлення транспортного з'єднання; Рн.встан - імовірність невдалого завершення процедури встановлення транспортного з'єднання; С - пропускна здатність; Ттранз - транзитні затримки; BER - коефіцієнт помилок; Рвтрат - імовірність невдалої передачі інформації; Трозр - затримка завершення транспортного з'єднання; Рн.розр - імовірність відмови завершення транспортного з'єднання; А - коефіцієнт захищеності; Rпріор - пріоритетність якості обслуговування.

Для мережі передачі даних узагальнимо:

,(6)

де

.

Таким чином, сформовані мережеві показники і методи досягнення якості послуг телекомунікаційних мереж в залежності від:

а) виду трафіку;

б) застосовуваних протоколів передачі;

в) виду мереж.

В третьому розділі - «Дослідження методів оптимізації телекомунікаційних мереж» - проведені дослідження програмно-апаратних методів оптимізації телекомунікаційних мереж на основі протоколів розподіленого управління пристроями, відмовостійкої маршрутизації і керування каналами, протоколів передачі, методів управління трафіком та розподілу мережевих ресурсів для забезпечення необхідної якості.

Методологія забезпечення якості послуг Diffserv задає використання методів розподілу потоків трафіку по категоріях і пріоритетах, завдяки чому трафік з високим пріоритетом одержує необхідні мережеві ресурси відповідно до характеристик запитів незалежно від вимог до пропускної здатності трафіку менш важливих додатків. Для їх передачі слід застосовувати деякі проміжні підходи, наприклад, присвоєння пріоритетів на етапі маршрутизації і формування трафіку. Використання таких підходів не вимагає додаткових дій з боку клієнтського та серверного ПЗ, а реалізовуються у вузлах комутації. Разом з тим вони можуть поліпшити проходження трафіку для критично важливих додатків по існуючих каналах зв'язку.

Проаналізовано вплив характеру трафіку на якість роботи ТКМ, що описується системою масового обслуговування (СМО) M/M/n/m та створено математичну модель для оптимізації такої мережі, в результаті дослідження якої отримані залежності оптимального навантаження для різної інтенсивності трафіку. Модель мережі представлено у вигляді орієнтованого графу G = (V,E), де - набір вузлів, E = {i, j} - набір зв'язків між вузлами. Кожне ребро (i, j) графа G характеризується функцією розподілу ймовірностей часу передачі Fi. Вхідні потоки описуються пуасонівським розподілом з сумарною інтенсивністю л, та заданою матрицею інтенсивностей |лi,j|. Інтенсивність обслуговування для кожного каналу - м, довжина черги - m, середня тривалість очікування - W. Для забезпечення якісної передачі трафіку ймовірність відмови в обслуговуванні не повинна перевищувати допустиму Рдоп. Середній час затримки пакету для даної СМО виражається наступним чином:

.(7)

Завантаження мережі h буде оптимальним, якщо:

.(8)

Розглянута модель СМО дозволяє вирішити проблему ефективного використання мережевих ресурсів і забезпечити необхідну якість обслуговування користувача мультимедійних послуг.

Залежності дозволяють зробити висновок, що в межах встановлених значень параметрів часової прозорості мережі, існує еквівалентність пропускної здатності каналу та об'єм буферної пам'яті. Еквівалентний обмін цих параметрів може бути здійснений при постійності показників якості: часу затримки та ймовірності втрати пакетів.

Проведені дослідження забезпечення QoS мультимедійного трафіку на основі протоколів реального часу. Визначено параметри при яких використання технології багатоадресної передачі для ІР-телебачення (IPTV) та відеоконференцій дозволяє збільшити продуктивність роботи мережі та зекономити ресурси смуги пропускання.

У четвертому розділі - «Реалізація методів забезпечення якості послуг при передачі мультимедійного трафіку» - розроблено та досліджено моделі і методи забезпечення якості обслуговування при обмежених мережевих ресурсах.

