Проблемы интеграции различных видов связи, включая информационный, системный и сетевой аспекты, уже в течение ряда лет являются самыми актуальными в области телекоммуникации. Даже первый этап создания ЦСИС на базе цифровых систем коммутации и цифровых систем передачи плезиохронной иерархии (PDH) позволил реализовать интеграцию телефонной связи и низкоскоростную передачу данных в рамках У-ЦСИС.

Расширение потребностей пользователей в новых видах связи с высокими скоростями передачи информации, требующих существенно больших значений пропускной способности, привели к тому, что в настоящее время многие операторы сетей РФ начали переход от У-ЦСИС к широкополосным мультисервисным телекоммуникационным сетям, которые реализуют второй уровень интеграции и обеспечивают пользователей широкополосными видами связи: аудио, видео, передача данных, мультимедиа. Международный союз электросвязи рекомендовал при построении таких сетей использовать концепцию Ш-ЦСИС, представляющую собой сеть пакетной коммутации по виртуальным каналам.

Безальтернативной транспортной средой для Ш-ЦСИС общепризнаны BOJ1C. Передача информации по BOJIC обеспечивается цифровыми системами передачи синхронной цифровой иерархии (SDH), которые упаковывают информацию в стандартные блоки - транспортные модули (STM). Интеграция различных видов связи в Ш-ЦСИС в системном аспекте базируется на АТМ-технологии, обеспечивающей единый метод передачи информации безотносительно к ее источнику. Все виды информации отображаются в стандартной форме пакетами фиксированной длины (ячейками). Эти пакеты в асинхронном режиме путем статистического мультиплексирования заполняют среду передачи. В Ш-ЦСИС реализуется коммутация пакетов по виртуальным каналам.

В настоящее время известно много разработок оборудования SDH и мультиплексоров ATM, т. е. реализация Ш-ЦСИС стала реальностью. Однако фундаментальной проблемой при создании Ш-ЦСИС остается проблема обеспечения рационального использования ее ресурсов и требуемого качества обслуживания пользователей (GoS). Решение этой проблемы требует, в первую очередь, разработки метода расчета пропускной способности LU-ЦСИС и оценки GoS. Учитывая структурную сложность Ш-ЦСИС, целесообразно сначала решить эту задачу применительно к отдельному звену Ш-ЦСИС. Имея в распоряжении такой метод, можно рассчитать пропускную способность всей Ш-ЦСИС. Именно этой проблеме и посвящен данный раздел.

Предлагаемый метод учитывает фактор мультисервисного обслуживания и структуру трафика, а также эффект введения резервирования ресурсов звена как наиболее перспективного метода управления распределения ресурсов мультисервисной телекоммуникационной сети. Применение этого метода проиллюстрируем на примере организации звена передачи между узлами Ш-ЦСИС при использовании транспортного модуля STM-1, обеспечивающего общую скорость цифрового потока 155,52 Мбит/с при скорости передачи оплачиваемой нагрузки 150,336 Мбит/с. Рассмотрим метод, следуя [11.6].

11.3.1. Постановка задачи по расчету пропускной способности звена Ш-ЦСИС

Прежде всего уточним понятие звена Ш-ЦСИС и определим факторы, влияющие на его пропускную способность. Звено - это участок сети между двумя соседними узлами коммутации. В [11.2,11.5,11.7] было показано, что важнейшим фактором, влияющим на GoS в Ш-ЦСИС, является процедура доступа пользователей в сеть. Заметим, что проблема доступа к канальным ресурсам возникает и в У-ЦСИС, причем она имеет много общего с проблемой в Ш-ЦСИС. Однако есть принципиальное отличие, обусловленное характером трафика Ш-ЦСИС. В У-ЦСИС в зависимости от вида связи пользователю предоставляется строго фиксированная ширина полосы пропускания (трафик с постоянной битовой скоростью - CBR), определяемая как D = п х 64 кбит/с, где п = 1, 2, …, 30. Таким образом, в У-ЦСИС предоставляется совокупность каналов с фиксированной битовой полосой.

