Проектування мультисервісних телекомунікаційних систем при самоподібних вхідних потоках

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

ПРОЕКТУВАННЯ МУЛЬТИСЕРВІСНИХ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ПРИ САМОПОДІБНИХ ВХІДНИХ ПОТОКАХ

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Самір Махмуд Мохамед Канаан

Харків 2007



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Телекомунікаційні системи” Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук Агеєв Дмитро Володимирович, Харківський національний університет радіоелектроніки, докторант.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Краснобаєв Віктор Анатолійович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. П.Василенко, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних технологій;

кандидат технічних наук Дуравкін Євген Володимирович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри теоретичної та прикладної інформатики.

Захист відбудеться “17” жовтня 2007 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна 14, ауд. 13.

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

Автореферат розісланий “20” серпня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук.



Загальна характеристика роботи

мультисервісних телекомунікаційних канал інформаційний

Актуальність теми. На сучасному етапі спостерігається швидкий розвиток галузі телекомунікації, який полягає в швидкій зміні поколінь техніки, причому швидкість цього розвитку останнім часом постійно збільшується. Одним з стимулів цього розвитку є зростання вимог до якості надання послуг та зростання розмаїтості видів інформації, що передаються, як то: дані, мова, відеоінформація реального часу.

В Украйні розвиток галузі телекомунікації задається Комплексною програмою створення ЄНСЗ України, яка передбачає перехід к мультисервісним телекомунікаційним системам, що побудовані згідно концепції NGN (Next Generation Network). Технології, застосування яких, передбачає концепція NGN на сучасний момент є найбільш досконалими. В той же час спостерігається випередження розвитку технічних засобів відносно розвитку методів проектування, що є однією з актуальних проблем сучасний телекомунікаційних систем. До цих пір при проектуванні сучасних телекомунікаційних систем застосовуються методи теорії телетрафіка, що є однієї з галузей теорії масового обслуговування. Дана теорія добре описує процеси, що відбуваються в таких системах, як телефонні мережі, побудованих за принципом комутації каналів. Найпоширенішою моделлю потоку викликів (даних) у теорії телетрафіка є найпростіший потік (стаціонарний ординарний потік без післядії), який також має назву стаціонарний пуассоновський потік.

Однак, в 1993 році група американських дослідників W.Leland, M.Taqqu, W.Willinger і D.Wilson вивчили трафик в інформаційній мережі корпорації Bellcore і виявили, що потоки мають зовсім іншу структуру, чим прийнято в класичній теорії телетрафіка. Класична модель не враховує такі властивості інформаційних потоків як: висока пачечність, наявність довгочасових залежностей, розподілу з важкими хвостами, повільно спадаюча дисперсія при збільшені масштабу часу спостереження та усереднення. У результаті теоретичний розрахунок параметрів телекомунікаційної системи, призначеної для обслуговуванні такого трафіка, по класичних формулах дає некоректні й невиправдано оптимістичні результати. Останні дослідження в галузі телетрафіка показали, що більш адекватними моделями є моделі самоподібного (фрактального) потоку, які враховують вказані вище властивості інформаційних потоків. Останнє збільшує кількість параметрів, що описують ці інформаційні потоки, які в даний момент не застосовуються при математичному моделюванні цих процесів класичними моделями.

Для усунення зазначених невідповідностей потрібне проведення додаткових досліджень та розв'язання низки задач які розглядаються в цієї дисертаційній роботі. Таким чином тему дисертаційній роботи можна вважати актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з головними напрямками розвитку науково-технологічною бази галузі викладеними в Комплексній програмі створення ЄНСЗ України 4-ї редакції, планами перспективного розвитку ВАТ “Укртелеком”. Крім того, напрямок досліджень був пов'язаний із планами вузу і кафедри телекомунікаційних систем, де виконувалася дана робота, зокрема матеріали дисертації були використані в науково-дослідницької роботі № 0604 “Експериментальне дослідження систем абонентського радіодоступу”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності параметричного та топологічного проектування мультисервісних телекомунікаційних систем, які базуються на застосуванні властивостей інформаційних потоків як самоподібних процесів.

Об'єктом дослідження в дисертаційній роботі є процес проектування мультисервісних телекомунікаційних систем.

Предметом дослідження є методи топологічного синтезу мультисервісної телекомунікаційної системи та методи параметричної оптимізації її структурних елементів.

Методами дослідження є:

- методи оптимізації, математична статистика і теорія ймовірностей, теорія масового обслуговування, теорія графів, теорія самоподібних процесів методи імітаційного моделювання.

Задачі дослідження. Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються наступні основні задачі дослідження:

1. Розробити алгоритм проектування топологічних структур для випадку мультисервісних телекомунікаційних систем.

2. Визначити параметри сумарного інформаційного трафика в каналах зв'язку, що виникає у мультисервісної мережі при розподілу вхідних потоків з ефектом самоподоби.

3. Розробити метод визначення оптимальних значень пропускних здатностей каналів зв'язку для самоподібних інформаційних потоків.