Для забезпечення заданого рівня якості послуг QоS розроблено структуру та створено математичну модель системи, що забезпечує автоматизований механізм спостереження та управління якістю мережних послуг.

Рис.. Структура системи забезпечення якості обслуговування

на основі DiffServ

Опишемо співвідношення основних елементів системи та засобів регулювання і прогнозу трафіку.

З кожним зв'язком пов'язані наступні параметри: пропускна здатність - Cl, затримка розповсюдження - , набір черг - K, класи покрокової поведінки - PHB Scheduling Classes (PSC), які задають послідовність обробки пакетів.

Для кожного класу PSC задаємо межу tмакс допустимої максимальної затримки проходження вхідного трафіку по шляху l, та ймовірності втрат цього виду трафіку.

Кожен транк характеризується у відповідності до визначеного класу обслуговування CoS наступними параметрами:

PSC трафіку, що передається по транку, звідки визначається клас PHB транкового каналу;

максимальна затримка Tмакс;

максимальна ймовірність втрат Pмакс;

необхідна продуктивність (пропускна здатність) С.

Дослідимо характер зміни вартості лінії від завантаження. Позначимо через необхідну пропускну здатність для черги k, яку забезпечує лінія зв'язку l. Тоді вартість лінії пропорційна навантаженню і зростає при зростанні. Повна вартість лінії визначається:

, (9)

де - вектор запитів для всіх PHB лінії l.

Функція визначає еквівалентну пропускну здатність, яка потрібна лінії l, для забезпечити PHB. Таким чином, повна вартість лінії еквівалентна пропускній здатності Cl лінії l.

Використовуємо наступну апроксимацію функції вартості:

(10)

де - коефіцієнт завантаження пропускної здатності.

Це дозволяє визначити параметри оптимізації у виді:

min ,(11)

min .(12)

В формулюванні задачі оптимізації змінними є змінні пропускної здатності , визначені для кожного маршруту та для кожного транку с = {, Тмакс}. З врахуванням (10) задача оптимізації набуває вигляду:

.(13)

Розглянемо приклад використання запропонованої математичної моделі для діючої телекомунікаційної мережі провайдера.

Проведений аналіз роботи мережі показує значне завантаження вузлів мережі послугами передачі даних, яка призводить до конфлікту з послугою передачі відео на замовлення. Проведемо оптимізацію топології мережі для перерозподілу трафіку між транками шляхом введення додаткового транку між вузлами 8-10 (що внесено в плани розвитку мережі провайдера) та збільшення пропускної здатності транків 7-8 та 1-10.

За рахунок введення додаткового транку між вузлами 8-10 може бути досягнуто зменшення імовірності втрат на 3%, а загальний обсяг наданих послуг в мережі збільшується на 10-15% .

Для оптимізації обладнання та каналів зв'язку телекомунікаційної мережі запропонована наступна модель. Приймемо позначення: вузли мережі - Vj, клієнти, що обслуговуються через дані вузли - Sj. Для будь-якого абонента j задана множина Ej видів зв'язку, що ним використовуються. Для кожного Vj вузла мережі розглядаємо Mi варіантів наборів його обладнання (для реалізації головних, транзитних та кінцевих вузлів).

Визначимо функцію сумарних витрат на створення мережі та надання послуг абонентам наступним чином:

(15)

де Zim - вартість m-го набору обладнання у вузлі i;

Zijk - вартість k-го типу зв'язку, що з'єднує пари вершин (i,j);

Sik - множина абонентів, які обслуговуються i-м вузлом за допомогою

k-го типу зв'язку;

Vjk - множина всіх вузлів, які можуть обслуговувати j-го абонента за допомогою k-го типу зв'язку;

Vik - множина варіантів комплектів обладнання в i-му вузлі, які включають можливість забезпечення k-го типу зв'язку;

sminki - мінімально допустима кількість абонентів, при яких в i-му вузлі доцільно встановлювати обладнання, що забезпечує k-й тип зв'язку.

