Одеська Національна академія зв’язку ІМ. О.С. Попова

БУРАЧОК РОМАН АДАМОВИЧ

УДК 621.395.7

Вплив первинних параметрів мережі

на якість надання

телекомунікаційних послуг

05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса-2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Климаш Михайло Миколайович,

Національний університет „Львівська політехніка”,

заступник завідувача кафедри телекомунікацій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Безрук Валерій Михайлович,

Харківський Національний університет радіоелектроніки,

професор кафедри мереж зв’язку

кандидат технічних наук, доцент

Одінцов Микола Миколайович,

Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова,

професор кафедри волоконно-оптичних ліній зв’язку

Захист відбудеться «20» червня 2008 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 Одеської Національної академії зв’язку ім. О.С. Попова за адресою: вул. Ковальська, 1, м. Одеса, 65029.

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

Автореферат розіслано «16» травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Ложковський А.Г.

Загальна характеристика роботи

Завершена науково-дослідна робота, в якій вирішена актуальна науково-прикладна задача розробки методу визначення показника якості надання послуг в мультисервісних мережах на основі первинних параметрів. Застосування розробленого методу дозволяє виділити первинні параметри мережі, які найбільш суттєво впливають на якість надання послуг, підвищити його за рахунок більш ефективного використання мережевих ресурсів і здійснити прогнозування якості надання нових видів послуг на етапі їх впровадження операторами зв’язку.

Актуальність теми. Сучасні телекомунікаційні мережі (ТКМ) орієнтовані на надання абонентам широкого спектру послуг, кожна з яких при передаванні характеризується різнотипними вимогами щодо мережевих ресурсів. Якість надання послуг в мультисервісних мережах контролюється за допомогою різних методів, серед яких найбільш відомі: PSQM – метод персептуальної оцінки якості мови, PESQ – метод оцінювання сприйнятої якості мови, PEAQ – метод персептуальної оцінки якості аудіо, TOSQA – метод телекомунікаційного оцінювання якості мовлення та ін. Серед вчених, які зробили істотний внесок у створення та розвиток методів визначення показника якості послуг мультисервісних мереж і працювали в складі груп ITU-T та IETF, можна виділити Armitage G., Chao J. H.,Guo X., Georgiadis L., Guerin R., Peris V., Sivarajan K., Sariovan H., Cruz R. L., Zhao W., Schulzrinne H., Kuipers F. A. і ін., а також Попов Г. Н., Соколов В. А., Шварцман В.О., Бітнер В.І., Кучерявий Е.А.

Існуючі методи визначення показника якості послуг є високоточними і простими у використанні тільки для оцінки якості послуг телефонії або передавання/приймання аудіосигналів, чого недостатньо, оскільки набір послуг сучасних ТКМ є значно ширшим і з року в рік зростає. Введення нових видів додатків операторами зв’язку веде до пониження показника якості послуг, які надаються абонентам, неефективного використання мережевих ресурсів та неможливості адекватно оцінювати якість нових видів сервісу існуючими методами. Також, існуючі моделі оцінювання якості послуг дозволяють оцінювати окремі параметри якості, але механізму комплексної оцінки якості не існує. На сьогоднішній день ведуться інтенсивні роботи зі створення нових точних, універсальних і простих у використанні методів визначення показника якості послуг, придатних для використання у мультисервісних мережах по відношенню до існуючих та пропонованих для впровадження в майбутньому видів послуг.

Метою роботи є розробка методу визначення впливу первинних параметрів мережі на показник якості послуг в мультисервісних мережах.

Об’єкт дослідження – мультисервісна телекомунікаційна мережа.

Предмет дослідження – показник якості надання послуг телекомунікаційних мереж.

Поставлені у роботі задачі:

- розробити метод визначення показника якості надання послуг, який враховує вплив первинних параметрів мережі і може застосовуватися для відносно широкого спектру послуг, що надаються або можуть надаватися операторами зв’язку в майбутньому;

- розробити моделі визначення показника якості послуг, залежного від структурної надійності та семантичної прозорості мережі, які враховують методи резервування обладнання та способи захисту інформаційних потоків у синхронних транспортних мережах, застосовувані методи виявлення і виправлення помилок, якість синхросигналу та умови його перерозподілу між елементами мережі;

- розробити модель визначення показника якості послуг, що залежить від часової прозорості мережі, яка дозволяє врахувати роботу мережі сигналізації, протоколів мережевого і транспортного рівнів, алгоритмів обслуговування черг і методу маршрутизації;

- розробити методику вимірювання показника якості послуг мультисервісних мереж залежно від динаміки зміни первинних параметрів мережі;

- провести дослідження запропонованого методу визначення показника якості послуг і використовуючи результати статистичних даних та імітаційного моделювання, визначити величину похибки оцінки якості послуг при зміні первинних параметрів мережі.