4. Провести чисельні та натурні експерименти по дослідженню ефективності запропонованих методів та вироблення практичних рекомендацій щодо їх застосування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Отримав подальший розвиток метод проектування мультисервісних телекомунікаційних систем, за рахунок введення нової категорії вузлів мережі на магістральному сегменті, які є джерелами та одержувачами інформації але не можуть використовуватися для комутації транспортних потоків. Це дозволило більш повно врахувати вимоги до структури мережі побудованої згідно концепції NGN.

2. Вперше розв'язана задача визначення параметрів інформаційного трафику, що передається у каналах зв'язку, для всієї мережі цілком, за умови надходження до мережі набору інформаційних потоків з ефектом самоподоби. Це дозволило підвищити точність визначення параметрів структурних елементів телекомунікаційної системи.

3. Знайшов подальший розвиток метод визначення пропускних здатностей каналів зв'язку, що базується на використанні методу найшвидшого спуску, за рахунок використання цільової функції, яка враховує самоподібний характер трафику у каналах зв'язку. Це дозволило підвищити ефективності розподілу мережного ресурсу та зменшити середній час затримки повідомлення у мережі.

4. Вперше проведено дослідження статистичних параметрів інформаційного трафику, який передається у мережі доступу з технологією стільникових систем зв'язку GSM GPRS та 3G EVDO з використанням математичного апарату самоподібних процесів, що дозволило виявити у даних потоків ефекту самоподоби. Це визначає доцільність використання запропонованих методів параметричного синтезу при проектуванні цих систем, що дозволить підвищити ефективність використання мережного ресурсу та зменшити середній час доставки повідомлення.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність отриманих в дисертації результатів полягає в тому, що відповідно до запропонованому у дисертаційній роботі методу визначення пропускних здатностей каналів зв'язку була розроблена програма, яка дозволяє розв'язувати дану задачу. За допомогою даного програмного забезпечення була доведена можливість практичної реалізації та працездатності запропонованих у роботі алгоритмів. Розробка призначена для застосування при проектуванні мультисервісних телекомунікаційних систем.

Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки у дисциплінах з проектування телекомунікаційних систем, що підтверджується актом впровадження.

Особистий внесок здобувача. Робота виконана на кафедрі телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки. Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, належать авторові і повністю опубліковані в фаховій літературі [1..8].

У роботі [1], виконаної у співавторстві, здобувач особисто виконав аналіз проблем математичного моделювання інформаційних потоків у мультисервисних телекомунікаційних системах.

У роботі [2], виконаної у співавторстві, здобувач особисто розробив алгоритм визначення параметрів трафіку у каналах зв'язку при передачі самоподібних інформаційних потоків у мережі, а також метод та алгоритм розв'язання задачі визначення оптимальних значень пропускної здатності каналів зв'язку при передачі у мережі потоків з ефектом самоподоби.

У роботі [3], виконаної у співавторстві, здобувач особисто розробив схему імітаційної моделі, проведення експерименту по дослідженню якості передачі інформації у мережі параметри, якої були розраховані зі застосуванням запропонованого у роботі метода та порівняльний аналіз результатів експерименту.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на 2-х міжнародних форумах [4, 7], у 3-х доповідях на міжнародних конференціях [5, 6, 8], а також на наукових семінарах кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 робіт, у тому числі 3 статті в спеціалізованих виданнях ВАК України [1, 2, 3]. Усі по темі дисертаційної роботи. Інші публікації є тезами доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури, додатку. Загальний обсяг дисертації складає 128 сторінок: 121 основного тексту, 22 рисунку, 5 таблиць, 62 бібліографічних джерела на 6 сторінках та 1 додаток.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено 4 пункти наукової новизни одержаних результатів та інші необхідні підрозділи щодо змісту роботи.

У першому розділу наведена загальна архітектура побудови мультисервісної телекомунікаційної системи, позначено коло задач, які необхідно вирішити при проектування структури телекомунікаційної системи. Проводиться аналіз існуючих методів синтезу топологічної структури та параметричному синтезу телекомунікаційних систем. Стверджується, що суть задачі проектування структури телекомунікаційної системи, в загальному випадку, можна звести до наступного формулювання: при заданих вхідних потоках потрібно синтезувати таку структуру, яка при дотриманні деяких вимог до характеристик, могла б обслуговувати ці потоки. Розробка математичної моделі рішення задачі, що відповідає на всі питання проектування одночасно, є складною задачею. Тому, звичайно, проектування мережі здійснюється в виді ітераційного процесу.

Показано, що при практичному застосуванні методів проектування телекомунікаційних систем виникають проблеми, зв'язані з великою розмірністю задачі, що розв'язується, відсутністю достовірних початкових даних і складністю формалізації усіх вимог до мережі, що проектується. Для рішення першої проблеми необхідно розробляти ефективні приблизні методи синтезу структури мереж великої розмірності. Для рішення останніх проблем проводять розрахунки при варіюванні початкових даних у широких діапазонах, що зручніше проводити в діалоговому режимі.

В роботі показано, що використання, при організації телекомунікаційних системи, ієрархічної структури дозволяє будувати мережі з різними вимогами на різних її ділянках. Так, при проектуванні магістральної ділянки до неї застосовуються більш високі вимоги по надійності, тому, що пошкодження в даній частині мережі торкаються великої кількості потоків. Підвищення вимог до надійності, у свою чергу, призводить до збільшення надмірності структури. На абонентській ділянці побудова мережі з надмірною структурою економічно невигідне, тому, що збитки, у випадку тимчасового порушення зв'язності мережі, звичайно, не перевищують витрат на створення і підтримку працездатності цієї структури.