- кожен абонент прикріплений до одного або декількох вузлів мережі з врахуванням його заявки на обслуговування:

;(16)

- у вузлі існує набір обладнання для надання хоча б однієї послуги:

;(17)

- вузол мережі включає обладнання для k-го типу зв'язку лише в тому випадку, коли кількість абонентів досягне деякої критичної величини sminki:

,(18)

де л - інтенсивність обслуговування.

Запропонована математична модель використана для оптимізації телекомунікаційної мережі провайдера Львівської області

Результати дослідження моделі показують дискретно-неперевний характер зміни витрат, а також дозволяють визначити мінімальний обсяг обладнання для забезпечення необхідної кількості послуг з заданою якістю. Застосування цієї моделі на мережі одного з провайдерів Львівської області дозволило зменшити затрати на модернізацію обладнання на 15%.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розв'язано важливу науково-технічну задачу в галузі телекомунікацій - розробленo і досліджено методи оптимізації телекомунікаційних мереж за критерієм якості надаваних послуг при передачі мультимедійного трафіку і максимального використання ресурсів мереж.

На основі системного аналізу критеріїв якості телекомунікаційних послуг QoS виявлено їх зв'язок з використовуваними механізмами доставки даних. Показано, що механізми загального сервісу IntServ забезпечують необхідну якість обслуговування додатків реального часу, проте вимагають більшого обсягу буфера і смуги пропускання, ніж механізми диференціального сервісу Diffserv. Показано, що найбільш ефективним методом транспорту інформації заданої якості QoS є метод структурування трафіку по класах сервісу CoS з відповідними пріоритетами.

Сформовані мережеві показники якості послуг телекомунікаційних мереж та показано, що нормовані значення якості згідно рекомендацій серії Х не дають конкретних даних, які пов'язують структуру та якість мережевих послуг, а лише загальні вимоги до якості цих послуг, що не відображають можливості програмно-апаратних засобів їх підвищення.

Набула подальшого розвитку модель якості надаваних послуг, яка пов'язує параметри мережі з параметрами якості у вигляді функціональних залежностей останніх. Показано, що дана модель вимагає детального опису причинно-наслідкових залежностей параметрів QoS - параметри мережі і, тому, має обмежене застосування.

Проведені дослідження механізмів оптимізації телекомунікаційних мереж на основі нових протоколів розподіленого управління пристроями, відмовостійкої маршрутизації і керування каналами показали необхідність створення спеціалізованих математичних моделей для їх опису та оптимізації.

Проаналізовано вплив характеру трафіку на якість роботи телекомунікаційної мережі, що описується СМО типу M/M/n/m, та створено математичну модель для оптимізації такої мережі, в результаті аналізу якої отримані залежності оптимального навантаження для різної інтенсивності трафіку.

Створена математична модель для оптимізації і регулювання трафіку на основі заданого класу обслуговування SLA та механізмів Diffserv враховує завантаженість кожного транку і маршруту. Показано, що дана нелінійна модель може бути оптимізована з врахуванням реальних обмежень мережі і відомих процедур маршрутизації, на основі градієнтного методу. Модель дозволяє знаходити мінімум функції вартості маршруту, в результаті чого є можливість перевести частину потоку одних маршрутів на інші для забезпечення заданої якості. Проведена оптимізація телекомунікаційної мережі провайдера Львівської області дозволила досягнути зменшення імовірності втрат на 3%, при збільшенні загального обсягу наданих послуг на 10-15% .

Розроблена математична модель для визначення впливу кількості користувачів певної послуги на обсяг обладнання та витрати провайдера при наданні мультимедійних послуг. Результати моделювання показують дискретно-неперервний характер зміни витрат, що дозволяє визначити мінімальний обсяг обладнання для забезпечення необхідної кількості послуг з заданою якістю, мінімізуючи його вартість. Реалізація моделі на мережі одного з провайдерів Львівської області дозволила зменшити обсяг обладнання та затрати на його модернізацію на 15%.

