Харківський національний університет радіоелектроніки

Євлаш Дмитро Валентинович

УДК 621.391

МЕТОД ПАРАМЕТРИЧНОГО СИНТЕЗУ В ЗАДАЧАХ ПРОЕКТУВАННЯ МУЛЬТИСЕРВІСНОЇ МЕРЕЖІ NGN

Спеціальність 05.12.02 – Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня 
кандидата технічних наук

Харків – 2011

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:
кандидат технічних наук, доцент Агеєв Дмитро Володимирович, Харків-ський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри телекомунікаційних систем.

Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Безрук Валерій Михайлович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри мереж зв’язку;

кандидат технічних наук, доцент Руккас Кирило Маркович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, доцент кафедри теоретичної та прикладної інформатики.

Захист відбудеться «16» лютого 2011 р. о  13  годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.09 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

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

Автореферат розісланий «14» січня 2011 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради                                                            Є.В. Дуравкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Сучасні й перспективні мультисервісні телекомунікаційні мережі (ТКМ) розвиваються в напрямку впровадження концепції мереж наступного покоління NGN (Next Generation Network) та надання послуг «Triple Play». Детальний аналіз показав, що всі сучасні послуги, якими б складними вони не здавалися, можуть бути подані у вигляді комбінації трьох базових послуг: телефонії, передачі даних і відеоінформації (телебачення). Таким чином концепція «Triple Play» запропонувала абсолютно унікальний підхід, який, ймовірно, стане домінуючою концепцією для майбутнього розвитку послуг. 
Водночас спостерігається відставання розвитку методів проектування NGN мереж для надання послуг «Triple Play» щодо розвитку технічних засобів, що є однією з актуальних проблем сучасних телекомунікаційних систем. Одним із завдань розв'язуваних під час проектування телекомунікаційних систем є завдання вибору параметрів структурних елементів проектованої мережі NGN, при вирішенні якої переважно використовуються традиційні моделі мережного трафіка. Однак дослідження таких вчених, як W.Leland, M.Taqqu, W.Willinger і D.Wilson показали, що мережний трафік проявляє мінливість у широкому діапазоні масштабу часу. Широка розповсюдженість цього явища, яке спостерігалося в різних мережних контекстах, від Ethernet до ATM, LAN і WAN, стисненого відео й WWW-трафіка, заснованого на HTTP. Така масштабно-інваріантна мінливість не сумісна із традиційними моделями мережного трафіка, які виявляють пульсуючий характер на коротких масштабах часу, але сильно згладжені на більших, і тому в них відсутня довгочасна залежність. Таким чином  розрахунок параметрів системи, на підставі традиційних моделей мережного трафіка дає некоректні та невиправдано оптимістичні результати.  
Дослідження, що були проведені пізніше довели що, моделі самоподібного потоку, які враховують високу пачковість і наявність довгочасних залежностей в інформаційних потоках, є більш адекватними. 
Ті самі методи параметричного синтезу, які використовують моделі самоподібного потоку, орієнтовані переважно на мережі з індивідуальною адресацією і не можуть бути застосовані для мереж з груповою адресацією, до яких належать NGN мережі.
Отже, актуальною є наукова задача, яка полягає в удосконаленні методів параметричного синтезу NGN мереж при наданні послуг «Triple Play» шляхом застосування моделі самоподібного потоку та врахування наявності у мережі трафіка з груповою адресацією, що дасть можливість підвищити якість послуг, що надаються у мережі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з реалізацією основних положень «Концепції національної інформаційної політики», «Концепції Національної програми інформатизації», «Основних засад розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007–2015 роки» та «Концепції конвергенції телефонних мереж та мереж з пакетною комутацією в Україні». Результати роботи використано в науково-дослідницькій роботі № 235-1 «Методи проектування телекомунікаційних мереж NGN та управління їх ресурсами», в якій дисертант був виконавцем. Методика розрахунків навантаження на мережу була втілена в роботу оператора ТОВ «Велтон.Телеком».
Мета роботи полягає у підвищенні якості обслуговування абонентів у мережах NGN при наданні послуг Triple Play за рахунок вдосконалення методів проектування.
Завданнями дослідження є:
-	аналіз існуючих методів проектування мультисервісних мереж NGN;
-	розробка методу визначення параметрів сумарного інформаційного потоку в каналах зв'язку мережі, що утворюється при наданні послуг «Triple Play» з урахуванням наявності в мережі Unicast і Multicast трафіка;
-	розробка методу вибору значень параметрів структурних елементів мультисервісної мережі NGN для надання послуг «Triple Play» з урахуванням самоподібності вхідних потоків та заданими параметрами якості обслуговування при мінімально можливій вартості;
-	проведення розрахункових і натурних експериментів з дослідження ефективності запропонованих методів і розробки практичних рекомендацій щодо їх застосування.
Об’єкт дослідження – процес проектування мультисервісних телекомунікаційних систем. 
Предмет дослідження – методи вибору оптимальних значень параметрів елементів мультисервісної телекомунікаційної системи мінімальної вартості при самоподібному вхідному потоці і заданими параметрами якості обслуговування. 
Методи дослідження. Під час розробки методу параметричного синтезу мультисервісної мережі були використані методи: теорії масового обслуговування, теорії самоподібних процесів, методи оптимізації: метод найскорішого спуску, метод штрафних функцій, метод дихотомії.  Під час розробки методу визначення характеристик групового трафіка в каналів зв’язку (КЗ) мультисервісної мережі використано математичну статистику, теорію ймовірностей, теорію графів і теорію самоподібних процесів. Для підтвердження теоретичних результатів були використані експериментальні методи дослідження характеристик процесів у реальних мультисервісних мережах. Для чого була використана лабораторія кафедри ТКС та мережа оператора «Велтон.Телеком». У ході удосконалення методу розрахунку навантаження, що створюється абонентами Інтернет використовувалася математична статистика. У ході проведення аналізу ефективності  використано методи математичного моделювання, імітаційного моделювання та натурного експерименту.
Наукова новизна отриманих результатів. Під час розв’язання поставленої наукової задачі автором було отримано такі нові наукові результати:
-	набув подальшого розвитку метод параметричного синтезу мультисервісної мережі, який забезпечує можливість комплексного визначення пропускних здатностей КЗ та обсягів буферних пристроїв комутаційного обладнання. Новизна методу полягає в комплексному урахуванні властивостей самоподібності вхідного потоку, наявності групової адресації, обмежень на значення середньої затримки у мережі і ймовірність втрати пакетів. Реалізація методу дозволяє отримати оптимальний за сукупністю показників якості варіант мережі;
-	вперше розроблено метод визначення характеристик групового трафіка в каналах зв'язку мультисервісної мережі, відмінність якого від існуючих полягає в урахуванні специфіки надання послуги телебачення, яка полягає у відмінності рейтингів ретрансльованих телеканалів, застосуванні технологій групової адресації, наявності прайм-тайму, відмінності потоків у телеканалів. Це дозволило створити методику розрахунку параметрів результуючого інформаційного потоку під час надання послуг «Triple play»;
-	набула подальшого розвитку методика розрахунку навантаження, створюваної абонентами Інтернет. Новизна методики полягає у введенні параметра питомого навантаження на мережу. На підставі даної методики було розроблено метод, який дозволяє, не вдаючись до проведення додаткових досліджень, на етапі проектування отримувати чисельні значення результуючих інформаційних потоків в умовах відсутності вихідних даних про інтенсивність інформаційного трафіка, створюваного абонентами Інтернет.
Практичне значення результатів роботи. Запропоновані в роботі математичні модель і методи були використані в роботі оператора «Велтон.Телеком», а також використані на етапі проектування нових мультисервісних мереж для надання послуг «Triple Play» і впровадження нових послуг на вже існуючих мережах (оцінка необхідного обсягу ресурсів мережі для впровадження нової послуги). Крім того, результати дисертаційної роботи використано під час виконання науково-дослідної роботи № 235-1 «Методи проектування телекомунікаційних мереж NGN та управління їх ресурсами», в яких автор виступав виконавцем. Запропонований метод параметричного синтезу мультисервісної мережі використані в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, зокрема в дисципліні «Проектування телекомунікаційних систем». Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.
Особистий внесок здобувача. У роботах, виконаних у співавторстві, особисто автору належать такі наукові результати: у роботі [1] – розвиток відомого методу параметричного синтезу за рахунок урахування імовірності втрати повідомлень у мережі; у роботі [2] – запропонований розв’язок задачі синтезу мережі мінімальної вартості з використанням градієнтного методу; у роботі [3] – запропонований метод оцінки значень потоків, що виникають під час надання послуг IPTV; у роботі [5] – проведення дослідження навантаження, що створюється при наданні безлімітного доступу до мережі Інтернет, та статистична обробка отриманих результатів.
Апробація результатів дисертації проводилась протягом восьми наукових конференцій (форумів), у тому числі на 11-му, 12-му, 13-му Міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті» (м. Харків, ХНУРЕ 2007–2009); 2-й Міжнародній науковій конференції «Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку» (Харків, ХНУРЕ, 2007); International Conference TCSET’2008 «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science» (Lviv-Slavsko: Lviv Polytechnic, 2008); 2-й Науково-технічній конференції «Проблеми телекомунікацій» (Київ, НТУУ «КПІ», 2008); IV-й міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» (Запоріжжя, ЗНТУ, 2008); 3-му Міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» МРФ-2008 (Харків, АНПРЕ, ХНУРЕ, 2008).
Публікації. Основні положення дисертації висвітлено у 13 працях, з яких 3 виконані без співавторства. Серед праць 5 статей у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України [1–5], та вісім тез доповідей на науково-технічних конференціях і форумах [6–13]. 
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури, додатків. Загальний обсяг дисертації складає 141 сторінку: 125 основного тексту, 21 рисунок, 12 таблиць, 75 бібліографічних джерел на 7 сторінках та 3 додатки. 
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито стан дослідженої проблеми, обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано наукову задачу та визначено мету досліджень. 
Зазначено наукову новизну та практичне значення отриманих у роботі результатів. Наведено дані про публікації автора за темою дисертації.
У першому розділі на основі проведеного аналізу відомих методів проектування ТКМ, телекомунікаційних послуг, технологій і технічних засобів, виявлених особливостей та недоліків, встановлено відставання розвитку методів проектування від технологій і технічних засобів. З’ясовано, що метод проектування, який би враховував специфіку надання послуг «Triple play» та наявність у мережі самоподібних потоків, відсутній. У зв’язку з цим сформульовано вимоги до методів проектування ТКМ, які стосуються насамперед урахування наявності у мережі самоподібних потоків, застосування при наданні послуг групової та індивідуальної адресації, постійного переходу абонентів між різними multicast групами при наданні послуг телебачення тощо. Обґрунтовано наукову задачу та здійснено її декомпозицію на окремі задачі дослідження.
Другий розділ присвячений розробці методу параметричного синтезу мультисервісної мережі NGN згідно з критерієм мінімуму її вартості при обмеженнях на розмір середньої затримки у мережі і величину ймовірності втрати пакетів між відправником та одержувачем.
Для вирішення даного завдання була побудована математична модель синтезованої мережі, яка базується на теорії множин і матричному поданні даних. Дана модель враховує топологію мережі, розподіл абонентів між вузлами доступу (ВД), маршрути передачі інформаційних потоків, пропускні спроможності каналів зв’язку (КЗ), розміри буферів комутаційного устаткування, послуги, що надаються в мережі. Послуги в мультисервісних мережах надаються з використанням індивідуальної або групової адресації. Особливістю застосування групової адресації є те, що всередині мережі створюються копії інформаційних пакетів. Для характеристики навантаження, що створюється на мережу в моделі, враховані потоки, які передаються між вузлами мережі при наданні послуг з індивідуальною адресацією та склад кожної multicast групи послуг із груповою адресацією. Базуючись на використанні даної математичної моделі, в роботі розроблений метод параметричного синтезу, який дозволяє за наявності даних про топологію мережі, маршрути передачі даних, множину unicast потоків , що передаються між вузлами мережі, множину multicast груп , склад кожної multicast групи визначити значення пропускних спроможностей КЗ і розміри буферів.