Методи дослідження: апарат інтегрально-диференціальних рівнянь та марківських процесів, теорія масового обслуговування, теорія імовірностей, методи математичної статистики та статистичного аналізу, методи комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

У ході виконання дисертаційної роботи отримано нові наукові результати:

- вперше запропоновано метод визначення показника якості надання послуг, який дає можливість отримати об’єктивне значення оцінки якості, яке визначається первинними параметрами мережі. Запропонований метод є універсальний для будь-яких видів послуг і дозволяє отримати комплексне значення показника якості послуг, незалежно від типу мережі, застосовуваних технологій та вхідного навантаження;

- розроблено модель структурної надійності цифрової синхронної мережі, яка дозволяє визначити характеристики надійності з врахуванням методів резервування обладнання, способів захисту інформаційних потоків і показник якості послуг, що залежить від імовірності безвідмовної роботи елементів мережі;

- вдосконалено модель семантичної та часової прозорості мережі враховуючи роботу фізичного, канального, мережевого та транспортного рівнів моделі ISO/OSI. Визначено показник якості послуг враховуючи імовірності виникнення помилок та просковзувань синхросигналу, значення часових затримок і джиттера при використанні адаптивних методів маршрутизації інформаційних та сигнальних потоків;

- розроблена методика вимірювання показника якості послуг, яка дозволяє застосовувати запропонований метод на мультисервісних мережах, в основі яких використано різнотипні технології і методи комутації;

- вперше досліджено динаміку зміни первинних параметрів мережі, та отримано залежність показника якості послуг від навантаження мережі;

- запропоновано на основі розробленого методу шляхи підвищення показника якості обслуговування абонентів за рахунок більш ефективного розподілу мережевих ресурсів.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

- розроблений метод визначення показника якості послуг на основі первинних параметрів мережі дає можливості визначити комплексну оцінку якості послуг з точністю ±7% та застосування для різних видів послуг на мультисервісних мережах різних технологій і методів комутації;

- на основі запропонованого методу визначено об’єктивне значення показника якості послуг із значенням похибки 7% відносно первинних параметрів мережі, до 4% по структурній надійності, до 3% по семантичній та часовій прозорості мережі. Розроблено алгоритм функціонування телекомунікаційної мережі, який дозволяє оцінити зміну первинних параметрів мережі та показника якості послуг в часі залежно від завантаженості мережі, при значенні якої вище 80% оцінка якості складає 3,5 і нижче. Запропонований алгоритм дозволяє визначити потенційні можливості мережі щодо надання нових видів послуг або послуг підвищеної якості;

- розроблено методику вимірювання показника якості послуг мультисервісної мережі, враховуючи моделі надійності, семантичної та часової прозорості мережі, яка дозволяє визначити об’єктивне значення оцінки якості та підвищити ефективність використання ресурсів мережі.

Результати роботи можуть бути використані операторами зв’язку для визначення показника якості послуг, які надаються, автоматизації контролю за якістю послуг, визначення та прогнозування комплексного і окремих значень показника якості залежно від одного або кількох первинних параметрів мережі, оцінки якості конкретного виду послуг та якості нових послуг, ємнісних по ресурсах мережі або специфічних по вимогах до параметрів мережі чи якості обслуговування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційні дослідження узгоджуються з основними положеннями „Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року” і „Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні”. Тема дисертаційної роботи відповідає науково-технічному напрямку ВАТ „Укртелеком”, а також науковим планам кафедри „Телекомунікації” Національного університету „Львівська політехніка” (НУЛП). Основні результати роботи увійшли до складу науково-технічних звітів та впроваджені замовниками: госпдоговірної НДР “Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж”, (2007 р.), номер держ. реєстрації № 0107U000822; госпдоговірної НДР “Дослідження і оптимізація структури і топології інфокомунікаційних систем і мереж” (ДБ/Структура), (2006 – 2007 рр.), номер держ. реєстрації № 0106U009587; „Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних”, номер держ. реєстрації 0103U004644, 2003-2005 р. та у навчальний процес кафедри „Телекомунікації” НУЛП для підготовки фахівців з напрямку „Телекомунікації” і спеціальностей „Інформаційні мережі зв’язку” та „Телекомунікаційні системи та мережі”. Дисертант при виконанні наукових програм та тем виступав у ролі виконавця.

Результати наукових досліджень впроваджені у відділі планування та розвитку мереж Львівської філії ВАТ „Укртелеком” та Центрі технічної експлуатації № 6 Дирекції первинної мережі ВАТ “Укртелеком”, а також в навчальному процесі кафедри „Телекомунікації” Національного університету „Львівська політехніка”, що підтверджується відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи були отримані автором особисто, самостійно отримано результати експериментальних досліджень та проведено апробацію запропонованого методу.