Результати дисертаційного дослідження використані для впровадження в телекомунікаційних мережах операторів та провайдерів: Львівського ДП “Фарлеп”, ТзОВ Телекомунікаційна компанія “Телком”, ВК “Кримтел”, ВКФ “Системи”, ЛФ ВАТ “Укртелеком”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Кирик М.І. Критерії ефективності роботи інфокомунікаційної мережі / М. І. Кирик, Самі Аскар // Зб. наук. пр. ІПМЕ ім. Г. Є. Пухова. - 2006. - Вип. 35. - С. 60-64.

Кирик М.І. Математичні моделі для оптимізації обладнання та каналів зв'язку інфокомунікаційної мережі при заданому обсязі і якості послуг / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Ю.М. Сковронська // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. Ін-т проблем моделювання в енергетиці. - 2007. - Вип. 42. - С. 210-214.

Кирик М. Програмні засоби для моделювання та оптимізації інформаційних мереж / М. Кирик, О. Тимченко // Зб. наук. пр. ІПМЕ ім.

Г.Є. Пухова. - 2004. -Вип. 26. - С. 131-134.

Кирик М.І. Класифікація якості обслуговування телекомунікаційних мереж і механізми її забезпечення / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Б.М. Верхола [та ін.] // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - 2008. - Вип. 45. - С. 190-196.

Кирик М.І. Моделі системи проектування трафіку та контролю якості послуг в мультисервісній мережі / М.І. Кирик, О.В. Тимченко // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. Ін-т проблем моделювання в енергетиці. - 2007. - Вип. 41. - С. 3-14.

Кирик М.І. Математична модель для оптимізації інфокомунікаційної мережі при заданому обсягу і якості послуг / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Ю.М. Сковронська // Сучасні проблеми телекомунікацій і підготовка фахівців в галузі телекомунікацій - 2007 : наук.-метод. конф., 17-20 жовт. 2007 р. - Львів, 2007. - С. 44-45.

Кирик М.І. Дискретно-неперервна модель оптимізації інфокомунікаційної мережі / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Б.М. Верхола // Комп`ютерні технології друкарства. - 2008. - Вип. 20. - С.115-122.

Кирик М.І. Аналіз методів забезпечення якості передачі мультимедійного трафіку / М.І. Кирик // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. ІПМЕ НАН України. - 2008. - Вип. 49. - С. 91-99.

Кирик М.І. Модель мінімізації затрат при наданні послуг в інфокомунікаційній мережі / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Самі Аскар // Моделювання та інформаційні технології. Зб. наук. пр. Ін-т проблем моделювання в енергетиці. -2007. - Вип. 40. - С. 16-21.

Кирик М.І. Програмні засоби для моделювання та оптимізації інформаційних мереж / М.І. Кирик, О.В.Тимченко // Сучасні проблеми телекомунікацій-2004 : наук.-метод. конф., 20-22 жовт. 2004 р.: тези доп. - Львів, 2004. - С. 27-29.

Кирик М.І. Аналіз трафіку Web-вузла / М.І. Кирик, О.Л. Костів, С. О. Заболоцький // Зб. наук. пр. ІПМЕ ім. Г. Є. Пухова. - 2002. - Вип. 19. - С. 95-98.

Аналіз, прогнозування та управління трафіком зовнішнього каналу WEB-вузла / М.І. Кирик, М.Й. Павликевич, О.Л. Костів, О. Шаталова // Радіоелектроніка та телекомунікації : Вісник НУ “Львівська політехніка”, 2004. - № 508. - С. 161-165.

Кирик М.І. Використання програмних засобів для моделювання та оптимізації інформаційних мереж / М.І. Кирик, О.В. Тимченко // Моделювання : XXIII наук.-техн. конф., 13-14 січ. 2004 р. : тези доп. - К., 2004. - С. 35-39.