Розроблений метод складається з двох етапів:
I етап.	Визначення характеристик групового трафіка в КЗ.
II етап.	Розрахунок значень пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів.
На першому етапі виконуються такі кроки:
1.	Розподіл інформаційних потоків  по КЗ, використовуючи процедуру «пропустити потік».
2.	Визначення підмножини multicast груп  для кожного КЗ. Кожна під-множина складається з multicast груп, трафік яких передається по заданому КЗ. Дане завдання вирішується послідовним перебором усіх КЗ уздовж маршрутів від вузлів надання послуг до кожного ВД, при якому до підмножини multicast груп обраного КЗ додаються multicast групи, членами яких є ВД призначення.
3.	Розрахунок параметрів агрегованих самоподібних unicast і multicast потоків у КЗ:
	;	(1)
	;	(2)
 	,	(3)
де , ,   середня довжина пакету, біт, інтенсивність, пакетів/с та параметр Херста інформаційного потоку i-ї послуги в каналі зв'язку (k,m); , ,  – середня довжина пакету, біт, інтенсивність, пакетів/с та параметр Херста суммарного інформаційного потоку, що передається по каналу зв'язку (k,m).
Завдання визначення пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів комутаційного устаткування, що розв'язується на другому етапі, має таку математичну постановку:
	;	(4)
за умови
	;	(5)
	, ;	(6)
	;	(7)
	.	(8)
де  – витрати на організацію каналу зв'язку (k,m);  – повний трафік у мережі;  – пропускна спроможність каналу зв'язку (k,m);  – розмір буфера комутаційного обладнання, що входить до складу каналу зв'язку (k,m);  – елемент матриці, яка описує топологію мережі;  – середня затримка пакетів у мережі;  – ймовірність втрати пакетів у каналі (k,m);  – допустиме значення середньої затримки пакетів у мережі;  – допустиме значення ймовірності втрати пакетів у мережі;  – сумарний потік у каналі зв'язку (k,m);  – пропускна спроможність каналів зв'язку (k,m);  – маршрутна матриця;  – сукупність вузлів мережі.
Раніше відомі вирази визначення параметра  застосовуються тільки для unicast трафіка, тому що вони не враховують створення копій пакетів при передачі multicast трафіка. Для вирішення даної задачі був проведений аналіз специфіки передачі multicast трафіка і розроблена методика розрахунку  з урахуванням multicast трафіка, суть якої полягає у введенні коефіцієнта ретрансляції , що характеризує середню кількість копій пакетів під час передачі по мережі. У такий спосіб вираз для визначення сумарного трафіка, що надходить в мережу, має такий вигляд:
	;	(9)
	,	(10)
де  – сумарна інтенсивність unicast трафіка між вузлами i та j;  – сумарна інтенсивність multicast трафіка в каналі зв'язку (k,m);  –  максимальна кількість ретрансляції multicast пакетів при передачі між вузлами відправника та одержувача;  – сумарна інтенсивність multicast пакетів кратність ретрансляції яких дорівнює і під час передачі між вузлами відправника та одержувача.
Розв'язувана в роботі задача в постановці (4) - (8) належить до завдань нелінійного математичного програмування, оскільки вона має лінійну цільову функцію та нелінійні обмеження. Для її вирішення був обраний метод найшвидшого спуску. Метод найшвидшого спуску застосовується для завдань без обмежень. Перехід від завдання з обмеженнями до завдання без обмежень був зроблений за способом методу штрафних функцій з експонентним штрафом. Під час переходу до завдання без обмежень цільова функція набула такого вигляду:
		(11)
де  – штрафні коефіцієнти.
Алгоритм пошуку мінімуму цільової функції методом найшвидшого спуска є ітераційним процесом, що полягає у повторюваних діях доти, поки не будуть виконані умови зупинки алгоритму. Як умови зупинки було обрано одночасне виконання таких умов:
		(12)
де  – удільна вартість одиниці пропускною спроможністю каналів зв'язку;  – питома вартість одиниці розміру буферу каналів зв'язку;  – припустима погрішність обчислень.
У такий спосіб завдання параметричного синтезу може бути вирішене у два етапи. На першому етапі визначаються характеристики групового трафіка в КЗ і сумарний трафік, що надходить у мережу. На другому розраховуються значення пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів комутаційного устаткування. Розрахунок значень пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів зводиться до завдання нелінійного програмування і вирішується чисельним методом, таким як метод найшвидшого спуска.
Третій розділ присвячений розробці методу визначення групового трафіка в КЗ мультисервісної мережі під час надання послуг «Triple Play».
Внаслідок проведеного аналізу було встановлено, що запропонований у другому розділі метод можна застосовувати на практиці за умов:
-	наявність статистичних даних про інтенсивність unicast потоків, що передаються між вузлами мережі, для впроваджуваних у мережі послуг;
-	постійний склад multicast груп.
Однак у ряді випадків при параметричному синтезі наведені вище умови не виконуються. Так, наприклад, для послуг доступу до мережі Інтернет і телефонії можуть бути відсутніми статистичні дані про параметри unicast потоків, а при наданні послуг IPTV абоненти постійно переходять між multicast групами телеканалів. Для вирішення даної проблеми був розроблений метод визначення групового трафіка в КЗ мультисервісної мережі на підставі даних технічного завдання за кожною впроваджуваною послугою. Даний метод був розроблений на підставі наведених нижче досліджень послуг «Triple Play», що є базовими для мультисервісних мереж.
Для послуги доступу до мережі Інтернет було проведено статистичне дослідження кількості прийнятої і переданої інформації її користувачами залежно від їхньої швидкості доступу. Обсяг споживання послуги характеризується кількістю прийнятої і переданої інформації протягом місяця. Швидкість доступу та умови надання послуги регламентуються тарифним планом. Для дослідження були обрані абонентські групи, що складаються із суб'єктів різних форм господарювання, підключені за тарифними планами зі швидкостями доступу в Інтернет: 256 КБ/с, 512 КБ/с, 1024 КБ/с, 2048 КБ/с і необмеженим обсягом переданої і прийнятої інформації. Спостереження велися протягом місяця з фіксуванням обсягу споживання послуги кожним з абонентів.
У процесі роботи проведено аналіз статистичних характеристик обсягів споживання послуги за різними тарифними планами, серед яких були визначені середнє значення і середньоквадратичне відхилення СКВ, які наведено у табл. 1.
Таблиця 1
 Статистичні характеристики обсягів споживання послуги
Параметр	Тарифні плани	
	256	512	1024	2048	
Кількість прийнятої інформації	
Середнє значення, Гбайт	3,04	8,05	17,19	21,59	
СКВ	5,29x109	12,62 x109	20,71 x109	37,56 x109	
Кількість переданої інформації	
Середнє значення, Гбайт	1,12	2,98	3,92	8,93	
СКВ	4,11 x109	7,7 x109	10,38 x109	23,14 x109	