В роботах, виконаних у співавторстві, особисто автору належать наступні наукові результати: У роботах [1, 5] виділено основні параметри мережі та визначено їх вплив на узагальнене значення показника якості. У роботах [3, 6, 7] запропоновано модель та проведено розрахунок структурної надійності первинної мережі м. Львова. У роботах [8, 9] проведено розрахунок часових затримок для протоколів АТМ мережі доступу та визначення ефективності протоколів AAL. У роботах [10-15] проведено класифікацію топологічних структур мереж доступу та запропоновано модель визначення часових затримок. У роботі [16] проведено класифікацію послуг телекомунікаційних мереж та визначено продуктивність протоколів АТМ технології по відношенню до різних типів послуг. У роботах [17, 18] проведено аналіз можливостей та обмежень щодо застосування існуючих методів визначення показника структурної надійності SDH мереж. У роботах [19, 20] запропоновано імітаційну модель дослідження структурної надійності SDH мереж. У роботах [21, 22] розроблено модель визначення структурної надійності SDH мереж із врахуванням методів резервування потоків, проведено дослідження з використанням імітаційної моделі. У роботах [4, 23, 24] запропоновано методику визначення семантичної прозорості мережі та впливу на показник якості послуг, проведено експериментальні дослідження оцінки якості для конкретних видів послуг. У роботах [25, 26] запропоновано модель роботи буферного пристрою вузла комутації пакетів, досліджено вплив його роботи на якість різнотипних послуг. У роботах [27, 28] розроблено математичну модель на основі інтегрально-диференціального методу для визначення структурної надійності вузла та магістральної SDH мережі із врахуванням типових методів резервування. У роботі [2] запропоновано узагальнений метод визначення об’єктивного значення показника якості послуг на основі параметрів мережі. У роботах [29, 30] запропоновано модель визначення об’єктивного значення показника якості послуг в телекомунікаційних мережах від первинних параметрів мережі та наведено основні результати досліджень. У роботі [31] проведено аналіз методів доступу до мережі Internet із проведенням розрахунку необхідних пропускних здатностей ліній зв’язку.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наступних конференціях: CADSM’2001, CADSM’2003, CADSM’2005, CADSM’2007, The Experience of Designing and Application of CAD System in Microelectronics, 12-17 February, 2001, 18-22 February, 2003, 23-26 February, 2005, 20-24 February, 2007, Lviv-Slavsko-Polyana, Ukraine; LFNM-2002, 4-d International Workshop on Laser and Fiber-Optical Network Modelling, 3-5 June, 2002, Kharkiv, Ukraine; Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science, 18-23 February, 2002, Lviv-Slavsko, Ukraine; ССПОИ-2002, ССПОИ-2004, VI-ая, VIII-ая Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации”, 3-8 сентября 2002 г., 7-12 сентября 2004 г., Одесса, Украина; ICC’2002, Protection of Computer Systems against Electromagnetic Disturbances, 19th-20th September, 2002, Rzeszow-Lancut, Poland; „Сучасні проблеми Телекомунікацій – 2004, 2005”, 20-22 жовтня, 2004 р., 20-23 жовтня, 2005 р., Львів, Україна; EWDTW’06, East-West Design & Test Workshop, 15-19 September, 2006, Sochi, Russia; „Проблеми телекомунікацій”, І-а науково-практична конференція, 25-27 квітня, 2007 р., Київ, Україна.

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано у
31 науковій праці, з них 13 – у матеріалах наукових конференцій.

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 122 джерела і
3 додатки на 22 сторінках. Повний об’єм дисертації 214 сторінок, включаючи
65 рисунків і 10 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми і необхідність виконання досліджень, визначено мету і задачі роботи, вказано об’єкт, предмет та методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Вказано відомості про апробацію та кількість публікацій за матеріалами дисертації.

В першому розділі – «Аналіз методів визначення показника якості послуг в телекомунікаційних мережах» – проведено аналіз стану сучасних телекомунікаційних мереж, перспективи їх розвитку та перелік послуг, що надаються абонентам. Кожна послуга висуває специфічні вимоги щодо якості її надання абоненту, тому основний напрямок розвитку сучасних ТКМ – це розвиток платформ інтегрованого і диференційованого обслуговування, впровадження елементів забезпечення показника якості обслуговування та розробка методів визначення якості послуг. Якість послуг (QoS – Quality of Service), згідно рекомендації ITU-T E.800 – це сумарний ефект показників, який визначає степінь задоволення користувачів обслуговуванням і об’єднує дієвість, безпеку обслуговування, забезпеченість, доступність, безперебійність, цілісність і простоту використання. Дані показники використано в існуючих методах визначення якості послуг: PSQM, PESQ, PEAQ, TOSQA, ICPIF, E-модель і ін. (рекомендації ITU-T, IETF і ITU-R Р.861, Р.862, G.113, G.107, BS.1387, RFC-22xx), де отримані значення перераховуються в оцінку MOS. Перевага даних методів – висока точність при відомих параметрах мережі або з’єднання, але серед недоліків необхідно виділити наступне: методи застосовуються для вимірювання якості голосу або акустичних сигналів, дозволяють визначати окремі параметри якості, володіють значною суб’єктивністю, алгоритмічною складністю і недостатньою достовірністю результатів при зміні параметрів мережі. Відомі методи при визначенні якості послуг передбачають вже встановлене з’єднання і неможливість його розторгнення, або гарантоване виконання умов доступності, безперебійності і цілісності послуги, що в реальних умовах не завжди виконується.