В Ш-ЦСИС пользователь создает информационный поток, битовая скорость которого является случайной величиной. Технология ATM позволяет предоставлять пользователю по требованию переменную ширину полосы битовых скоростей передачи (ШПБСП), а узлы Ш-ЦСИС в режиме коммутации пакетов формируют виртуальный канал с переменной пропускной способностью.

Как уже отмечалось, в Ш-ЦСИС с ATM различают следующие классы трафика:

• класс А - трафик CBR, создаваемый пользователем, передающим информацию с постоянной битовой скоростью;

• классы В и С - трафик VBR, создаваемый пользователем, передающим информацию с переменной битовой скоростью;

• класс В - трафик VBR, создаваемый при требовании передачи информации в реальном масштабе времени (real time VBR);

• класс С - трафик VBR, не требующий передачи информации в реальном масштабе времени (non-real time VBR);

• класс D - разделяется на два подкласса:

1) трафик ABR, создаваемый на доступной битовой скорости;

2) трафик UBR, создаваемый при неспецифицированной битовой скорости.

Трафик VBR является наиболее общим типом трафика Ш-ЦСИС, поэтому поставленную задачу будем рассматривать для этого случая.

Чтобы определить пропускную способность звена Ш-ЦСИС, сначала необходимо оценить влияние фактора трафика VBR. Для этого можно воспользоваться понятием эквивалентной ШГТБСП, теория которой была рассмотрена в гл. 9. Как было показано выше, эквивалентная ШПБСП определяется приближенно первыми двумя моментами функции распределения вероятностей изменяющейся во времени ШПБСП. Переход к эквивалентной ШПБСП позволяет свести решение задачи в Ш-ЦСИС к использованию математических моделей, разработанных в гл. 4 для расчета вероятностных характеристик У-ЦСИС. Исследования, проведенные в [11.4-11.6], подтвердили эффективность такого преобразования и возможность его применения для проектирования Ш-ЦСИС.

На рис. 11.4 представлена схема обслуживания заявок и среда передачи, реализующая звено Ш-ЦСИС. Не снижая общности рассуждений, при-

мем, что на звене Ш-ЦСИС используется транспортный модуль SDH - STM-1. С учетом структуры модуля диапазон скоростей передачи информации для различных классов пользователей составляет 2…34 Мбит/с. Случай пользователя с плезиохронной скоростью 140 Мбит/с при применении STM-1 является вырожденным и в данной постановке задачи интереса не представляет.

При построении модели звена примем следующие допущения. Каждый класс пользователей K_t,i = l,u, создает поступающую нагрузку Д, / = 1,и. Все нагрузки являются маркированными пуассоновскими с маркой Mark', i - 1, и, причем Mark, -число полос битовых скоростей передачи (ПБСП), требуемых для обслуживания пользователей класса К_пi = 1, и.

Звено моделируется в виде СМО с явными потерями. Если при поступлении вызова ему не может быть предоставлена требуемая ШПБСП, то этот вызов считается потерянным. Это соответствует известной модели «потерянные вызовы стираются» - LCC (Lost Call Cleared).

Задачей, рассматриваемой в данной работе, является определение пропускной способности звена Ш-ЦСИС при доступе к звену пользователей, передающих информацию с различными скоростями. В телефонной сети имеется один класс пользователей, создающих один тип трафика, поэтому задача определения пропускной способности является одномерной и сводится к оценке нагрузки, которую может обслужить сеть при фиксированном GoS. В отличие от этого в Ш-ЦСИС имеется множество классов пользователей, создающих различные типы трафика, и, следовательно, задача определения пропускной способности является многомерной. Таким образом, решение этой задачи сводится теперь к определению вектора обслуженных нагрузок в w-мерном пространстве, координатами которого являются вероятности потерь отдельных классов пользователей Р_п/ = 1, и, характеризуемые различными ШПБСП.

Исследования показали, что пропускная способность Ш-ЦСИС зависит от многих факторов, основными из которых являются:

• число классов пользователей (числа источников нагрузки);

• величина ШПБСП, необходимая для обслуживания вызовов различных классов пользователей;

• характер изменения ШПБСП во времени (источники нагрузки с CBR или VBR);

• интенсивности нагрузок, поступающих от пользователей;

• принятая процедура управления доступом заявок в сеть (САС - Call Admission Control).