Наведено огляд математичних моделей інформаційних потоків. Стверджується, що модель найпростішого потоку, яка застосовується зараз при проектуванні телекомунікаційних систем призводить до не вірних результатів розрахунків. Більш адекватної моделлю вважається моделі самоподібних (фрактальних) процесів, яка враховує наявність у потоків, що передаються таких властивостей, як: висока пачечність, наявність довгочасових залежностей, розподілу з важкими хвостами, повільно спадаюча дисперсія при збільшені масштабу часу спостереження та усереднення. Наведені основні математичні вирази, що описують модель самоподібних процесів. Наведені вже відомі результати по застосуванню математичних моделей самоподібних процесів при розв'язанні задач аналізу та синтезу телекомунікаційних систем.

Наприкінці розділу зроблена загальна постановка задачі дисертаційного дослідження.

Другий розділ присвячено задачі синтезу структури мультисервісної ієрархічної телекомунікаційної системи та її параметричному синтезу згідно з критерієм мінімуму середнього часу затримки повідомлення в мережі при обмеженнях на величину структурної зв'язності на магістральній ділянці і максимальну припустиму вартість організації мережі. Математична модель задачі, що розв'язується, враховує географічне положення вузлів мережі, вартість організації вузлів доступу до магістрального сегменту мережі, вартість будівництва лінії зв'язку та вартість організації заданої пропускної здатності каналів зв'язку для різних ділянок ієрархічної мультисервісної системи. Наведена математична модель відрізняється від інших у тому, що до її складу введені обов'язкові вузли магістрального сегменту, які є джерелами та одержувачами інформації та використовуються для обслуговування транспортних потоків. Ці вузли враховують наявність у структурі мережі NGN вузлів управління, надання послуг та шлюзів до інших мереж.

Для розв'язання поставленої задачі пропонується застосовувати наступний алгоритм, який представлений у загальному виді на рис.1.

Рис. 1. Блок схема алгоритму розв'язання задачі

За результатами проведеного в роботі аналізу витрат на організацію сучасних телекомунікаційних систем в роботі прийшли до висновку, що вагома частина вартості телекомунікаційної мережі приходиться на побудову лінійних споруд. З зв'язку з цим розв'язання поставленої задачі синтезу структури ієрархічної телекомунікаційної системи в роботі пропонується здійснювати у наступній послідовності. На першому етапі визначення кількості та місць розташування вузлів доступу до магістрального сегменту мережі, синтез топології магістрального сегменту з урахуванням обмежень на зв'язність структури, синтез топології мережі доступу. На даному етапі синтез здійснюється згідно критерію мінімуму вартості. На другому етапі здійснюється розподіл інформаційних потоків по каналам зв'язку, так щоб їх сумарна інтенсивність була мінімальної. Для цього застосовується розподіл інформаційних потоків уздовж шляхів найкоротших згідно критерію мінімум транзитних вузлів. Одночасно з розподілом потоків здійснюється визначення параметрів інформаційних потоків у каналах зв'язку з урахуванням наявності ефекту самоподоби. На наступному етапі визначається вартість отриманою структури телекомунікаційної системи з урахуванням вартості побудови магістрального сегменту, мережі доступу, встановлення устаткування вузлів доступу та організації заданої пропускної здатності каналів зв'язку за умови, що пропускні здатності каналів зв'язку дорівнюють величині потоків, які передаються по каналах зв'язку. Здійснюється перевірка отриманого значення вартості організації мережі на задоволення умовам обмеження на вартість побудови мережі. Так як отримана структура системи на даному етапі має мінімальну вартість, то не виконання умови обмеження дозволяє зробити висновок, що задача не має розв'язку. Якщо умова обмеження виконується, то здійснюється визначення оптимальних значень пропускної здатності каналів зв'язку згідно критерію мінімуму середньої затримки повідомлення у мережі та з урахуванням наявності ефекту самоподоби.

Вирішено задачу синтезу структури ієрархічної телекомунікаційної системи з багатозв'язною топологією на магістральному сегменті. Для цього пропонується використовувати раніше відомий модифікований алгоритм NewClust з рядом модифікацій, що враховує специфіку задачі, що розв'язується. Суть алгоритму полягає в тім, що як місця організації вузлів доступу пропонується використовувати місця найбільшої концентрації вимог на передачу. Це дозволяє зменшити величину потоку, що передається по каналам зв'язку мережі доступу, за рахунок їх передачі за допомогою магістрального сегменту, де питома вартість переданої інформації менше. Це у свою чергу зменшує кількість каналів зв'язку з великою пропускною здатністю на ділянці мережі доступу, що зменшує вартість структури телекомунікаційної системи в цілому. Суть модифікації полягає в наступному: змінені алгоритм синтезу магістрального сегменту, враховано наявність нового класу вузлів магістрального сегменту, на етапі оцінці вартості отриманого варіанту структури запропоновано пропускні здатності каналів зв'язку приймати рівними інтенсивності потоку, запропоновано визначати пропускні здатності каналів зв'язку на останньому етапі алгоритму.