Дослідження роботи сучасних ТКМ показують значну динаміку зміни параметрів мережі, надання абонентам широкого набору послуг і необхідність враховувати можливі зміни показників доступності, безперебійності і цілісності послуги. Перераховані показники об’єктивні, визначаються первинними параметрами мережі і дозволяють отримати окремі та інтегроване значення показника якості послуг по одному виду, або одного абонента, або всіх абонентів та всіх видів послуг мережі.

Первинними параметрами мережі, які впливають на якість надання послуг і показники доступності, безперебійності і цілісності є надійність роботи вузла та мережі, семантична та часова прозорість мережі, що визначаються імовірністю виникнення помилок та просковзуваннями синхросигналів, часом затримки та джиттером. На основі первинних параметрів і їх взаємозв’язків та впливу на показник якості послуг, запропоновано метод (рис. 1), згідно якого оцінка якості (MOS, або
R-фактор) визначається виразом:

при , (1)

де та Vн, Рпп та, Н та – реальні та нормовані значення швидкості та імовірності безпомилкового передавання, надійності мережі, які представимо у виді:

, (2)

, (3)

, (4)

де – функція готовності із врахуванням інтенсивності потоку відмов ,
– середній час роботи між відмовами, – функція простоювання із врахуванням інтенсивності потоку відновлень , – середній час відновлення, та – імовірності помилки при встановленні і роз’єднанні з’єднання, та – імовірності відмови у встановленні і роз’єднанні з’єднання, – імовірність скидання пакету внаслідок перевантаження елементів мережі, – імовірність виникнення помилки в інформаційній та заголовковій частинах пакету, – показник якості синхронізації, – середній час встановлення з’єднання, – середня затримка передавання пакету, – середній час затримки при отриманні цілісної послуги, – середній час очікування звільнення, J – значення джиттера,
Vпд – швидкість передавання даних користувача, – загальна пропускна здатність між вузлами i та j.

Запропонований метод визначення показника якості послуг передбачає врахування значення структурної надійності мережі, семантичної прозорості та часової прозорості, основними складовими якої є час затримки та джиттер. Вплив структурної надійності на показник якості послуг виражається через втрати, що полягають у неможливості надання послуг внаслідок несправності елементів мережі. Семантична прозорість враховує імовірність виправлення помилок та якість синхронізації і визначається величиною втраченого бітового потоку. Збільшення значення параметрів часової прозорості мережі на показник якості послуг виражається у неефективному використанні ресурсів мережі, зростанні відсотку втрат пакетів та запитів на обслуговування і передчасному роз’єднанні з’єднань. Значення показника якості послуг визначається незалежно по кожному окремому первинному параметру мережі, а дослідження комплексного значення відбувається враховуючи взаємні впливи між первинними параметрами мережі.

Другий розділ – «Модель впливу параметрів фізичного та канального рівнів на показник якості послуг» – присвячено розробці моделей визначення показника якості послуг на фізичному та канальному рівнях. Згідно запропонованого методу, параметрами, які впливають на показник якості є структурна надійність та семантична прозорість мережі. Семантична прозорість – це здатність мережі забезпечувати доставку інформації з допустимим для даної послуги рівнем помилок. Якість синхронізації мережі, за дією на процес передавання інформації розглядається як елемент семантичної прозорості.

Сучасні ТКМ прийнято поділяти на первинну магістральну (транспортну) мережу і мережу доступу. Основою транспортної мережі є синхронні цифрові системи. Мережа доступу, яка формує набір послуг для кінцевого абонента, є мережею загального користування, в якій застосовуються і пакетні технології передавання інформації. Для визначення параметрів надійності магістральної мережі, враховуючи методи захисту інформаційних потоків і способи резервування окремих блоків вузла, вибрано метод інтегрально-диференціальних рівнянь, а для мережі доступу – метод прямого перебору станів системи. Вибрані методи мають достатню точність і дозволяють враховувати характерні для транспортної мережі методи захисту інформаційних потоків та режими резервування блоків вузла.

Представимо мережу доступу у вигляді відновлюваної нерезервованої системи топологією „точка-точка”, імовірність працездатності якої визначається справністю всіх послідовних елементів мережі між абонентом та вузлом зв’язку. Основу транспортної мережі складають топології „точка-точка”, „послідовне лінійне коло” та „кільце” із режимами захисту SNCP, 2-ох або 4-ох волоконний MS SPRing. Імовірність працездатного стану топології „точка-точка”, враховуючи режим захисту інформаційного потоку та резервування типу 1 + 1 рівною:

, | (5)

де РМ(t) – надійність роботи вузла магістральної мережі, що враховує типи резервування блоків вузла (1+1, 1:1, N:m), Pд.м.(t) – імовірність доступу до магістральної мережі, Рк(t), Рпп(t) і Рпд(t) – імовірність справного стану кабеля, пристроїв підсилення сигналу та компенсації дисперсії, Ров(t) – імовірність надійної роботи ОВ в напрямку передавання, Кк – кількість кабелів між вузлами S і T, Кпп і Кпд – кількість пристроїв підсилення та компенсації дисперсії.

