RUS | ENG ||
ДонНТУ>
Портал магістрів ДонНТУ
Воропаєва Анна Олександрівна
Факультет: Комп'ютерних інформаційних технологій та автоматики
Спеціальність: Телекомунікаційні системи та мережі
Тема випускної роботи:
Дослідження та оптимізація транспортних технологій в мережах мобільного зв'язку третього покоління
Науковий Керівник:доц., к.т.н., зав.каф. АТ Бессараб В.І.
Матеріали до теми випускної роботи:
Про автора
Дослідження та оптимізація транспортних технологій в мережах мобільного зв'язку третього покоління
- Вступ
- Актуальність
- Постановка задачі дослідження
- Транспортні мережі. Загальний огляд.
- Проектування транспортних мереж.
- Оптимізація та моделювання телекомунікаційних мереж.
- Висновок
- Література
Вступ
Сучасні тенденції розвитку телекомунікацій пов’язані з появою нових послуг та сервісів, що є більш вимогливими до характеристик транспортних мереж, порівняно з традиційними. Ці тенденції стосуються як стаціонарних так і мобільних телекомунікацій, зокрема для останніх вони пов’язані з впровадженням мереж 2,5G та 3G. Якщо до поточного моменту в мобільних мережах переважав голосовий трафік, то при переході до 2,5G та 3G роль послуг передачі даних зростає і суттєво збільшується їх внесок в загальний обсяг обслугованого трафіку. Незабаром, IP-трафік може стати головним, особливо з урахуванням загальної міграції голосу від канальної до пакетної комутації.
Актуальність
Оскільки деякі оператори в Україні (PeopleNet, Utel) вже розпочали надання послуг третього покоління, а решта подали заявки на отримання відповідних ліцензій, то задача проектування транспортних мереж, здатних забезпечити функціонування нових широкосмугових сервісів, є важливою і актуальною.
Постановка задачі дослідження
До транспортної мережі, яка є базою надання послуг кінцевому користувачеві, завжди висувались вимоги надійності, керованості, масштабованості та здатності до розвитку. Тому волоконно-оптичні системи передачі на основі SDH вже давно зайняли провідне місце у транспортних мережах практично усіх операторів зв’язку.
Але, з появою та широким розповсюдженням новітніх телекомунікаційних послуг, до транспортних мереж висуваються нові вимоги мультисервісності та економічності. Тому сучасною тенденцією розвитку транспортних мереж є впровадження VoIP та перехід на пакетну комутацію голосу та використання конвергентних технологій. Це може досягатися застосуванням мультисервісних шлюзів (Soft-switch для мереж NGN) або еволюцією технології SDH до мереж IP-MPLS.
В будь-якому випадку, нові широкосмугові сервіси вимагають перегляду пропускної здатності існуючих транспортних мереж операторів або створення нових високошвидкісних магістральних каналів.
Транспортні мережі. Загальний огляд
Транспортна система сучасних телекомунікаційних мереж складається з магістральної мережі і мереж доступу. Магістральна мережа, що складається з мультиплексованих каналів різної ємності, об'єднує між собою вузли комутації (каналів, пакетів), у свою чергу, мережі доступу об'єднують вузли комутації або концентратори з абонентськими термінальними пристроями (телефонами, факсами, комп'ютерами, банкоматами і так далі). Обидва типи мереж включають різні мережеві елементи для мультиплексування і концентрації трафіку.
Магістральна транспортна мережа може містити три рівні ієрархії - національний, регіональний і місцевий. Кожен з них є незалежною системою зі своїми власними резервними елементами і альтернативними шляхами. При цьому несправність в якому-небудь мережевому елементі одного рівня не впливатиме на фуніонування інших за ієрархією рівнів.
Рис.1 Рівні ієрархії транспортної мережі
Мережева структура в синхронній цифровій ієрархії є повністю логічною, і це означає, що комунікаційні канали на кожному рівні можуть бути встановлені відразу, як тільки будуть визначені початковий і кінцевий вузли. При цьому фізична структура мережі між цими точками не є важливою.
Мережі SDH можуть мати різну топологію. У традиційних транспортних мережах пристрої DXC можуть розташовуватися на вузлах, забезпечуючи установку необхідних і альтернативних комунікаційних шляхів за допомогою системи управління. Таким чином, використання SDH в традиційних магістральних мережах створює велике навантаження на систему управління, яка повинна забезпечувати максимально ефективне використання мережевих ресурсів.