В роботі розв'язана задача розподілу потоку і визначення параметрів інформаційних потоків у каналах зв'язку мережі при наявності ефекту самоподоби у потоках, що надходять до мережі. Так як на етапі рішення задачі розподілу потоків нам невідомі пропускні здатності каналів зв'язку, то в роботі був проведено аналіз факторів, що впливають на величину затримки повідомлення у мережі. Величину затримки повідомлення у мережі між кінцевими вузлами пропонується оцінювати як:

, (1)

де - інтенсивність потоку, що передається по каналу зв'язку (r,s), пакетів/с; crs - пропускна здатність каналу зв'язку (r,s), біт/с; - середня довжина пакету, біт; - параметр Херста потоку в каналу зв'язку (r,s); Мij - найкоротший шлях між кінцевими вузлами i та j; V - швидкість поширення електромагнітної енергії в лінії зв'язку, км/с; - відстань між вузлами r та s, км.

З аналізу формули (1) робиться висновок, що для сучасних телекомунікаційних систем в яких застосовуються наземні радіо- та провідні канали зв'язку другим додатком можна зневажити, тому що час затримки розповсюдження сигналу по лініям зв'язку набагато менший ніж час затримки повідомлення в вузлі. Таким чином при виборі найкоротшого шляху передачі, пропонується обирати шлях який має меншу кількість транзитних каналів.

На базі відомих результатів дослідження статистичних параметрів об'єднання інформаційних потоків з ефектом самоподоби розроблено алгоритм визначення параметрів інформаційних потоків в каналах зв'язку, які будуть отримані при застосуванні процедури розподілу потоків між всіма парами відправник-адресат. При визначені параметрів потоку у каналу зв'язку (r,s) необхідно враховувати інформаційні потоки між всіма парами відправник-адресат, які передаються по цьому каналу у шляху передачі через мережу. Таким чином, при застосуванні даного алгоритму пропонується використовувати наступне правило агрегування інформаційних потоків при наявності ефекту само подоби, яке можна записати наступним чином:

, (2)

, (3)

, (4)

де , , - середня довжина пакету, біт, інтенсивність надходження повідомлень, пакетів/с та параметр Херста інформаційного потоку, що передається по каналу (r,s) відповідно; Mij - найкоротший шлях між кінцевими вузлами i та j; , ?ij, Hij - параметри інформаційних потоків між кінцевими вузлами.

Отримано вираз для величини середньої затримки повідомлення у мережі для випадку наявності у інформаційних потоків, що передаються ефекту самоподоби:

, (5)

де - повний трафик, що надходить до мережі.

Вирішено задачу вибору оптимальних значень пропускних здатностей каналів зв'язку відповідно до критерію мінімуму середнього часу затримки повідомлення в мережі при обмеженні на максимальну припустиму вартість організації отриманих пропускних здатностей каналів зв'язку, де вираз (5) застосовується як цільова функція, що підлягає мінімізації. При розв'язанні даної задачі була виявлена велика складність отримання аналітичних виразів для визначення значень пропускних здатностей каналів зв'язку, тому для рішення даної задачі пропонується використовувати метод найскорішого спуску.

Проведено аналіз цільової функції (5) та системи обмежень в результаті якого було виявлено, що точка мінімуму лежить на границі допустимої множини, де обмеження на максимальну вартість перетворюється на рівність. Останнє призводить до того, що при застосуванні методу найскорішого спуска потрібно використовувати спеціальні засоби для виявлення виходу точки пошуку за межі області допустимих значень та повернення її назад. З огляду на це в роботі була модифікована цільова функція та система обмежень, які має наступний вигляд:

; (6)

, ; (7)

, ; (8)

, (9)

де с12 - канал магістрального сегменту з найбільшою інтенсивністю потоку; - максимально припустима величина затрат на організацію каналів зв'язку заданої пропускної здатності; та Z - питомі витрати на одиницю пропускної здатності на дільниці мережі доступу та магістральному сегменті відповідно.

Запропонована модифікація (6), (7), (8), (9) дозволила перенести точку оптимуму у середину області допустимих значень, запобігти виходу точки пошуку за межи області та зменшити розмірність задачі, яка розв'язується, що зменшило складність алгоритму та підвищило його ефективність по швидкодії.

В якості умови зупинення роботи методу пропонується використовувати відому умову:

, (10)

де та - значення цільової функції на поточній та попередній ітерації, ? - насамперед задана величина.

У третьому розділі наведено опис процесу створення телекомунікаційних систем, вказано місце проектування у цьому процесі. Стверджується, що запропоновані в роботі методи можуть використовуватися на етапі системного проектування мультисервісних телекомунікаційних систем для синтезу топології та визначення пропускних здатностей каналів зв'язку. Дано рекомендації щодо застосуванні запропонованих в роботі методів синтезу при проектуванні мультисервісних телекомунікаційних систем.

Зокрема даються рекомендації для випадку побудови мережі доступу з безпосереднім зв'язком абонентських вузлів з вузлами комутації та на випадок використання виносних абонентських концентраторів. Наведені особливості розв'язання задач визначення потоків у каналах зв'язку мережі доступу в випадку використання абонентських терміналів з можливостями комутації та без неї.