Только учет всей совокупности факторов позволяет оценить вероятностные характеристики GoS, в том числе вероятности потерь вызовов для отдельных классов пользователей, т. е. построить вектор потерь вызовов.

В силу структурной сложности Ш-ЦСИС целесообразно решать проблему расчета вероятности потерь сначала на одном звене. Если решение будет найдено, то можно построить вектор потерь, оценив результирующую вероятность потерь между пользователями сети как вероятность потерь от «точки к точке». Если принять, что вероятности потерь вызовов на отдельных звеньях Ш-ЦСИС являются независимыми, то вероятность потерь от «точки к точке» Р можно определить как:

где Р_у- вектор потерь по вызовам на j-м звене Ш-ЦСИС на выбранном маршруте; S- число последовательно включенных звеньев.

В этом выражении все операции имеют векторный смысл.

В отличие от гл. 4, где рассматривался более общий случай - ограниченной доступности, при расчете пропускной способности звеньев Ш-ЦСИС можно считать, что подключение любого класса пользователей к ресурсу звена осуществляется по полнодоступной схеме.

При таких допущениях погрешность в расчеты вносится лишь на этапе определения эквивалентной ШПБСП для пользователей, создающих трафик VBR. Как отмечалось выше, эта погрешность не является существенной при проектировании сети.

Постановка задачи расчета пропускной способности звена Ш-ЦСИС будет неполной, если не учесть методы управления GoS. В настоящее время одним из наиболее эффективных методов управления качеством обслуживания пользователей, используемых при создании широкополосных мульти-сервисных сетей с ATM, является резервирование ШПБСП (Р-ШПБСП) для различных классов пользователей. Многочисленные исследования, проведенные в области резервирования канальных ресурсов [11.1-11.3, 11.5, 11.6], показали, что Р-ШПБСП для отдельных классов пользователей является чрезвычайно эффективным механизмом управления GoS. При решении поставленной задачи целесообразно рассмотреть два случая оценки пропускной способности звена, когда доступ к ресурсу звена:

1) не ограничен для всех классов пользователей, Р-ШПБСП нет;

2) ограничен для некоторых классов пользователей, Р-ШПБСП есть.

Предполагается, что во втором случае применяется метод резервирования SLM (Sum Limitation Method) [11.1, 11.2], основанный на пороговом ограничении доступа для отдельных классов пользователей по критерию суммарного числа используемых ШПБСП В терминах суммарного числа занятых каналов применительно к У-ЦСИС проблема резервирования подробно изучена в гл. 5.

11.3.2. Метод расчета пропускной способности звена Ш-ЦСИС с АТМ-технологией Как следует из постановки задачи (см. выше), метод расчета пропускной способности звена Ш-ЦСИС состоит из двух этапов. На первом этапе выполняется замена всех источников трафика УВЯ на источники эквивалентного трафика СВЯ. Эквивалентность понимается в отношении сохранения значения вероятности потерь пакетов (АТМ-ячеек) Р_сец. Замена источников сводится к пересчету ШПБСП.

Эквивалентную ШПБСП для 1-го класса пользователей с трафиком УВЯ при заданной норме на Р_сеи, согласно Г11. 5, 11.71, определяют по формуле

где С - скорость передачи на звене; И - максимальное значение ШПБСП г-го класса пользователей для нормализованной битовой интенсивности нагрузки, создаваемой г-м классом пользователей; т и о²соответственно первый и второй моменты распределения вероятностей ШПБСП во времени; ср - коэффициент, зависящий от Р_сец.

Наиболее трудоемкой задачей представляется нахождение значений т и ст². На практике эти величины определяют для различных классов пользователей экспериментально. При этом т определяют не непосредственно, а через нормированную максимальную битовую скорость, которую называют берстностью.