Імовірність працездатності топології „послідовне лінійне коло” визначається згідно:

(6)

де L – кількість вузлів, – імовірність спрацьовування перемикаючого елемента, – кількість мультиплексорів вводу-виводу РБЛ(t) – імовірність працездатності лінійних блоків вузла, – параметр ущільнення топології „послідовне лінійне коло”.

Надійність структури „кільце”:

, (7)

де – імовірність працездатності півкілець, – імовірність часткової справності при події виходу з ладу кількості ОВ основного та резервного трафіку та – імовірність події переходу на „верхнє” або „нижнє” півкільце – режим замикання ОВ основного трафіку на резервне, KM – кількість транзитних вузлів – магістральна частина вузла, PM(t) – надійність роботи магістральної частини вузла.

Імовірності PM(t) та Pд.м.(t) враховують типову топологічну структуру вузла магістральної мережі та мережі доступу і типи резервувань систем та блоків вузла: гаряче, із заміщенням і мажо-ритарне. В основу запропонованої моделі структурної надійності покладено експоненційні закони розподілу ймовірностей виникнення несправностей та відновлення елементів. Пропонована модель визначен-ня структурної надійності передбачає віднов-лення еле-ментів, що вийшли з ладу. Кінцеве значення імовір-ності не-працездатності струк-тури мережі при визначенні показника якості вважається R-фактором і використовується при визна-ченні MOS оцінки (рис. 2).

Семантична прозорість мережі – параметр впливу на показник якості канального та частково фізичного рівнів. Параметр якості послуг визначається імовірністю виникнення помилок та періодич-ністю просковзувань синхросигналу дія якої аналогічна до дії пакетної завади. Вплив семантичної прозорості на якість послуг визначається структурою та форматом послуги і імовірністю виправлення помилок. Для послуг реального часу (телефонія і ін.) допустимі втрати частини інформації, при цьому R-фактор визначається:

(8)

де – імовірність виникнення ефекту багатократного спотворення, дана складова визначається імовірностями виявлення одно- і багатократних помилок, незалежних та пакетних, коректуючими можливостями коду, Li та Lh – довжина інформаційної частини пакету та заголовку, Vп – об’єм послуги в бітах, Pтр – імовірність виникнення помилки в тракті передавання.

Вплив якості синхронізації на якість послуг визначається періодичністю виникнення просковзувань:

, | (9)

де y0 – початковий зсув частоти, E – ємність еластичного буфера, Кв – кількість вирівнювань на цикл передавання, Ркн та Рс – об’єм полів корисного навантаження та полів секційних заголовків, D – дрейф частоти, Тц – тривалість циклу передавання, N(t) – величина розходження початкової і поточної частот, JR(N) та JS(N) – середньоквадратичні значення випад-кового та систематичного джиттера при проходженні синхросигналу через N транзитних вузлів, – вандер температурних змін оптичного кабелю, fp – параметр, що враховує умови поширення синхросигналу між елементами мережі.

Процес безпомилкового переда-вання даних забезпечується протоко-лами верхніх рівнів, тому вплив семантичної прозорості мережі на якість послуг мінімальний і визначається виключно часом необхідним для отримання повного об’єму переданих даних.

Залежність оцінки MOS від структурної надійності та семантичної прозорості мережі для послуг реального часу та передавання даних, об’єми яких однакові, показана на рис. 3.

В третьому розділі – «Модель впливу параметрів мережевого і транспортного рівнів на показник якості послуг» – вдосконалено моделі часової прозорості мережі, параметри якої – час затримки та джиттер, формуються на мережевому та транспортному рівнях. Також враховується імовірність втрати пакету при переповненні буферів вузлів, як негативний наслідок часу затримки більше допустимого. Часова прозорість – це здатність мережі забезпечувати затримку і джиттер при яких дотримується необхідна якість обслуговування. Основним елементом мережі в якому виникає найбільше значення затримки та джиттера є вузол зв’язку (рис. 4), аналіз роботи якого проведено з врахуванням концепцій якості інтегрованого та диференційованого обслуговування. В основу моделі часової прозорості вузла покладено функціональну модель, яка враховує особливості пакетних мережевих технологій та типів послуг, які надаються абонентам. На затримку, джиттер та опосередковані втрати пакетів впливає також метод маршрутизації та спосіб передавання сигнальних пакетів для встановлення з’єднання.

Протокол транспортного рівня ТСР, при передаванні даних користувачів відповідає за гарантовану доставку пакетів з’єднанням у якому виникають спотворення. Як наслідок відбувається повторне передавання раніше переданих пакетів – джиттер ТСР з’єднання, що веде до зростання часу затримки на отримання цілісної послуги та неефективного використання пропускної спроможності тракту передавання. Середнє абсолютне значення джиттера ТСР з’єднання рівне:

, (10)

де та – параметри, які показують взаємозв’язок між відправленою та втраченою кількістю ТСР сегментів при імовірності втрат р в режимах повільного старту та уникнення перевантаження, – час затримки лінії зв’язку, – час формування відповіді про отримання ТСР сегменту, – час тайм-ауту, та
j = 1,2,…6 – визначає кількість спроб повторного передавання, – час передавання втраченого ТСР сегменту, RTT – час рівний 1,5 періоду обігу петлі з’єднання ТСР, та – середній час використання розміру вікна сегментів ТСР в режимах повільного старту та уникнення перевантаження.

