Воропаева Анна Александровна

Факультет Компьютерных информационных технологий и автоматики
Специальность: Телекоммуникационные системы и сети

Тема выпускной работы:

Исследование и оптимизация транспортных технологий в сетях мобильной связи третьего поколения

Научный руководитель: доц., К.т.н., зав.каф. АТ Бессараб Владимир Иванович

Исследование и оптимизация транспортных технологий в сетях мобильной связи третьего поколения

- Вступление
- Актуальность
- Постановка задачи исследования
- Транспортные сети. Общий обзор
- Проектирование транспортных сетей.
- Оптимизация и моделирование телекоммуникационных сетей
- Вывод
- Литература

Вступление

Современные тенденции развития телекоммуникаций связаны с появлением новых услуг и сервисов, которые более требовательные к характеристикам транспортных сетей, по сравнению с традиционными. Эти тенденции касаются как стационарных, так и мобильных телекоммуникаций, в частности для последних они связаны с внедрением сетей 2,5G и 3G. Если к текущему моменту в мобильных сетях преобладал голосовой трафик, то при переходе к 2,5G и 3G роль услуг передачи данных растет и существенно увеличивается их вес в общем объеме обслуженного трафика. Вскоре, IP-трафик может стать главным, особенно с учетом общей миграции голоса от канальной к пакетной коммутации.

Актуальность

Поскольку некоторые операторы в Украине (PeopleNet, Utel) уже начали предоставление услуг третьего поколения, а остальные подали заявки на получение соответствующих лицензий, то задача проектирования транспортных сетей, способных обеспечить функционирование новых широкополосных сервисов, является важной и актуальной.

Постановка задачи исследования

К транспортной сети, которая является базой предоставления услуг конечному пользователю, всегда выдвигались требования надежности, управляемости, масштабируемости и способности к развитию. Поэтому волоконно-оптические системы передачи на основе SDH уже давно заняли ведущее место в транспортных сетях практически всех операторов связи.
Но, с появлением и широким распространением новейших телекоммуникационных услуг, к транспортным сетям выдвигаются новые требования мультисервисности и экономичности. Поэтому современной тенденцией развития транспортных сетей является внедрение VoIP и переход на пакетную коммутацию голоса и использование конвергентных технологий. Это может достигаться применением мультисервисных шлюзов (Soft-switch для сетей NGN) или эволюцией технологии SDH к сетям IP-MPLS.
В любом случае, новые широкополосные сервисы требуют пересмотра пропускной способности существующих транспортных сетей операторов или создания новых высокоскоростных магистральных каналов.

Транспортные сети. Общий обзор

Транспортная система современных телекоммуникационных сетей состоит из магистральной сети и сетей доступа. Магистральная сеть, которая состоит из мультиплексированных каналов разной емкости, объединяет между собой узлы коммутации (каналов, пакетов), в свою очередь, сети доступа объединяют узлы коммутации или концентраторы с абонентскими терминальными устройствами (телефонами, факсами, компьютерами, банкоматами и так далее). Оба типа сетей включают разные сетевые элементы для мультиплексирования и концентрации трафика.
Магистральная транспортная сеть может содержать три уровня иерархии - национальный, региональный и местный. Каждый из них является независимой системой со своими собственными резервными элементами и альтернативными путями. При этом неисправность в каком-либо сетевом элементе одного уровня не будет влиять на функционирование других по иерархии уровней.

Рис.1 Уровни иерархии транспортной сети
Сетевая структура в синхронной цифровой иерархии является полностью логической, и это значит, что коммуникационные каналы на каждом уровне могут быть установлены сразу, как только будут определены начальный и конечный узлы. При этом физическая структура сети между этими точками не является важной.
Сети SDH могут иметь разную топологию. В традиционных транспортных сетях устройства DXC могут располагаться на узлах, обеспечивая установку необходимых и альтернативных коммуникационных маршрутов с помощью системы управления. Таким образом, использование SDH в традиционных магистральных сетях создает большую нагрузку на систему управления, которая должна обеспечивать максимально эффективное использование сетевых ресурсов.
Альтернативой является использование логических кольцевых структур в транспортных сетях. Данные кольца могут быть сформированы благодаря выбору соответствующих волоконных пар и объединению узлов на разных уровнях. Каждое кольцо имеет определенную скорость передачи, например, STM-4 и ниже. При этом в состав сетевых узлов входят мультиплексоры ввода/вывода, которые позволяют выделять или вводить трибутарные группы потоков.
SDH-сети национального уровня обеспечивают транспортировку информации между регионами и международный транзит, а также является конечной точкой подключения для разных вторичных магистральных сетей. Сети регионального уровня в свою очередь отвечают за транзит информации между местными сетями, которые входят в конкретный регион. При этом ряд региональных транзитных узлов используется для подключения к национальному уровню и местным уровням.
Ниже местного уровня можно обнаружить сети доступа, которые обеспечивают непосредственное подключение оконечного оборудования, - маршрутизаторов/коммутаторов, телефонных станций, базовых радиостанций, и так далее.

Проектирование транспортных сетей

В результате работы над темой магистерской было спроектировано транспортную сеть города Донецка для мобильного оператора третьего поколения.
Был рассчитан общий трафик и сделанны некоторые выводы по нагрузке сети.
Для организации сети была выбранна технология синхронной цифровой иерархии SDH. Основная единица технологии - синхронный транспортный модуль STM-1, который обеспечивает скорости передачи 155,52 Мбит/с и позволяет инкапсулировать в него все фреймиы европейской PDH иерархии (Е1, Е2, Е3 і Е4).
Из основных архитектурных решений технологии было выбранно найоптимальнейшую с точки зрения резервных маршрутов, ведь существование между узлами нескольких путей повышает надёжность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов, - кольцо-кольцо. Также эта архитекртура позволяет обеспечить достаточную надмерность. Т
На базе данных технологии построена структурная схема сети.