Кирик М.І. Надійність функціонування та оптимізація структури інформаційних комп'ютерних мереж / М.І. Кирик, О.Л. Костів // Сучасні проблеми телекомунікацій-2005 : наук.-практ. конф., 20-23 жовт. 2005 р. - Львів, 2005. - C. 24-26.

Інтернет-технології у системі дистанційного навчання / О.Л. Костів, М.І. Кирик, Н.А. Єрмакова [та ін.] // Зб. наук. пр. ІПМЕ ім. Г. Є. Пухова. - 2003. - Вип. 22. - С. 87- 92

Кирик М.І. Визначення цільових функцій для проведення оптимізації інформаційних мереж / М.І. Кирик, Б.М. Стрихалюк, Самі Аскар // Сучасні проблеми телекомунікацій-2006 : наук.-практ. конф., 19-22 жовт. 2006 р. - Львів, 2006. - C. 19-21.

Методи справедливого розподілу ресурсів інфокомунікаційних мереж / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Самі Аскар // Моделювання : ХХVI наук.-техн. конф., 12-13 січ. 2007 р. : тези конф. - К., 2007. - С. 67-69.

Кирик М.І. Програмні засоби для моделювання та оптимізації інформаційних мереж / М.І. Кирик, О.В. Тимченко // Підготовка фахівців в гаузі телекомунікацій і болонський процес : наук.-метод. конф., 20-23 жовт. 2004 р., тези конф. - Львів, 2004. - С. 27-29.

Кирик М.І. Якість обслуговування телекомунікаційних мереж і механізми її забезпечення / М.І. Кирик, О.В. Тимченко, Б.М. Верхола, Самі Аскар // Моделювання: ХХVIІ наук.-техн. конф., 10-11 січ. 2008 р. : тези конф. - К., 2008. - С. 55-57.

Кирик М.І. Аналіз роботи інтернет-вузла / М.І. Кирик, М.Й. Павликевич, О.Л. Костів // Системы и средства передачи и обработки информации : VII междунар. науч.-практ. конф., 2-7 сент. 2003г. : Труды конф. ССПОИ-2003. - Одесса. - С. 107-109.

АНОТАЦІЯ

Кирик М.І. Оптимізація телекомунікаційних мереж за критеріями якості послуг. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Одеса, 2009.

Роботу присвячено розробці та дослідженню методів оптимізації телекомунікаційних мереж за критеріями якості надаваних послуг при передачі мультимедійного трафіку і максимального використання ресурсів мереж. На основі системного аналізу критеріїв якості надання телекомунікаційних послуг QoS виявлено їх зв'язок з використовуваними механізмами доставки даних. Визначено та обґрунтовано характеристики мереж, які впливають на якість для різних видів трафіку: передачі даних, мультимедійного, реального часу.

Визначено параметри, при яких використання технології багатоадресної передачі дозволяє збільшити продуктивність роботи мережі та зекономити ресурси смуги пропускання.

Запропонована математична модель для оптимізації і регулювання трафіку на основі заданого класу обслуговування SLA та механізмів Diffserv забезпечує задану якість обслуговування (клас сервісу CoS) та враховує завантаженість кожного транку та маршруту. Використання моделі дозволяє мінімізувати затрати обладнання при наданні послуг з заданою якістю та оптимізувати використання наявних мережевих ресурсів. Використання моделі для діючих мереж дозволило досягнути зменшення імовірності втрат на 3%, при збільшенні загального обсягу наданих послуг в мережі на 10-15%.

Запропонована модель для визначення впливу кількості користувачів певної послуги на обсяг обладнання та витрати провайдера при наданні мультимедійних послуг. Результати моделювання показують дискретно-неперервний характер зміни витрат, що дозволяє визначити мінімальний обсяг обладнання для забезпечення необхідної кількості послуг з заданою якістю.

Ключові слова: телекомунікаційна мережа, параметри якості послуг, мультимедійний трафік, моделі оптимізації.