ТСР протокол працює в тісній взаємодії з класифікатором, маркером і вимірювачем трафіку (рис.4), які представляються вхідними буферами типу FIFO (First In First Out – перший ввійшов, перший пішов), алгоритмами Token Bucket і RED (Random Early Detection – алгоритм довільного раннього виявлення перевантаження), або їх модифікаціями. Затримка та джиттер, що вносяться при сумісній роботі даних елементів вузла в режимі скидання визначаються:

,

та при , | (11)

де – часу тривалості пакету, Мр – максимальний розмір пачки пакетів, N – загальна кількість переданих пакетів всіх абонентів, КП – кількість пакетів, які не були обслужені у попередньому циклі , Ср – пікова швидкість поступлення пакетів,
– інтенсивність поступлення жетонів протягом і-того раунду алгоритму Token Bucket, – ємність вхідного буфера, mi – кількість пакетів, що поступила від одного абонента. Імовірність втрати пакетів в режимі скидання, визначається роботою алгоритму RED.

Робота алгоритму керування чергою спрямована на забезпечення мінімального часу затримки для пакетів всіх видів послуг, а при неможливості – гарантування такої затримки, максимальне значення якої не перевищує значень визначених типом та форматом послуги. Величина джиттера в цьому випадку є параметром, що формується алгоритмом обслуговування черг внаслідок забезпечення необхідних часових рамок надання послуг. Згідно концепцій якості диференційованого та інтегрованого обслуговування практичне застосування знайшли алгоритми обслуговування черг з абсолютним та відносним пріоритетом, абсолютне максимальне значення джиттера яких рівне:

, (12)

де – імовірність того, що час заняття системи пакетом довжиною пріоритету j більше допустимого, – загальна затримка пакетів j-го пріоритету, – ваговий коефіцієнт, що визначає пріоритет обслуговування буфера, – інтенсивність поступлення пакетів в і-й буфер.

Обмежена довжина черг та висока інтенсивність поступлення пакетів (80% від пропускної здатності), призводить до зростання часів затримок, виникнення пікових значень джиттера та втрат пакетів. Наслідком перевищення допустимих часових параметрів або втрат пакетів вище допустимого є розрив з’єднання з певною кількістю абонентів, наслідком останнього – пониження показника якості обслуговування абонентів. Час затримки, джиттер, імовірність втрат та середнє значення якості послуг для алгоритмів обслуговування безпріоритетних черг, з відносним та абсолютним пріоритетом, враховуючи роботу елементів транспортного рівня, алгоритмів Token Bucket і RED, показано на рис. 5.

Дослідження показника якості послуг на транспортному та мережевому рівнях відносно всіх видів додатків наданих абонентам проведено враховуючи загальне зна-чення затримки створеної маршрутизацією та затримкою передавання сигнальної інформації. Визначення загального часу затримки у мережі проведено з використанням адаптивного оптимального по часу затримки алгоритму маршрутизації, вдосконаленого з врахуванням пріоритетів послуг. Загальна затримка при використанні запропонованого методу маршрутизації рівна:

, (13)

де i = 1, 2,…, N та j = 1, 2,…, N, т – пріоритет послуги, – повне абонентське навантаження, – абонентське навантаження між транзитними вузлами ,
– інтенсивність обслуговування навантаження, – пропускна здатність тракту,
W – час затримки пакетів в черзі дисципліни обслуговування.

Визначальний фактор показника якості послуг – час встановлення з’єднання залежить від імовірності виникнення помилок, методу повторного передавання втрачених сигнальних одиниць та завантаженості ланки сигналізації. Рекомендаціями ITU-T для використання на стаціонарних мережах визначено застосування базового методу безциклічної примусової повторної передачі. Значення часу затримки та джиттера сигнальних пакетів визначається значенням завантаженості ланок сигналізації тракту передавання та імовірністю виникнення помилок:

, та , (14)

де та – загальний час затримки сигнальних пакетів при відсутності та наявності помилок, та – максимальне абсо-лютне значення джиттера сигнальних пакетів при відсутності та наявності помилок.

Завантаження тракту пере-давання та імовірність виникнення помилок – основні фактори впливу на час затримки та джиттер, вони і визначають якість послуг на мережевому і транспортному рівнях. Залежність показника якості послуг мережевого і транспортного рівнів від імовірності виникнення помилок та завантаження наведено на рис. 6.

В четвертому розділі – «Методика визначення показника якості послуг і рекомендації щодо її практичного застосування» – проведено дослідження показника якості послуг згідно запропонованої методики, здійснено перевірку адекватності запропонованої моделі та розроблено рекомендації щодо застосування запропонованого методу на мультисервісних мережах для здійснення ефективного керування ресурсами мережі з методою підвищення оцінки якості сервісу.