Наведено опис структури програмного пакету, що застосовується в роботі для проведення дослідження запропонованих методів та алгоритмів. Основними структурними елементами пакету є: база даних проектів, що є інформаційним наповненням пакету, бібліотека алгоритмів, яка складається з інструментальних засобів розв'язання складових задач проектування та синтезу структури системи у цілому, менеджер взаємодії; утиліта візуалізації результатів проектування.

У четвертому розділі наведена методика проведення іспиту запропонованих у дисертації методів проектування мультисервісних телекомунікаційних систем та здійснено аналіз результатів іспиту.

Проведено дослідження умов стабільного функціонування та умов збіжності запропонованого алгоритму визначення оптимальних значень пропускної здатності каналів зв'язку.

Для цього пропускні здатності каналів зв'язку були розраховані запропонованим в роботі та класичним методом “квадратного кореня” при однакових наборах вхідних даних, для випадку пуасонівських потоків у каналах зв'язку, що відповідає параметру Херста Н = 0,5. Результати розрахунку були порівняні між собою. З'ясовано, що на стабільність та збіжність алгоритму впливають такі параметри алгоритму як точність визначення точки мінімуму на етапі застосування методу дихотомії та умова зупинення алгоритму. При проведені цього дослідження на кожній ітерації методу найскорішого спуску фіксувалося значення цільової функції, точність визначення мінімуму цільової функції відносно класичного методу та величина її відносної зміни:

. (11)

Результати дослідження впливу точності визначення точки мінімуму на етапі застосування методу дихотомії, де залежності значення цільової функції та її відносної зміни від номера ітерації при різній точності визначення точки мінімуму.

З аналізу результатів експерименту зроблено висновок, що прийняття величини відносної зміни меншої ніж значення умову зупинення, у тому числі від'ємного значення, є достатньою умову зупинення алгоритму. Другим методом боротьби з флуктуацією точки пошуку поблизу її оптимального положення є підвищення під час роботи алгоритму точності визначення точки мінімуму, у випадку коли не була виконана умова зупинення по модулю (не була досягнута потрібна точність визначення мінімуму цільової функції).

Результати порівняльного аналізу запропонованого методу з класичним методом “квадратного кореня”, де наведені залежності точності визначення мінімуму цільової функції T від номера ітерації та граничного значення умови зупинення для різних наборів вхідних даних при розміру мережі 25 вузлів.

З аналізу отриманих результатів в роботі зроблено висновок, що швидкість збіжності непостійна і змінюється під час роботи алгоритму, також відмічено, що швидкість збіжності залежить від вхідних даних тобто залежить як від топології мережі так і від множини потоків, що передаються у мережі.

З аналізу залежності точності визначення мінімуму цільової функції від граничного значення умови зупинення робиться висновок, що для одержання потрібної точності розрахунку треба граничне значення задавати на 1..1,5 порядку меншим.

Висловлено рекомендації з практичного застосування запропонованих у дисертації методів синтезу структури та параметричної оптимізації мультисервісних телекомунікаційних систем.

Зі застосуванням методів імітаційного моделювання проведено дослідження адекватності запропонованих методів визначення параметрів інформаційних потоків у каналах зв'язку та вибору оптимальних значень пропускних здатностей каналів зв'язку.

В роботі здійснено аналіз методів аналізу функціонування сучасних телекомунікаційних систем. На базі проведеного аналізу надішли до висновку, що найбільш перспективним методом є імітаційне моделювання з використанням програмних засобів на ПЕОМ.

Показано, що відповідно своєї області застосування, розрізняються універсальні і спеціалізовані системи імітаційного моделювання. Універсальні системи дозволяють вирішувати велике коло задач, у той час як спеціалізовані - призначені для моделювання конкретного класу систем. У зв'язку з цим розрізняються і методи опису систем, що досліджуються. Так, універсальні системи імітаційного моделювання, використовують, звичайно, для цього спеціалізовані мови моделювання, наприклад, GPSS. Спеціалізовані системи, звичайно, використовують мови опису структури або засоби модульного завдання структури системи, що моделюється. У спеціалізованих системах моделювання, опис моделі системи робиться в термінах самої системи, що моделюється. У випадку моделювання телекомунікаційної системи, при цьому, задається топологія мережі, склад і параметри устаткування у вузлах і характеристики вхідних потоків інформації. У результаті проведеного аналізу в якості засобу проведення дослідження адекватності запропонованих в роботі методів пропонується застосовувати програмний пакет NetworkSimulator ns-2.

Проведено дослідження статистичних характеристик інформаційних потоків, що передаються по каналах зв'язку експериментального фрагменту мультисервісної мережі NGN побудованої на обладнанні кафедри телекомунікаційних систем харківського національного університету радіоелектроніки. При проведенні експерименту досліджувалися інформаційні потоки, що передаються по каналам зв'язку на різних ділянках мережі та мають різни типи інформації, що передається, такі як: відео реального часу, мова, дані. Схема експериментального фрагменту мережі зображена на рис. 2. В результаті проведеного аналізу було підтверджено наявність у потоках, що передаються ефекта самоподоби та визначені статистичні параметри цих потоків, які далі були застосовані при перевірці вірогідності результатів розрахунку отриманих за допомогою запропонованих в роботі методів. Результати аналізу наведені у таблиці 1.