Аналіз отриманих результатів показав, що обсяг споживання послуги зростає зі збільшенням швидкості доступу в Інтернет. Для дослідження залежності обсягу споживання послуги від швидкості доступу був запропонований параметр питомого навантаження на мережу, яким виступає відношення кількості прийнятої (переданої) інформації до обсягу інформації прийнятої (переданої) під час безперервної роботи на максимальній швидкості доступу протягом місяця. Значення запропонованого параметра були розраховані для абонентів кожного тарифного плану. Гістограми частот появи отриманих значень параметра питомого навантаження на мережу для двох найбільш популярних тарифних планів 256 і 2048 наведено на рис. 1. 
 
	а)	 б)
Рис. 1. Гістограми значень параметра питомого навантаження на мережу для вхідного трафіка (а) і вихідного трафіка (б)
Гістограми для тарифних планів 512 і 1024 не наведені, оскільки їхні характеристики подібні вже наведеним. Був зроблений аналіз статистичних характеристик питомих параметрів споживання послуги за різними тарифними планами, серед яких були визначені середнє значення і СКВ, які наведено в табл. 2.
Таблиця 2 
Статистичні характеристики параметрів питомого навантаження на мережу
Параметр	Тарифні плани	
	256	512	1024	2048	256	512	1024	2048	
	Прийнята інформація	Передана інформація	
Середнє значення параметра питомого навантаження на мережу	0,039	0,048	0,046	0,035	0,015	0,019	0,013	0,014	
СКВ	0,064	0,063	0,062	0,057	0,05	0,046	0,031	0,035	

Аналіз наведених на рис. 1 і в табл. 2 характеристик показав, що гістограми, середнє значення і СКВ параметра питомого навантаження на мережу для різних швидкостей доступу є близькими. Отже, значення питомого навантаження на мережу не залежить від тарифного плану абонентів, і його середнє значення може бути використане для знаходження обсягу споживання послуги доступу до мережі Інтернет групою абонентів будь-якого тарифного плану. Потік, прийнятий (переданий) абонентами -го ВД з -м тарифним планом, може бути визначений з використанням таких формул:
	;	(13)
	,	(14)
де  – інформаційний потік, що приймається;  – інформаційний потік, що передається;  – швидкість доступу до мережі Інтернет за -м тарифним планом, біт/с;  – кількість абонентів підключених за -м тарифним планом до -го вузлу;  – параметр питомого навантаження на мережу для інформації, що приймається;  – параметр питомого навантаження на мережу для інформації, що передається.
Також були проведені статистичні дослідження характеристик добових коливань завантаження зовнішніх каналів Інтернет-провайдера. Спостереження велося протягом місяця з фіксуванням величини поточного завантаження трьох зовнішніх каналів. Результати спостереження з різними часовими масштабами наведено на рис. 2.