АННОТАЦИЯ

Кырык М.И. Оптимизация телекоммуникационных сетей по критериях качества услуг. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, Одесса, 2009.

Работа посвящена исследованию методов оптимизации телекоммуникационных сетей по критериях качества предоставляемых услуг при передаче мультимедийного трафика и максимального использования сетевых ресурсов. На основе системного анализа критериев качества телекоммуникационных услуг QоS исследована их связь с используемыми механизмами доставки данных. Показано, что механизмы интегрального обслуживания IntServ для обеспечения нужного качества услуг используют большую буферную память и полосу пропускания по сравнению с методами дифференциальным обслуживанием DiffServ, при котором трафик структурируется по классах сервиса CoS с соответствующими приоритетами.

Проанализированы соотношения качества обслуживания и характеристик сетей, которые влияют на качество для разных видов трафика: передачи данных, мультимедийного, реального времени.

Определены параметры, при которых использование технологии многоадресной передачи позволят увеличить производительность сети и сэкономить полосу пропускания.

Проведен анализ математической модели сети, в результате которого получены зависимости оптимальной нагрузки для разной интенсивности трафика.

В работе предложены программные средства для моделирования и оптимизации телекоммуникационных сетей, которые позволяют провести проектирование, оценку и анализ работы сетей и обеспечивают экономию времени и средств для их оптимизации.

Предложенная математическая модель для оптимизации и регулирования трафика на основе заданного класса обслуживания SLA и механизмов Diffserv обеспечивает заданное качество обслуживания (класс сервиса CoS) каждого потока и учитывает загруженность каждого транка и маршрута. Усовершенствование предложенной модели позволило решить задачу оптимизации распределения ресурсов сети и предоставления услуг с заданным качеством обслуживания в мультисервисной сети, что позволило оптимизировать использование сетевых ресурсов. Применение модели на действующей сети провайдера позволило достичь уменьшения вероятности потерь на 3% при увеличении объема предоставленных услуг на 10-15%.

Предложена модель для определения необходимого количества пользователей на объем оборудования и затраты провайдера при предоставлении мультимедийных услуг. Результаты моделирования показывают дискретно непрерывный характер изменения расходов, что позволяет определить минимальный объем оборудования для обеспечения необходимого количества услуг с заданным качеством.

Ключевые слова: телекоммуникационная сеть, параметры качества услуг, мультимедийный трафик, модели оптимизации.

ABSTRACT

Kyryk M.I. Optimization of telecommunications networks by criteria of quality of services. - Manuscript.

A thesis submitted in fulfillment of the Ph.D. degree in technical sciences on specialty 05.12.02 - telecommunication networks and systems. A.S. Popov Odessa National Academy of Telecommunication, Odessa, 2009.

A Dissertation is devoted to research the methods of optimization telecommunication networks by the criteria of quality of services at the transmission multimedia traffic and maximal use networks resources. On the basis of analysis of the systems by criteria of quality of services of telecommunications of QоS found out their connection with the used mechanisms of delivery of information. Certainly and grounded descriptions of networks which influence on quality for the different types of traffic: communications of data, multimedia, real time.

Parameters are defined at which use of multicast transfer allows to increase throughput of a network and to save a bandwidth resource.

A mathematical model is offered for optimization and adjusting of traffic on the basis of the set class of maintenance of SLA and mechanisms of Diffserv takes into account the work-load of every trank and route and allowed to attain diminishing of probability of losses on 3%, at multiplying a general volume provided services in a network on 10-15%.

The model for definition of quantity of users on volume of the equipment and expenses of the provider at providing multimedia services is created. Results of modelling show is discrete-continuous character of changes of expenses that allows to define the minimum set of the equipment for maintenance of the necessary quantity of services with certain quality of service.

Keywords: telecommunication network, parameters of quality of services, multimedia traffic, models of optimization.

Размещено на Allbest.ru

...