Рис. 2. Схема фрагменту мережі, що досліджується

Проведено дослідження статистичних характеристик інформаційних потоків, що передаються у телекомунікаційних системах зі застосуванням стільникових технологій GSM GPRS та 3G EVDO. З'ясовано, що ці потоки мають властивості самоподібних процесів.

В роботі доведена вірогідність запропонованого методу визначення параметрів інформаційних потоків у каналах зв'язку, які виникають при передачі по мережі потоків при наявності ефекту самоподоби. Для цього було розроблена програмна імітаційна модель у пакеті ns-2, яка мала у своєму складі вузол комутації з декількома вхідними каналами та одним вихідним. На вхід вузла надходили інформаційні потоки з ефектом самоподоби, які далі об'єднувалися та передавалися по спільному каналу. Результати статистичного аналізу вихідного потоку збігаються з результатами, що отримані за допомогою запропонованого методу.



Таблиця 1. Результати аналізу інформаційних потоків, що передаються по каналам зв'язку експериментального фрагменту мережі

Реалізація	f, кбіт/с	, байт	Оцінка параметру Херста
			Aggregate Variance	R/S	Periodogram	Absolute Moments	Abry-Veitch Estimator	Whittle Estimator
Date-0,1	3 107	528	0,842 / 98	0,770 / 99	0,855	0,943 / 98	0,959 / 95	0,889 / 95
Video-0,1	436,3	1098	0,745 / 96	0,742 / 97	0,753	0,842 / 96	0,875 / 95	0,796 / 95
Spech-1	20,6	65	0,814 / 97	0,764 / 97	0,748	0,872 / 97	0,905 / 95	0,890 / 95
GSM-1	62,1	605	0,752 / 95	0,758 / 95	0,659	0,758 / 95	0,895 / 95	0,836/ 95
EVDO-0,1	278,5	458	0,691 / 91	0,805 / 95	0,842	0,914 / 97	0,954 / 95	0,904 / 95

За допомогою імітаційного моделювання проведена перевірка вірогідності результатів розрахунку значень пропускних здатностей каналів зв'язку оптимальних за допомогою запропонованого методу для випадку передачі в мережі інформаційних потоків з ефектом самоподоби. Для цього в програмному пакеті ns-2 була розроблена імітаційна модель телекомунікаційної системи пропускні здатності каналів зв'язку якої були розраховані за допомогою запропонованого в роботі методу. На вхід даної моделі були подані інформаційні потоки з ефектом самоподоби, реалізації яких були отримані при дослідженні експериментального фрагменту мережі NGN. При проведені імітаційного моделювання фіксувався час затримки повідомлення у мережі. Експеримент з імітаційного моделювання та розрахунок пропускних здатностей каналів зв'язку проводився для різних наборів реалізацій потоків. Результати аналізу часу затримки повідомлення в мережі отриманого за допомогою імітаційного моделювання Тср.ф.м. та порівняння його з часом затримки, що очікувався Тср.т. наведені у таблиці 2. З аналізу результатів робиться висновок о адекватності розрахунків пропускних здатностей каналів зв'язку.

В роботі здійснено порівняння запропонованого методу розрахунку пропускних здатностей каналів зв'язку з раніше відомим класичним методом “квадратного кореня”.

Для цього параметри каналів зв'язку імітаційної моделі були розраховані обома методами та здійснено порівняльний аналіз отриманих при моделюванні значень середньої затримки повідомлення у мережі зі значенням, що очікувалося. Результати аналіз наведені у таблиці 2, де Тср.п.м. - результат отриманий класичним методом; Тср.ф.м.- результат отриманий запропонованим методом. З аналізу отриманих результатів робиться висновок, що запропонований метод визначення пропускних здатностей каналів зв'язку дозволяє отримувати результати з більшій точністю ніж класичні методи за рахунок урахування наявності у потоках, що передаються ефекту самоподоби.

Таблиця 2

Результати, отримані за допомогою імітаційного моделювання

Реалізація	?		H	Тср.т., мс	Тср.п.м., мс	Тср.ф.м., мс
Варіант 1	1 452	658	0,65	9,8 мс	14,3	9,1
Варіант 2	1 752	728	0,65	49,5 мс	65,4	52,2
Варіант 3	656	68	0,71	20,3 мс	27,1	21,3
Варіант 4	856	72	0,71	71,5 мс	88,6	73,1
Варіант 5	1 205	125	0,75	29,9 мс	36,1	28,7
Варіант 6	1 545	167	0,75	35,5 мс	50,5	36,5



Висновки

В дисертаційній роботі розв'язана актуальна науково-прикладна задача вдосконалення методів синтезу топології та параметричного синтезу мультисервісних телекомунікаційних систем на базі моделей інформаційних потоків у вигляді самоподібних процесів та з урахуванням вимог щодо структури мережі NGN з метою використання їх при проектуванні. При цьому отримані наступні наукові та прикладні результати.