В Ш-ЦСИС скорость передачи информации представляет собой случайный процесс гр). В силу физических причин всегда существует ограничение максимально допустимой скорости передачи (см. гл. 9)

получило название берстности.

В Ш-ЦСИС при использовании технологии АТМ берстность является важнейшей характеристикой передаваемой информации, которая оказывает существенное влияние на пропускную способность звена и всей сети. Неслучайно проблема определения величины В является одной из приоритетных многих международных исследовательских проектов.

Для различных видов связи и соответственно информации берстность изменяется в широких пределах, на практике В = 1-10. Случай В = 1 соответствует постоянной скорости передачи информации.

Второй этап метода включает собственно расчет вероятностных характеристик звена с учетом выполненной на первом этапе эквивалентной замены ШПБСП. В соответствии с постановкой задачи метод строится для двух стратегий управления ресурсом звена - при отсутствии резервирования ШПБСП и при наличии.

Рассмотрим первую стратегию, когда доступ пользователей к ресурсу звена не ограничен и Р-ШПБСП нет. Распределение вероятностей числа одновременно занятых ПБСП на звене имеет вид (см. гл. 4)

Так как в Ш-ЦСИС все пользователи, по условию, имеют неограниченный доступ к ресурсу звена, то предполагаем, что звено представляет собой полнодоступный пучок и, следовательно,

В этом случае вероятность потерь по вызовам на звене для пользователей 1-го класса

Вторая стратегия предполагает введение резервирования ресурсов звена для некоторых классов пользователей. Марковская модель с резервированием канальных ресурсов была рассмотрена в гл. 5. Используем эту' модель в применении к методу резервирования БЬМ, пороговое ограничение в соответствие с которым строится на учете числа уже использованных ПБСП.

Распределение вероятностей числа одновременно занятых ПБСП на звене Ш-ЦСИС имеет вид (см. гл. 5)

При принятом допущении о том, что на звено Ш-ЦСИС поступают маркированные пуассоновские нагрузки, вышеприведенные формулы являются строгими.

На основе разработанного метода был построен алгоритм расчета вероятностных характеристик звена Ш-ЦСИС. Алгоритм расчета имеет следующий вид.

1. Классификация всех пользователей по характеру трафика на CBR- и VBR-пользователей.

2. Выбор величины берстности В для VBR-пользователей на основании данных изысканий (например, по табл. 11.1 [11.8]).

3. Определение средней скорости передачи, исходя из выбранной величины берстности и максимальной скорости передачи VBR-пользователя.

4. Определение эквивалентных (расчетных) ШПБСП для всех VBR-пользователей на основе средних и максимальных скоростей VBR-поль-зователей.

5. Выбор базовой ШПБСП как наименьшего общего кратного ШПБСП всех CBR- и VBR-пользователей.

6. Определение максимального числа базовых ШПБСП на основе заданной скорости среды передачи.

7. Расчет индивидуальных вероятностей потерь для всех классов пользователей, имеющих доступ к ресурсу звена.

8. Расчет средневзвешенной вероятности потерь.

9. Пересчет фактических поступающих нагрузок пользователей в нормализованные битовые интенсивности поступающей нагрузки звена согласно [11.5].

10. Вычисление пропускной способности звена, выделяемой для каждого класса пользователей, и общей пропускной способности звена.

11.3.3. Примеры расчета звена Ш-ЦСИС с АТМ-технологией при мультисервисном обслуживании Рассмотрим применение предложенного метода на примере расчета звеньев Ш-ЦСИС. Пусть к ресурсу звена имеют доступ три класса пользователей:

1) стандартные телефонные сообщения, передаваемые по каналам ИКМ - 30/32. Они образуют трафик типа VBR с пиковой скоростью (PCR) 2 Мбит/с, берстностью В = 2,5 и допустимой вероятностью потерь ячеек (CLR) CLR = 10~⁵;

2) интернет-сообщения, образуемые в ходе сессии просмотра Web-страниц. Они образуют трафик типа ABR (доступная битовая скорость) с PCR = 2 Мбит/с, берстностью В = 10 и CLR = 10'⁸;

3) сообщения мультимедийной связи высокого качества (сообщения типа VBRrt). Они образуют трафик, требующий обработки в реальном времени (real-time), типа VBR трафик с PCR = 10 Мбит/с, берстностью В = 10 и вероятностью потерь ячеек CLR = 10^-8.