Рис. 2. Структурная схема транспортной сети Донецка. Анимация получена с помощью програмы GifAnimator. 11кадров, 223kbit, повторение циклическое.

.

Были выбраны все необходимые типы оборудования, которое используется и сети

Оптимизация и моделирование транспортных сетей

Классическим подходом к моделированию узлов телекоммуникационных сетей является теория телетрафика и ее основные элементы: системы M/M/V/L для описания системы с потерями для узла сети с коммутацией каналов, и системы M/M/V/W для описания системы с очередью для узла сети с коммутацией пакетов. Моделирование выполняется с помощью первой и второй формул Эрланга. Но этот метод базируется на средних значениях и не учитывает динамику сети.
Сеть связи как совокупность узлов и линий связи может быть представлена в виде графа, в котором вершины отвечают узлам сети, а дуги связям между этими узлами.
Сеть описывается матрицами смежностей и весов, которые отображают связки между узлами сети и другую информацию (расстояние между узлами, длину линии связи, время передачи, стоимость передачи, пропускную способность канала связи).

Рис.3 Транспортная сеть Украины
Для математического моделирования сети, представленной в виде графа применяют аппарат идемпотентной алгебры, или так называемой Мах+ алгебры.
Общий подход к описанию процессов в ТМ сети заключается в следующем. Пусть сеть состоит из n-узлов в каждом из которых есть одноканальное устройство обработки заявок (пакетов) и буфер в котором может происходить ожидание обработки в очереди. Топология сети задается ориентированным ациклическим графом , где множество вершин графа, которые отвечают узлам сети, - множество дуг графа, которые характеризуют маршруты передачи заявок по сети.
В структуре сети выделяют особенные узлы. Множество узлов сети для которой выполняется условие, что рассматриваются как источники бесконечного потока заявок (пакетов), которые поступают к сети. Заявки, которые покидают сеть после обслуживания в узлах i, для которых называют множественным числом узлов-приемников заявок.
В начальный момент времени все устройства обработки заявок в сети свободные, очередь заявок в каждом узле-источнике имеет бесконечную длину, а очереди всех других узлов i содержат по ri –заявок, которые готовы к обслуживанию устройствами
Для формалізації процесу вводяться наступні позначення змінних:Для формализации процесса вводятся следующие обозначения переменных:
– длительность обслуживания k-й заявки в i-м узле сети;
– момент времени завершения обслуживания k-й заявки в i-м узле сети;
- момент поступления k-й заявки в очередь на обслуживание в i-м узле сети.
Предусматривается, что – неотрицательные случайные величины с математическим ожиданием для всех i=1…n та k=1,2….
Для определённости задают дополнительные начальные условия процесса:
для k<0 и i=1,2…n;
С учётом принятых обозначений и предположений, динамика любого узла сети описывается в терминах Max-Plus алгебры при помощи уравнения:
(1)
Для сети с n узлами, переходя к управляемой форме представления уравнения (1) имеем два вектора:

И диагональную матрицу обслуживания:

где - общепринятое обозначение в Max-Plus алгебре.
Тогда уравнение динамики сети с n узлами в векторно-матричной форме будет иметь вид:
(2)

В случае, когда очереди узлов не имеют требований, динамика сети может бать представлена при помощи следующего уравнения (3)

При моделировании динамики сети с использованием уравнения (2) на процесс обслуживания в узлах всегда существуют некоторые ограничения, связанные с особенностями передачи информационных сообщений, или спецификой протокола, который используется в сети.

Вывод

В условиях современного развития телекоммуникационных сетей, в частности мобильной связи, задача проектирования, моделирования и оптимизации транспортных сетей, является достаточно интересной и актуальной. Ведь транспортная сеть составляет весомую часть мобильной сети вообще.
В работе было спроэктировано транспортную сеть мобильного оператора третьего поколения для города Донецка. Сеть представила собой 3 кольца объединеных по топологии кольцо-кольцо и построенных с помощью технологии синхронной цифровой иерархии.
Для оптимизации и моделирования даннои сети предложен аппарат идемпотентной алгебры.

Литература

1. Слепов Н.Н. Современные технологии оптоволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000. – 468 с.
2. Маслов В.П., Колокольцов В.Н. Идемпотентный анализ и его применение в оптимальном управлении. М.: Физматлит, 1994. 144 с.
3. Min-plus and Max-plus System Theory Applied to Communication Networks. Jean-Yves Le Boudec, Patrick Thiran. LCA-ISC-I&C, EPFL, Lausanne, Switzerland. Volume 294/2004
4. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г Олифер, Н.А Олифер – СПб: Питер, 2000 – 672с.
5. Компьютерные сети / Ю.А. Кулаков, Г.М. Луцкий – К., Юниор, 1998. – 384с.
6. Исследование SDH сетей слокжной кольцевой топологии. (http://masters.donntu.ru/2007/kita/lapikova/diss/index.htm)
7. almedia (http://allmedia.by/siteindex/articles/140)
8. SMA16 мультиплексор. Описание структуры и принципов работы. (http://www.nort.ru/suppliers/Ericsson/sdh/sma16.php)
9. Журнал Сетевой (http://setevoi.ru/)
10. Сайт о связи 3G (http://www.3g.co.ua/)

    ---

    ДонНТУ > Портал магистров ДонНТУ || Об авторе | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | | Концепция БИЦ