	а)	б)	в)
Рис. 2. Завантаження зовнішніх каналів провайдера: а – добова, б – тижнева, в – місячна.
Аналіз отриманих результатів показав, що пік-фактор  навантаження на зовнішні канали становить 2,2-2,35. Це дозволить розрахувати навантаження, яке створюється абонентом на мережу у час найбільшого навантаження (ЧНН) при відомому її середньому значенні.
Отримані в процесі дослідження результати дозволяють визначати значення інформаційних потоків, що надходять у мережу, під час надання послуг доступу до мережі Інтернет:
	;	(15)
	,	(16)
де  – індекс вузла, що виконує функції шлюзу з мережею Інтернет.
Для послуги телефонії був проведений аналіз принципів надання послуги та існуючих методів проектування. Аналіз показав, що при адаптації дані методи можуть бути застосовані для визначення потоків, які надходять у мережу при наданні послуги телефонії. Адаптована методика складається з таких етапів:
1.	На підставі норм технологічного проектування міських і сільських телефонних мереж розраховується кількість викликів та інтенсивності навантажень між вузлами мережі для ранкового та вечірнього ЧНН.
2.	На підставі отриманих результатів розраховуються значення інформаційних потоків, що надходять у мережу. Розрахунки проводяться окремо для ранкового та вечірнього ЧНН за такими формулами:
	;	(17)
	;	(18)
	;	(19)
	,	(20)
де  – інтенсивність телефонного трафіка між вузлами i та j;  – коефіцієнт активності абонентів;  – інтенсивність навантаження між вузлами i і j;  – швидкість кодування телефонного трафіка i-го вузла;  – частка факсимільного навантаження в навантаженні i-го вузла;  – швидкість кодування факсимільного трафіка;  – обсяг сигнального трафіка, що передається від ВД до вузла Softswitch при встановленні вихідного з'єднання, байт;  – швидкість кодування голосового трафіка;  – кількість телефонних викликів від вузла i до вузла j;  – обсяг сигнального трафіка, що передається від ВД до вузла Softswitch при встановленні вхідного з'єднання, байт;  – індекс вузла Softswitch;  – обсяг сигнального трафіка, що передається від вузла Softswitch до ВД при встановленні вихідного з'єднання, байт;  – обсяг сигнального трафіка, що передається від вузла Softswitch до ВД при встановленні вхідного з'єднання, байт.
Для послуги телебачення був проведений аналіз процедури її надання з метою виявлення відмінних рис, які впливають на розрахунок навантаження в мережі. Аналіз показав, що послуга IP телебачення надається за технологією Multicast, але на відміну від постановки задачі, наведеної в другому розділі, де членами певних multicast груп є задані ВД, члени multicast груп IP телебачення постійно змінюються. Така ситуація викликана постійним перемиканням телеканалів абонентами. Таким чином, розрахунок потоків у КЗ методом запропонованим в другому розділі не можливий.
Для вирішення даної задачі була запропонована методика розрахунку інформаційних потоків, що виникають у каналах зв'язку при наданні послуги IP телебачення. Особливість даної методики полягає в урахуванні мінливості кількості членів multicast груп телеканалів за рахунок застосування такого параметра як частка аудиторії телеканалу. Також враховано застосування технології групової адресації (Multicast), статистичні й технічні характеристики телеканалів, наявність прайм-тайму. Розроблена методика передбачає таку послідовність дій:
1.	Для кожного КЗ мережі визначається кількість абонентів підключених через даний КЗ до послуги IP телебачення:
	,	(21)
де  – кількість абонентів підключених через канал (k,m) до послуги IP телебачення;  – кількість абонентів телебачення на вузлі i; – маршрут передачі трафіка між вузлами j та i; – індекс вузла «Head end».
2.	Для кожного КЗ мережі визначається кількість активних абонентів, що використовують даний КЗ для доступу до послуги IP телебачення:
	,	(22)
де  – частка абонентів, що споживають послугу IP телебачення в прайм-тайм,  – кількість активних абонентів, що використовують канал (k,m) для доступу до послуги IP телебачення.
3.	Для кожного КЗ мережі визначаються розміри аудиторій телеканалів, що ретранслюються через даний КЗ:
		(23)
де  – частка аудиторії i-го телеканалу;  – кількість абонентів, що дивляться i-й телеканал.
4.	Для кожного КЗ мережі визначається значення інформаційного потоку в ньому:
	,	(24)
де  – інформаційний потік послуги IP телебачення в каналі (k,m);  – інформаційний потік i-го телеканалу.
Для вирішення задачі визначення пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів комутаційного устаткування, у постановці (4) - (8), необхідно знайти сумарний трафік у кожному КЗ. Розрахунок параметрів сумарного трафіка в КЗ необхідно здійснювати в такий спосіб:
1.	Розподіл інформаційних потоків послуг доступу до мережі Інтернет і телефонії по КЗ засобами процедури «пропустити потік».
2.	Розрахунок параметрів агрегованих самоподібних потоків послуг «Triple Play» у кожному КЗ по формулах (1) - (3).
Четвертий розділ присвячений аналізу ефективності розробленого методу параметричного синтезу мультисервісних мереж і розробленню рекомендацій з його практичного застосування. Як параметри ефективності виступали: витрати машинного часу і точність.
Були проведені дослідження залежності кількості ітерацій алгоритму, витрат машинного часу та кінцевих значень цільової функції від величин внутрішніх параметрів методу для різних масивів вихідних даних.
Під час проведення досліджень розроблений метод був реалізований у пакеті прикладних програм Matlab у вигляді набору програмних бібліотек.
Був синтезований масив з 504 наборів вихідних даних. Топології мережі синтезувалися розмірністю від 17 до 102 вузлів із кроком 5. Для кожної розмірності мережі синтезувалося по 14 реалізацій для різних законів розподілу координат вузлів. Топологія мережі є найкоротшим зв'язаним деревом. Як тарифні плани були обрані найбільш популярні тарифні плани, які надаються абонентам послуг «Triple Play», інші вихідні дані вибиралися випадковим способом з використанням генератора випадкових чисел, який за своїми статистичними характеристиками збігається з вихідними даними, що використовуються під час реального проектування.
Для кожної топології була обрана множина значень кожного внутрішнього параметра.
Було проведено вибіркове дослідження залежності значень цільової функції, кількості ітерацій і витрат машинного часу для 15 топологій при всіх можливих комбінацій внутрішніх параметрів. Аналіз отриманих результатів показав, що оптимальне значення кожного окремо взятого внутрішнього параметра не залежить від значення інших внутрішніх параметрів. У такий спосіб подальші дослідження можна проводити не для всіх можливих комбінацій внутрішніх параметрів, а для кожного параметра окремо.
Для топологій, що залишилися, дослідження залежностей проводилися при зміні значень одного із внутрішніх параметрів та інших фіксованих значень. Результати досліджень залежностей кількості ітерацій від коефіцієнта пропорційності пропускних спроможностей КЗ і розмірів буферів (рис. 3, а), кількості ітерацій від збільшення значень штрафних коефіцієнтів (рис. 3, б) і значень цільової функції від значень індексу точності для однієї з топологій наведено на рис. 3.
  