1. У дисертаційній роботі відповідно до критерію мінімуму середньої затримки повідомлення у мережі зроблена постановка і вирішена задача синтезу оптимальної топології мультисервісної телекомунікаційної системи, розподілу потоків та визначення оптимальних значень пропускних здатностей каналів зв'язку з урахуванням наявності ефекту самоподоби у інформаційних потоках, що передаються по мережі, при обмеженні на величину структурної зв'язності та максимально припустиму вартість організації цієї системи. Задача сформульована та систематизована у вигляді методики, що реалізується, при наявності початкових даних, на ПЕОМ.

2. У методі розв'язання задачі розподілу потоку у мережі запропонована модифікація, яка враховує більше параметрів інформаційних потоків. Цій модифікований метод дозволяє визначити параметри інформаційних потоків, що передаються найкоротшими шляхами по каналам зв'язку цілком для всієї мережі, та врахувати наявність ефекту самоподоби. Отримані за допомогою цього методу дані використовуються далі при визначені оптимальних значень пропускних здатностей каналів зв'язку, що дозволяє підвищити точність рішення цієї задачі.

3. Вдосконалено метод визначення пропускних здатностей каналів зв'язку, що дозволяє використовувати його у випадку передачі через телекомунікаційну мережу інформаційних потоків з ефектом самоподоби. Для розв'язання цієї задачі запропоновано використовувати метод найскорішого спуску. Запропонована модифікація цільової функції та системи обмежень, що дозволило зменшити розмірність задачі, яка розв'язується, зменшити складність алгоритму та підвищити стабільність його роботи.

4. Продемонстровано працездатність запропонованих у дисертаційній роботі методів. Проведено дослідження впливу внутрішніх параметрів алгоритму визначення пропускних здатностей каналів зв'язку, таких як точність визначення точки мінімуму на етапі застосування методу дихотомії та умови зупинення алгоритму, на його збіжність. Визначено, що досягнення величини відносної зміни цільової функції значення меншого граничної (у тому числі від'ємного значення) є достатньою умовою зупинення алгоритму. У разі недостатньої точності визначення мінімуму цільової функції пропонується підвищити точність визначення точки мінімуму на етапі застосування методу дихотомії під час роботи алгоритму. З'ясовано, що для досягнення потрібної точності визначення мінімуму цільової функції потрібно задавати граничне значення умови зупинення на 1..1,5 порядку меншим.

5. Проведено дослідження статистичних характеристик інформаційних потоків, що передаються у телекомунікаційних системах зі застосуванням стільникових технологій GSM GPRS та 3G EVDO. З'ясовано, що ці потоки мають властивості самоподібних процесів, що визначає доцільність використання запропонованих методів параметричного синтезу при проектуванні цих систем.

6. За допомогою імітаційного моделювання доведена адекватність запропонованих методів визначення параметрів потоків у каналах зв'язку та вибору оптимальних значень пропускних здатностей каналів зв'язку. Порівняльний аналіз результатів імітаційного моделювання, параметри моделі якої, розраховувалися за допомогою запропонованого методу та класичного методу “квадратного кореня”, показав, що запропонований метод дозволяє більш ефективно здійснити розподіл мережного ресурсу ніж класичний, що призводить до зменшення середнього часу затримки повідомлення у мережі (від 10% до 35%) при надходженні на вхід мережі потоків з ефектом самоподоби.

7. Розроблені та модернізовані методики та програмна реалізація рекомендується для використання в проектних організаціях, на етапах проектування телекомунікаційних систем, які знову споруджуються чи реконструюються, з числом вузлів від декілька десятків до декілька сотень, при наявності в інформаційних потоках, що передаються ефекту самоподоби. Це прискорить термін проектування, значно підвищить ефективність та зменшить вартість проектних робіт. Отримані результати впроваджені у навчальний процес кафедри телекомунікаційних систем у дисциплінах з проектування телекомунікаційних систем, що підтверджується відповіднім актом впровадження.



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Агеев Д.В. Самир Махмуд. Проблемы управления мультисервисной телекоммуникационной системой // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2006. - Вып.144. - С. 97 - 101.

2. Агеев Д.В., Самир Махмуд, Чернятьев А.В. Выбор пропускных способностей каналов связи при самоподобной характере передаваемых потоков // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2007. - Вып.148. - С. 87 -95.

3. Агеев Д.В., Самир Махмуд. Сравнительный анализ методик выбора пропускных способностей каналов связи при самоподобных потоках в сети // Зв'язок. Наук.-вироб. журнал. - 2007. - № 3. - С. 15-17.

4. Самир Махмуд. Исследование характеристик телекоммуникационных систем при входящем потоке с эффектом самоподобия // 10-й ювілейний міжнародний молодіжний форум “Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.”. - Харків: ХНУРЕ, 2006. - С. 99.

5. Агеев Д.В., Самир Махмуд. Исследование параметров телетрафика при доступе абонентов в Интернет с учетом эффекта самоподобия // Труды 7-й Международной научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии. СИЭТ-2006”. - Одесса: ОНПУ, 2006. - С. 187.

6. Агеев Д.В., Самир Махмуд. Передача информации с учетом эффекта самоподобия // 1-я міжнародна конференція “Глобальні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку”. - Харків: ХНУРЕ, 2006. - С. 362-363.