Перевірка адекватності запропо-нованої моделі визначення показника якості послуг проводилася на основі порівняння статистичних даних реальної мережі та даних отриманих з використанням імітаційної моделі в основу якої покладено запропонований метод. Структурна схема моделі експерименту показана на рис. 7. Для отримання точних результатів моделювання, первинні, статистично набрані параметри мережі, використано як вхідні дані для імітаційної моделі. Еталонними значеннями при перевірці адекватності вважаються результати статистичного дослідження.

Отримані статистичні дані та дані імітаційного моделювання показника якості послуг по значенню кожного первинного параметру мережі мають випадковий характер. Аналіз статистичних даних роботи мережі та імітаційного моделювання дозволяє побудувати профіль зміни та функції імовірностей значень показника якості послуг залежно від значень первинних параметрів мережі, визначити математичне очікування і дисперсію оцінки якості.

Оцінка адекватності розробленої моделі проводилася порівнянням результатів статистичного значення показника якості послуг та результатів моделювання використовуючи критерій узгодженості Пірсона:

, (15)

де mi – кількість значень показника якості послуг залежного від первинних параметрів мережі, pi – імовірність попадання показника якості в і-й підінтервал,
d – кількість підінтервалів, на які розбито інтервал вимірювання в статистичному дослідженні та імітаційному моделюванні, N – кількість вибірок.

Для перевірки адекватності згідно вибраного критерію прийнято: d = 24; N = 2016; міра розбіжності U = 0,1. З рівняння (15) визначено – результат отриманий імітаційним моделюванням. Умовою, при дотриманні якої обидві послідовності належать одному закону розподілу є: , де визначається з таблиць „Квантилі статистики ”.

Обробка статистичних даних та результатів моделювання по кожному первинному параметру мережі показує, що загальне значення відхилення показника якості послуг імітаційного моделювання відносно статистичних даних не перевищує 7%, по первинних параметрах мережі, залежно від надійності роботи елементів мережі не перевищує 4%, часової та семантичної прозорості – 3%.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню показника якості послуг в мультисервісних мережах на основі первинних параметрів. В роботі вирішено наукову задачу з розробки методу визначення показника якості послуг та проведено його дослідження. В роботі:

1. Проведено аналіз існуючих методів визначення показника якості послуг, що дозволив виділити основні напрямки розвитку сучасних ТКМ із можливістю обслуговування різного за типами і вимогами трафіку та гарантування необхідного рівня показника якості обслуговування.

2. Запропоновано метод визначення показника якості послуг, який враховує вплив первинних параметрів мережі, усуває суб’єктивність оцінювання та універсаль-ний відносно всіх видів послуг. Перевага розробленого методу полягає у можливості ведення статистичного обліку первинних параметрів мережі та визначення показника якості послуг на основі відомих вхідного та втраченого навантаження.

3. Розроблена модель структурної надійності транспортної мережі дозволяє визначити параметри надійності з точністю до 6% відносно статистичних даних та відхилення показника якості послуг до 4%, враховуючи методи резервування та захисту інформаційних потоків. Вдосконалені моделі семантичної та часової прозорості мережі дозволяють визначити показник якості послуг з точністю до 3%.

4. Показано, що вплив структурної надійності на якість послуг є довготривалим та особливо значним. Підвищити показник якості послуг за надійністю на 20-40% можна за рахунок введення багатократного резервування, збільшивши кількість резервних елементів в 2 рази, або забезпечити зміщення часу включення основних та резервних елементів одних відносно інших на 50% часу напрацювання на відмову, що дозволить підвищити загальну надійність мережі на 25-50%. Вплив просковзувань синхросигналу на якість послуг є менш значним і по кінцевій дії на показник якості рівнозначний виникненню багатократної помилки. Покращення показника якості послуг відносно кількості просковзувань забезпечується використанням методу ієрархічної взаємної синхронізації. Семантична прозорість мережі також визначається імовірністю виникнення помилок і експериментальним шляхом доведено, що її вплив на показник якості найменш значний.

5. Показано, що часові характеристики мають короткотривалу дію на показник якості, в значній мірі залежать від завантаженості мережі та ефективності використання мережевих ресурсів. Згідно результатів досліджень, різке погіршення показника якості послуг (до оцінки якості 3,5 і нижче), відбувається при завантаженості мережі вище 80%. Шляхом покращення показника якості відносно часових параметрів є використання адаптивного виду маршрутизації та вибору оптимального алгоритму обслуговування черг враховуючи типи та пріоритети послуг, що надаються абонентам. Такий підхід дозволить отримати в середньому підвищення значення оцінки якості на 0,20,35 при незмінному завантаженні мережі.

6. Запропоновано методику вимірювання показника якості послуг, яка дозволяє отримати об’єктивне значення на основі відомих значень первинних параметрів мере-жі з похибкою до 7%. Розроблена методика дає можливість визначити показник якос-ті одночасно для різних типів послуг і протягом довільного часу, а також розра-хувати комплексне значення та одиночні параметри об’єктивного оцінювання показ-ника якості, що не залежать від вхідного навантаження і первинних параметрів мережі.