	а)	б)	в)
Рис. 3. Графіки залежності ефективності запропонованого методу від значень внутрішніх параметрів
Для інших масивів даних ці характеристики мають подібні залежності. На підставі проведеного в роботі аналізу вироблені практичні рекомендації з вибору внутрішніх параметрів. В якості критерію вибору всіх параметрів застосовувалися стабільність та скорість роботи. Точність рішення у більшій мірі залежить від індексу точності. Таким чином внутрішні параметри слід вибирати так:
-	початкові значення пропускних спроможностей, КЗ  і розмірів буферів комутаційного устаткування  необхідно задавати такими, щоб  та , де  – час затримки пакетів у каналі (k,m);  – середня довжина маршруту;  – імовірність втрати пакетів у каналі (k,m);
-	початкові значення штрафних коефіцієнтів необхідно вибирати в залежності від значень  та , розрахованих для  та :
 		(27)
		(28)
де  корінь рівняння ;  корінь рівняння ;  – кількість маршрутів передачі даних в які входить канал (k,m);
-	збільшення значень штрафних коефіцієнтів на кожній ітерації алгоритму  рекомендується вибирати рівним 1.4; 
-	індекс точності рекомендується вибирати у діапазоні від 0 до 1 залежно від необхідної точності.
На підставі отриманих результатів був проведений аналіз ефективності розробленого методу від кількості вузлів. Швидкість роботи характеризувалася необхідною кількістю ітерацій і витратами машинного часу до завершення роботи алгоритму. Залежність необхідної кількості ітерацій і затрат машинного часу від розмірності мережі наведені на рис. 4.
 
	а) 	б)
Рис. 4. Залежність кількості ітерацій (а) і затрати машинного часу (б) від розмірності мережі
Як видно з наведених на рис. 4 залежностей алгоритм сходиться при різних розмірностях і топологіях мережі. Кількість необхідних ітерацій методу найскорішого спуску практично не змінюється. Однак, кількість операцій, що виконуються на кожній ітерації із зростанням розмірності збільшується, що призводить до збільшення машинного часу необхідного для роботи запропонованого методу.
Проведена перевірка вірогідності результатів розрахунку параметрів інформаційних потоків у КЗ при наданні послуг «Triple Play», отриманих за допомогою розробленого у дисертаційній роботі методу. Для цього були зіставлені значення інформаційних потоків у КЗ, розраховані з використанням запропонованого в роботі методу зі значеннями, визначеними під час моніторингу реальної ТКМ. Вимірювання значень інформаційних потоків, що передаються по КЗ, здійснений на мережі одного з провайдерів послуг «Triple Play» міста Харкова. 
Аналіз отриманих результатів показав, що різниця між виміряними на реальної ТКМ та розрахованими значеннями інформаційних потоків у КЗ знаходиться у межах 2%. Отже запропонований у роботі метод є адекватним і може бути застосований під час проектування.
Проведене дослідження адекватності розробленого у дисертаційній роботі методу параметричного синтезу мультисервісної мережі. Для цього було застосовано імітаційне моделювання з метою дослідження ймовірнісно-часових характеристик функціонування ТКМ, параметри елементів якої були визначені з використанням запропонованого в роботі методу та класичним методом «квадратного кореня» при однакових наборах вхідних даних. Під час проведення імітаційного моделювання використовувалися дані вимірювань вхідних потоків на реальній системі. Результати отримані різними методами були порівняні.
Імітаційне моделювання проводилося в середовищі емулятора мережі ns-2. Як інтерпретатор опису імітаційної моделі використовувалася мова сценаріїв Otcl.
Значення ймовірносно-часових характеристик функціонування імітаційної моделі ТКМ і ймовірносно-часових характеристики, що використовуються як обмеження при параметричному синтезі наведені в таблиці 4, де Тср.к., Pк. – результати отримані класичним методом; Тср.р., Pр.– результати отримані запропонованим методом.
 Таблиця 4
Значення ймовірносно-часових характеристик
Реалізація	Тср.доп., мс 	Тср.к., мс 	Тср.р., мс 	Pдоп.	Pк.	Pр.	
Варіант 1 	10	11,4	10,2	4,87х10-8	6,18х10-8	4,93х10-8	
Варіант 2	20	24,7	20,3	7,31х10-8	8,99х10-8	7,22х10-8	
Варіант 3 	50	61	49,5	3,3х10-6	3,96х10-6	3,36х10-6	
Варіант 4 	200	247,3	198,4	1,9х10-6	2,36х10-6	1,87х10-6	
Варіант 5 	5	6,1	5,1	9х10-8	10,34х10-8	8,79х10-8	
Варіант 6 	100	123,3	98,7	3х10-7	3,68х10-7	3,07х10-7	