При проведении расчетов учитывались стандарты ITU-T, т. е. предполагалось, что звено Ш-ЦСИС использует транспортный модуль STM-1 синхронной цифровой иерархии - SDH.

Пример 1. Резервирования ресурсов звена нет. Результаты расчета вероятностных характеристик и определения пропускной способности звена Ш-ЦСИС в соответствии с предложенным методом представлены в табл. 11.2.

На рис. 11.5 приведен фрагмент распределения вероятностей числа одновременно занятых базовых ПБСП без резервирования ресурсов звена, построенного в соответствии с (11.34). На рис. 11.6 проиллюстрирован разброс значений вероятностей потерь для различных видов пользователей (примерно от 2 до 5 %о), а также соотношение индивидуальных и средневзвешенных потерь. Рис. 11.6 наглядно показывает неравномерность качества обслуживания пользователей для различных видов связи на одном и том же звене Ш-ЦСИС.

Пример 2. Резервирование ШПБСП при доступе к ресурсам звена, используемый метод резервирования - БЬМ. Задача расчета пропускной способности звена рассматривается для случая, когда для пользователей первого и второго класса введено ограничение доступа к ресурсу звена, при этом заданы нормированные пороги: 01 = 0,986, 02 = 0,975, 0₃= 1.

Результаты расчета представлены в табл. 11.3 и графическими зависимостями на рис. 11.7 и 11.8.

Рис. 11.5. Фрагмент распределения вероятностей числа одновременно занятых базовых ПБСП без резервирования ресурсов звена

Рис. 11.6. Вероятности потерь для различных классов пользователей Р, и средневзвешенная вероятность потерь Ртеап без резервирования ресурсов звена

Анализируя графические зависимости рис. 11.6 и 11.8, а также данные табл. 11.3 и 11.2, можно отметить, что:

1) отсутствие резервирования ресурсов звена Ш-ЦСИС приводит к существенной неоднородности качества обслуживания пользователей;

2) введение резервирования ресурсов звена Ш-ЦСИС позволяет значительно выровнять качество обслуживания пользователей.

Последовательно применяя рассмотренный метод расчета пропускной способности для отдельных звеньев сети, можно в конечном счете оценить вероятности потерь для различных классов пользователей сети от «точки к точке», а также определить пропускную способность и приемлемую загрузку звеньев Ш-ЦСИС. Результаты работы можно применить непосредственно при конкретном проектировании мультисервисной широкополосной телекоммуникационной сети, в которой доступ пользователей к ресурсу звена

Рис. 11.7. Фрагмент распределения вероятностей числа одновременно занятых базовых ПБСП при резервировании ресурсов звена

Рис. 11.8. Вероятности потерь для различных классов пользователей Р, и средневзвешенная вероятность потерь Ртеап при резервировании ресурсов звена может быть либо не ограничен, либо ограничен с введением резервирования ресурсов звена для приоритетных классов пользователей. Результаты работы можно использовать также для проектирования У-ЦСИС, в которой пользователям предоставляются фиксированные битовые скорости передачи информации.

Литература 11.1. Башарин Г.П., Куренков Б.Е. Исследование одной СМО с дискретным временем // Изв. АН СССР Техн. кибернетика. 1983. № 6. С. 26-30.

11.2. Ершов В.А. Коммутация на интегральной цифровой сети связи. М.: Связь, 1978.

11.3. Ершов В.А. Кузнецов H.A. Теоретические основы построения цифровой сети с интеграцией служб (ISDN). Институт проблем передачи информации РАН, 1995.

11.4. Ершов В.А. Метод расчета вероятности потерь информационных ячеек на узле быстрой коммутации пакетов с асинхронно-временным мультиплексированием //Управление в распределенных системах. М.: Наука, 1993. С. 21-26.