Список опублікованих праць

1. Климаш М., Бурачок Р. Дослідження показників якості надання послуг в інфокомунікаційних мережах / Михайло Климаш, Роман Бурачок // Збірник наукових праць. Ін-т проблем моделювання в енергетиці. – 2004. – № 24. – С. 149-154.

2. Визначення QoS на основі об’єктивних параметрів мережі / М.М. Климаш, Р.А. Бурачок, І.Б. Чайковський, [та ін.] // Збірник наукових праць. Ін-т проблем моделювання в енергетиці. – 2007. – №42. – С. 214-217.

3. Климаш М., Бурачок Р. Розрахунок параметрів надійності міської синхронної мережі / Михайло Климаш, Роман Бурачок // Радіоелектроніка та телекомунікації: Вісник Національного університету „Львівська політехніка”. – 2001. – № 415. –
С. 199-204.

4. Климаш М., Бурачок Р. Дослідження впливу семантичної прозорості мережі на якість послуг / Михайло Климаш, Роман Бурачок // Вісник Державного університету інфокомунікаційних технологій. – 2005. – Том 3, №3-4. – С. 74-78.

5. Бурачок Р., Климаш М. Аналіз методів визначення показників якості в телекомунікаційних мережах / Михаил Климаш, Роман Бурачок // VIІІ Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации”: Труды конференции ССПОИ-2004. Одесская академия связи им. А. С. Попова. 7-12 сентября, 2004. – Одесса, 2004. – С. 63-65.

6. Климаш М., Бурачок Р. Розрахунок надійності міської синхронної мережі / Михайло Климаш, Роман Бурачок // серія “Фізика. Електроніка”: Вісник Чернівецького національного університету. – 2001. – Вип. № 112. – С. 42-49.

7. Klymash M., Burachok R. The Calculation of City Synchronous Network Reliability Parameters / Mychajlo Klymash, Roman Burachok // The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics : Proceeding of the VI-th International Conference CADSM 2001. Lviv Polytechnic National University. February 12-17, 2001. – Lviv-Slavske, Ukraine, 2001. – P. 234-236.

8. Бурачок Р.А. Дослідження часових затримок для різних видів протоколів AAL в АТМ мережах / Р.А. Бурачок, М.М. Климаш, Б.М. Стрихалюк // Радіоелектроніка та телекомунікації : Вісник Національного університету „Львівська політехніка”. – 2002. – № 440. – C. 192-198.

9. Burachok R. Investigation of time delay of different AAL networks protocol ATM / R.A.M.M. Klymash, B.M. Strychaljuk // Modern Problems of radio Engineering, Telecommunications and Computer Science. Proceeding of the International Conference TCSET 2002. Lviv Polytechnic National University. February 18-23, 2002. – Lviv-Slavske, Ukraine, 2001. – P. 261-264.

10. Klymash M., Burachok R. Investigation of time delay trunk ATM-network / Mychajlo Klymash, Roman Burachok // 4th International Workshop on Laser & Fiber-Optical Networks Modeling : Proceeding of LFNM-2002 4-d Conference. Kharkiv National University of Radio Electronics. June 3-5, 2002. – Kharkiv, Ukraine, 2002. – P. 148,
354-358.

11. Климаш М. М. Исследование и расчет времени задержки в АТМ-сетях /
М.М. Климаш, Б.М. Стрыхалюк, Р.А. Бурачок // VI Международная научно-практическая конференция “Системы и средства передачи и обработки информации”: Труды конференции ССПОИ-2002. Одесская академия связи им. А.С. Попова.
3-8 сентября 2002. – Одесса, 2002. – С. 51-55.

12. Burachok R., Klymash M. Time Parameters of ATM-Network / Roman Burachok, Mychajlo Klymash // Protection of Computer Systems against Electromagnetic Disturbances: International Carpathian Conference on EMC ICC’2002. In cooperation with: Polish Representative of Carpathian Euroregion, Rzeszow University of Technology, Technical University of Kosice, National University – Lvivska Polytechnica. September
19-20, 2002. – Rzeszow-Lancut, Poland, 2002. – Р. II.10-1-II.10-4.

13. Климаш М., Бурачок Р. Дослідження часових характеристик АТМ-мереж / Михайло Климаш, Роман Бурачок // Комп’ютерні технології друкарства. – 2002. – №9. – С. 134-142.

14. Климаш М. М. Исследование и расчет времени задержки в АТМ-сетях /
М.М. Климаш, Б.М. Стрихалюк, Р.А. Бурачок // Праці УНДІРТ: теоретичний та науково-практичний журнал радіозв’язку, радіомовлення і телебачення. – 2002. – №4(32). – С. 53-56.

15. Климаш М.М., Бурачок Р.А., Стрихалюк Б.М. Дослідження параметрів АТМ-мереж / М.М. Климаш, Р.А. Бурачок, Б.М. Стрихалюк // Збірник наукових праць. Ін-т проблем моделювання в