З аналізу отриманих результатів робиться висновок, що запропонований метод параметричного синтезу дозволяє більш ефективно здійснити розподіл ресурсу мережі, ніж класичний за рахунок урахування наявності у потоках, що передаються, ефекту самоподібності. Це призводить до зменшення середнього часу затримки та ймовірності втрати повідомлення у мережі від 10% до 20%.  Таким чином, застосування розробленого методу на етапі проектування ТКМ дозволить підвищити якість надання послуг.
ВИСНОВКИ З РОБОТИ
У дисертаційній роботі розв’язана актуальна науково-прикладна задача вдосконалення методів параметричного синтезу NGN мереж при наданні послуг «Triple Play» шляхом застосування моделі самоподібного потоку та врахування наявності у мережі трафіка з груповою адресацією, що дало можливість підвищити якість послуг, що надаються у мережі. При цьому отримані такі наукові та прикладні результати:
1.	У дисертаційній роботі відповідно до критерію мінімуму вартості мережі, що проектується,  зроблена постановка і вирішена задача визначення оптимальних значень пропускних спроможностей каналів зв’язку і розмірів буферів комутаційного обладнання з урахуванням наявності ефекту самоподібності в інформаційних потоках, що передаються по мережі, при обмеженні на величину середньмережевої затримки та ймовірності втрати пакетів. Задача сформульована та систематизована у вигляді методики, що реалізується на ПЕОМ.
2.	Розроблено метод визначення характеристик групового трафіку у каналах зв’язку мультисервісної телекомунікаційної системи. У методі враховано специфіку надання послуги телебачення, яка полягає у використанні групової адресації та різних рейтингів телеканалів, що ретранслюються. Отримані за допомогою цього методу дані використовуються далі як початкові при параметричному синтезі, що дозволило підвищити точність вирішення цієї задачі.
3.	Вдосконалено метод визначення навантаження, яке створюють абоненти мережі Інтернет. Це дозволяє, не вдаючись до проведення додаткових досліджень, на етапі проектування, отримувати числові значення результуючих інформаційних потоків в умовах відсутності вихідних даних про інтенсивність інформаційного трафіка, створюваного абонентами Інтернет.
4.	Продемонстровано працездатність запропонованих у дисертаційній роботі методів. Проведено дослідження впливу внутрішніх параметрів методу параметричного синтезу на швидкість і точність його роботи.  Вироблені рекомендації з вибору внутрішніх параметрів розробленого методу, які представлені у вигляді формул або конкретних значень.
5.	Проведено дослідження статистичних характеристик інформаційних потоків, що передаються у телекомунікаційних системах при наданні послуги широкосмугового доступу до мережі Інтернет. Було встановлено, що значення питомого навантаження на мережу не залежить від швидкості доступу абонентів до мережі, і його середнє значення складає 0,042 для прийнятої інформації та 0,015 для переданої. Таким чином цей параметр може бути використаний для знаходження обсягу споживання послуги доступу до мережі Інтернет групою абонентів будь якого тарифного плану.
6.	За допомогою імітаційного моделювання доведена адекватність запропонованих методів визначення параметрів потоків у каналах зв’язку та вибору оптимальних значень пропускних спроможностей каналів зв’язку і буферів комутаційного обладнання. Порівняльний аналіз результатів імітаційного моделювання мережі за допомогою запропонованого та класичного методів показав, що запропонований метод дозволяє більш ефективно здійснити розрахунок ресурсу мережі, ніж класичний, що призводить до зменшення середнього часу затримки повідомлення та ймовірності втрати пакетів у мережі (від 10% до 20%) при надходженні на вхід мережі потоків з ефектом самоподібності. 
7.	Розроблені та модернізовані методики та програмна реалізація рекомендується для використання операторами зв’язку, на етапах проектування телекомунікаційних систем надання послуг «Triple play», які знову споруджуються чи реконструюються, з кількістю вузлів від декількох десятків до декількох сотень. Це дозволить прискорити термін проектування, значно підвищити ефективність та зменшити вартість проектних робіт.
8.	Результати дисертаційної роботи використано під час проектування телекомунікаційної мережі надання послуг «Triple play» оператором зв’язку ТОВ «Велтон.Телеком», виконання науково-дослідної роботи № 235-1 «Методи проектування телекомунікаційних мереж NGN та управління їх ресурсами» та в навчальному процесі кафедри ТКМ ХНУРЕ. Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено актами впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.	Агеев Д. В. Параметрический синтез телекоммуникационных систем при самоподобном входящем потоке / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш, Махмуд Самир // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.–техн. сб. – 2007.  Вып. 151. – С. 124–128.
2.	Агеев Д. В. Параметрический синтез мультисервисной сети минимальной стоимости при самоподобном входящем потоке и заданными параметрами качества обслуживания / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш // Радиотехника. Всеукр. межвед. науч.–техн. сб. – 2008. Вып. 155. – С. 105–110.
3.	Агеев Д. В. Расчет параметров самоподобных информационных потоков, передающихся по каналам связи мультисервисной сети, при предоставлении услуг «Triple Play» / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш // Вісник Національного университету «Львівська політехніка»: «Радіоелектроніка i телекомунікації». 2009. – № 645. – С. 131–141.
4.	Евлаш Д. В. Параметрический синтез магистрального участка мультисервисной сети для предоставления услуг «Triple Play» / Д. В. Евлаш // Восточно–Европейский журнал передовых технологий. 2009. – № 4/11 (40). – С. 14–17.
5.	Агеев Д. В. Статистический анализ нагрузки создаваемой абонентами ADSL при безлимитном доступе в сеть интернет / Д. В. Агеев,   Д. В. Евлаш // «Вісник ДУІКТ». Т. 8, № 1. – 2010. – С. 38–43.
6.	Евлаш Д. В. Проблемы оптимального транспорта информационных потоков в мультисервисных сетях / Д. В. Евлаш // 11-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХ1 ст. Зб. матеріалів ХНУРЕ. – Харків: ХНУРЕ, 2007. – С. 77.
7.	Агеев Д. В. Программный комплекс имитационного моделирования современных телекоммуникационных сетей интернет / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш // 2-а міжнародна наукова конференція «Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку». Зб. матеріалів конференції. – Харків: ХНУРЕ. – 2007. – С. 107 – 108.
8.	Ageyev Dmytro. Multiservice Telecommunication Systems design with network’s incoming self-similarity flow / Dmytro Ageyev, Dmytro Evlash // International Conference «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science» TCSET’2008 – Lviv-Slavsko. – 2008. – С. 403–405.
9.	Агеев Д. В. Расчет объема оборудования в узлах сети NGN / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш // Друга науково-технічна конференція «Проблеми телекомунікацій»: Збірник тез. К.: НТУУ «КПІ». – 2008. – С. 284–285.
10.	Агеев Д. В. Расчет объема требуемых сетевых ресурсов мультисервисной телекоммуникационной сети / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш // 12-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХ1 ст.» Зб. матеріалів ХНУРЕ. – Харків: ХНУРЕ. – 2008. – С. 118.
11.	Агеев Д. В. Исследование алгоритмов минимизации стоимости проектируемой мультисервисной сети при самоподобном входящем потоке / Д. В. Агеев, Д. В. Евлаш // IV міжнародна науково-практична конференція «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2008. – С. 109–110.
12.	Агеев Д. В. Минимизация стоимости проектируемой мультисервисной сети при самоподобном входящем потоке / Д. В. Агеев,     Д. В. Евлаш // 3-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития». МРФ: Сборник научных трудов. Том 11. Международная конференция «Телекоммуникационные системы и технологии». – Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ. – 2008. – С. 54–56.
13.	Евлаш Д. В. Расчет объема требуемых сетевых ресурсов для предоставления услуг интерактивного телевидения / Д. В. Евлаш // 13-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь в ХХІ ст.» Зб. матеріалів ХНУРЕ. – Харків: ХНУРЕ. – 2009. – С. 152.