7. Агеев Д.В., Самир Махмуд. Параметрический синтез телекоммуникационных систем при статистически самоподобных входящих потоках 11-й ювілейний міжнародний молодіжний форум “Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст”. - Харків: ХНУРЕ, 2007. - С. 80.

8. Агеев Д.В., Самир Махмуд. Пропускные способности каналов связи при передаче потоков с эффектом самоподобия. // Труды 8-й Международной научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии. СИЭТ-2007”. - Одесса: ОНПУ, 2007. - С. 197.



Анотація

Самір Махмуд Мохамед Канаан. Проектування мультисервісних телекомунікаційних систем при самоподібних вхідних потоках. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі. Харківський національний університет радіоелектроніки. Харків, 2007.

Дисертація присвячена вдосконаленню методів топологічного та параметричного проектування телекомунікаційних систем на базі моделей інформаційних потоків у вигляді самоподібних процесів та з урахуванням вимог щодо структури NGN, з метою використання їх при проектуванні. У роботі запропонована модифікація методу розподілу потоку та визначення їх параметрів у каналах зв'язку, а також методу визначення пропускних здатностей каналів зв'язку. Використані в дисертації методи параметричного синтезу дозволяють ураховувати більшу кількість параметрів інформаційних потоків і можуть використовуватися при проектуванні телекомунікаційних систем при вхідних потоках з ефектом самоподоби. Досліджено ефективність пропонованих методів і розроблені практичні рекомендації з вибору значень внутрішніх параметрів алгоритму й практичному застосуванню запропонованих методів. Порівняльний аналіз запропонованих методів із класичним методом показав, що запропонований метод дозволяє з більшої ефективністю здійснювати розподіл мережного ресурсу, що призводить до зменшення середнього часу затримки повідомлення.

Ключові слова: система, телекомунікації, потік, самоподоба, фрактал, пропускна здатність, метод оптимізації, імітаційне моделювання.



Аннотация

Самир Махмуд Мохамед Канаан. Проектирование мультисервисных телекоммуникационных систем при самоподобных входных потоках. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Харьков, 2007.

Отрасль телекоммуникаций являет быстро развивающейся. При этом наблюдается отставание методов проектирования телекоммуникационных систем относительно их развития. До сих пор используются методы основание на использовании моделей информационных потоков как простейших потоков, что приводим к неверным результатам проектирования. Согласно современным исследованиям более адекватными являются модели самоподобных (фрактальных) процессов. Таким образом, диссертация посвящена усовершенствованию методов топологического и параметрического проектирования телекоммуникационных систем на основе моделей информационных потоков в виде самоподобных процессов и учитывающих требования к структуре NGN, с целью применения их при проектировании.

Работа выполнялась в соответствии с Комплексной программой создания ЕНСС Украины 4-й редакции, планами перспективного развития ОАО “Укртелеком”. В работе предложена модификация метода распределения потока и определения их параметров в каналах связи, а также метода определения пропускных способностей каналов. Использованные в диссертации методы параметрического синтеза являются модифицированными и обобщенными методиками, которые позволяют учитывать большее количество параметров информационных потоков и могут использовать при решении задач проектирования современных телекоммуникационных систем при входящих потоках с эффектом самоподобия, например, мультисервисных.

В работе исследованы статистические параметры информационного трафика на различных участках фрагмента мультисервисной телекоммуникационной системы, в том числе и на участке сети доступа, с использованием технологий сотовых систем связи GSM GPRS и 3G EVDO. Подтверждено наличие у передаваемых потоков эффекта самоподобия.

Исследована эффективность предлагаемых методов и разработаны рекомендации по выбору величин внутренних параметров алгоритма и практическому применению предложенных методов. Сравнительный анализ предложенных методов с классическим методом “квадратного корня” с применением средств имитационного моделирования показал, что предлагаемый метод позволяет с большей эффективностью распределять сетевой ресурс, что приводит к уменьшению среднего времени задержки сообщения в сети.

Ключевые слова: система, телекоммуникации, поток, самоподобие, фрактал, пропускная способность, метод оптимизации, имитационное моделирование.



Annotation

Samеr Mahmoud Mohamed Kanaan. Multiservice telecommunication systems design with self-similar input traffic - Manuscript. Thesis for candidate's degree by speciality 05.12.02 - Telecommunication systems and network - Kharkov National University of Radioelectronics. Kharkov, 2007.

Thesis is devoted to updating of telecommunication systems topology and parametrical synthesis method which based on information stream modeling usage as self-similarity procces. This thesis offer information flow distribution and channel flow parameters determination method updating and updating of telecommunication systems channel throughput determination method. The methods, which offered in the dissertation, make possible taking account of more information parameters and can be use for solving telecommunication systems with self-similarity input traffic design problem. The offered methods performance are investigated, practical recommendation for algorithms internal parameters selection and practical usage are offered. Results comparisons have make for result, which obtained with classical method and offered method usage. Obtained results coincidence and come to the conclusion that offered method make possible to obtain greater precision of telecommunication systems channel throughput optimal value determination.

Key words: system, telecommunication, flow, self-similarity, fractal, throughput, optimization method, simulation model.

Размещено на Allbest.ur

...