11.5. Ершов В.А., Ершов Дм. В. Управление канальными ресурсами ЦСИС на основе его резервирования// Электросвязь, 1994. № 12. С. 1-8.

11.6. Ершов В.А., Ершова Э.Б., Ковалев В.В. Метод расчета пропускной способности звена передачи Ш-ЦСИС с ATM-технологией при мультисервисном обслуживании // Электросвязь, 2000. № 3.

11.7. Ершов В.А., Ершова Э.Б., Кузнецов H.A. Телекоммуникационные сети - тенденции развития. Часть I. Интеграционные процессы в телекоммуникационных сетях. М.: Труды MAC. 1997. № 4. С. 2-6.

11.8. Справочник по специальным функциям / Под ред. М. Абрамович и И. Стеган. М.: Наука, 1979.

11.9. Borgonovo F., Fratta L. Policing Procedures: Implications, Definitions and Proposals. Teletraffic and Datatraffic in a Period of Change 11 ITC-13, Copenhagen, 1991. P. 859-866.

11.10. Cooper R.В. Introduction to queueing theory. Amsterdam: North Holland, 1977.

11.11. Ershov V., Igelnik M.A. Grade of Service Analysis for Multi-Channel Switching in ISDN // ITC-13, Copenhagen, 1991. P. 891-898.

11.12. Hübner F, Tran-Gia P. Quasi-Stationary Analysis of a Finite Capacity. Asynchro-nois Multiplexer with Modulated Deterministic Input // ITC-13, Copenhagen, 1991. P. 723-729.

11.13. Kroner H. Asynchronous Multiplexer with Modulated Deterministic Input. Tele-traffic and Datatraffic in a Period of Change // ITC-13, Copenhagen, 1991. P. 723-729.

11.14. Kroner H. Statistical Multiplexing of Sporadic Sources - Exact and Approximate Perf. Analysis Teletraffic and Datatraffic in a Period of Change // ITC-13, Copenhagen, 1991. Vol. 14. P. 787-293.

11.15. Lindberger K. Analitical Methods for the TrafFical Problems with Statistical Multiplexing in ATM-Network. Teletraffic and Datatraffic in a Period of Change // ITC-13. Copenhagen, 1991. P. 807-813.

11.16. Mvller-Clostermann B., UhlT., ZaskeS. Modeling and Analysis of Arrival Processes // Third German - Soviet Seminar on Flow Control and Integrated Communication System. University of Dortmund. Institute for Electronic Systems and Switching. Dortmund 9-15, 1991.

11.17. Performance evaluation and design of multiservice networks. COST 224. Edited by Roberts J.W. (project chairman) Commisssion of the European Cjmmities. Information Technologies and Sciences. Final report, 1991.

11.18. Ramaswami V., Rumsewicz M., Willinger W., Eliasov T. Comparison of some Traffic models for ATM Performance Studies // ITC-13. Copenhagen, 1991. Vol. 14. P. 7-12.

11.19. Rasmussen C., Sorensen J.A Simple Call Acceptance Procedure in an ATM Network, Computer Networks and ISDN Systems // The Intern. Joum. of Computer and Telecommunications Networking. Vol. 20. N. 1-5, December 1990.

11.20. Ritter Michael, Tran-Gia P. Multi-Rate for Dimensioning and Performance Evaluation of ATM Networks. COST 242. Interim Report, 1994.

11.21. Ross K. W. Multiservice Loss Models for Broadband Telecommunication Networks. Springer-London, 1995.

11.22. Turner J. The Challenge of Multipoint Communication // 5th ITC Seminar on Traffic Engineering for ISDN Design and Planning, Lake of Como, Italy, May 1987.

11.23. Whitt W. Heavy-traffic approximation for service system with blocking // AT&T Bell Lab. Techn. J. 1984. Vol. 63. N. 5. P. 689-706.

Распространяется, как мухами зараза, и как в кафе удачно брошенная фраза.

И. Бродский

⇐Метод расчета вероятности потерь ячеек в системе бкп | Мультисервисные телекоммуникационные сети | Телекоммуникационные сети построенные на основе синхронной цифровой иерархии⇒