АНОТАЦІЯ

Євлаш Д. В. Метод параметричного синтезу в задачах проектування мультисервісної мережі NGN. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – Телекомунікаційні системи і мережі. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2011.
Дисертацію присвячено вдосконаленню методу параметричного синтезу мультисервісних телекомунікаційних систем на базі моделей інформаційних потоків у вигляді самоподібних процесів з урахуванням специфіки надання послуги телебачення  з метою використання його при проектуванні для підвищення якості надання послуг «Triple play» абонентам мережі. У роботі розроблено метод визначення характеристик групового трафіка у каналах зв’язку мультисервісної телекомунікаційної системи. Вдосконалено метод визначення навантаження, яке створюють абоненти мережі Інтернет. Використані в дисертації методи параметричного синтезу дозволяють ураховувати більшу кількість параметрів інформаційних потоків і можуть використовуватися при проектуванні телекомунікаційних систем при вхідних самоподібних потоках. Порівняльний аналіз результатів запропонованого та класичного методів показав, що запропонований метод дозволяє більш ефективно здійснити розрахунок ресурсу мережі, ніж класичний, що призводить до зменшення середнього часу затримки повідомлення (від 10% до 20%) при надходженні на вхід мережі потоків з ефектом самоподібності. 
Ключові слова: проектування, мультисервісна мережа NGN, «Triple play», групова адресація, IP телебачення, самоподібні потоки.

АННОТАЦИЯ

Евлаш Д. В. Метод параметрического синтеза в задачах проектирования мультисервисной сети NGN. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – Телекоммуникационные системы и сети. – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2011.
Диссертация посвящена усовершенствованию метода параметрического синтеза мультисервисных телекоммуникационных систем на базе моделей информационных потоков в виде самоподобных процессов с учетом специфики предоставления услуги телевидения, что позволило повысить качество предоставления услуг «Triple play» абонентам сети. 
Основным направлением развития систем связи являются мультисервисные телекоммуникационные сети (ТКС) на базе концепции сетей следующего поколения NGN (Next Generation Network) и предоставления услуг «Triple play». На основании проведенного анализа известных методов проектирования мультисервисных телекоммуникационных систем выявлено отставание развития методов параметрического синтеза NGN сетей для предоставления услуг «Triple Play» по сравнению с развитием технических средств.
Усовершенствован метод определения оптимальных значений пропускных способностей каналов связи и размеров буферов коммутационного оборудования согласно критерию минимума стоимости сети,  с учетом наличия эффекта самоподобия в информационных потоках, которые передаются по сети, при ограничении на величину среднесетевой задержки и вероятности потери пакетов.
Разработан метод определения характеристик группового трафика в каналах связи мультисервисной телекоммуникационной системы. В методе учтена специфика предоставления услуги телевидения, которая заключается в использовании групповой адресации и различных рейтингов ретранслируемых телеканалов. 
Усовершенствован метод определения нагрузки создаваемой абонентами услуги доступа к сети Интернет, который позволяет без проведения дополнительных исследований, на этапе проектирования, получать числовые значения результирующих информационных потоков создаваемых абонентами услуги.
На основе исследований влияния внутренних параметров метода параметрического синтеза на скорость и точность его работы произведены рекомендации по выбору внутренних параметров разработанного метода. Сравнительный анализ результатов предложенного и классического методов показал, что предложенный метод позволяет более эффективно осуществить расчет ресурса сети, чем классический, что приводит к уменьшению среднего времени задержки сообщения (от 10% до 20%) при поступлении на вход сети потоков с эффектом самоподобия.
Ключевые слова: проектирование, мультисервисная сеть NGN, «Triple play», групповая адресация, IP телевидение, самоподобные потоки.

ABSTRACT

Evlash D. V. Method of parametrical synthesis in problems of multiservice network NGN designing. – Manuscript.
Dissertation for the candidate’s degree of  technical science in a specialty 05.12.02 – telecommunication systems and networks. – Kharkiv National University of Radio and Electronics, Kharkiv. 2011.
The dissertation is devoted improvement of a multiservice telecommunication system parametrical synthesis method based on the information models of streams in the form of self-similar processes and taking into account TV service granting specificity for the purpose of its use at designing for quality improvement «Triple play» services granting to network subscribers. In research the method of group traffic characteristics determination in communication channels of multiservice telecommunication system is developed. The method of Internet subscribers load determination is improved. The methods of parametrical synthesis used in the dissertation allow to consider giant quantity of information streams parameters and can be used at designing of telecommunication systems at input self-similar streams. The comparative results analysis of the offered and classical methods has shown that the offered method allows to carry out more effectively calculation of an network resource, than classical that leads to reduction of an average time delay of the message in a network (from 10 % to 20 %) at receipt on an input of a network of streams with effect of self-similarity. 
Keywords: designing, multiservice network NGN, «Triple play», multicast, IP TV, self-similar streams.

Підп. до друку 12.01.11.			Формат 60х84 1/16		Спосіб друку – ризографія
Умов. друк. арк. 1,2				Тираж 100 прим.
Зам. № 2-783.					Ціна договірна.

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14

Віддруковано в навчально-науковому
видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ.
Харків, просп. Леніна, 14