Альтернативою є використання логічних кільцевих структур в транспортних мережах. Дані кільця можуть бути сформовані завдяки вибору відповідних волоконних пар і об'єднанню вузлів на різних рівнях. Кожне кільце має певну швидкість передачі, наприклад, STM-4 і нижче. При цьому до складу мережевих вузлів входять мультиплексори вводу/виводу, які дозволяють виділяти або вводити трибутарні групи потоків.
SDH-мережі національного рівня забезпечують транспортування інформації між регіонами і міжнародний транзит, а також є кінцевою точкою підключення для різних вторинних магістральних мереж. Мережі регіонального рівня у свою чергу відповідають за транзит інформації між місцевими мережами, що входять в конкретний регіон. При цьому ряд регіональних транзитних вузлів використовується для підключення до національного рівня і місцевих рівнів.
Нижче за місцевий рівень можна виявити мережі доступу, що забезпечують безпосереднє підключення крайового устаткування, - маршрутизаторів/комутаторів, телефонних станцій, базових радіостанцій і так далі.
Проектування транспортних мереж
У результаті роботи над темою магістерської було спроектовано транспортну мережу міста Донецька для мобільного оператора третього покоління.
Був розрахований загальний трафік і зроблені певні висновки щодо навантаження мережі.
Для організації мережі була обрана технологія цифрової синхронної ієрархії SDH. Основна одиниця технології - синхронний транспортний модуль STM-1, що забезпечує швидкість передачі 155,52 Мбіт/с і що дозволяє інкапсулювати (вставляти) в нього всі фрейми європейської PDH ієрархії (Е1, Е2, Е3 і Е4).
З основних архітектурних рішень технології було обрано найоптимальнішу з точки зору наявності резервних маршрутів, адже наявність між вузлами декількох шляхів підвищує надійність мережі та робить можливим балансування завантаження окремих каналів, – кільце-кільце. Також ця архітектура дозволяє забезпечити достатню надмірність.
На базі даних технологій побудувана структурна та функціональна схема мережі.
Рис. 2. Структурна схема транспортної мережі Донецька. Анімація отримана за допомогою програми помощью програмы GifAnimator. 11кадрів, 20КБ, повторення циклічне.
Були обрані всі необхідні типи обладнання, яке застосовується для організації транспортної мережі.
Проектування транспортних мереж
Класичним підходом до моделювання вузлів телекомунікаційних мереж є теорія телетрафіку та її основні елементи: системи M/M/V/L для описання системи з втратами для вузла мережі з комутацією каналів та системи M/M/V/W для описання системи з чергою для вузла мережі з комутацією пакетів. Моделювання виконується за допомогою першої та другої формул Ерланга. Але цей метод базується на середніх значеннях і не враховує динаміки мережі.
Мережа зв’язку як сукупність вузлів та ліній зв’язку може бути представлена у вигляді графа, в якому вершини відповідають вузлам мережі, а дуги зв’язкам між цими вузлами.
Мережа описується матрицями суміжностей та ваг, котрі відображають зв’язки між вузлами мережі та іншу інформацію (відстань між вузлами, довжину лінії зв’язку, час передачі, вартість передачі, пропускну здатність каналу зв’язку).
Рис.3 Транспортна мережа України
Для математичного моделювання мережі, представленої у вигляді графа, застосовують апарат ідемпотентної алгебри, або так званої Мах+ алгебри.
Загальний підхід до опису процесів в ТМ мережі полягає в наступному. Нехай мережа складається з n-вузлів у кожному з яких є одно канальний пристрій обробки заявок (пакетів) і буфер в якому може відбуватися очікування обробки в черзі. Топологія мережі задається орієнтованим ациклічним графом 
, де 
множина вершин графа, які відповідають вузлам мережі, 
- множина дуг графа, що характеризують маршрути передачі заявок по мережі.
В структурі мережі виділяють особливі вузли. Множини вузлів мережі для якої виконується умова, що 
розглядаються як джерела нескінченного потоку заявок (пакетів), що надходять до мережі. Заявки, які покидають мережу після обслуговування в вузлах i, для яких 
називають множиною вузлів-приймачів заявок.
У початковий момент часу всі пристрої обробки заявок в мережі вільні, черга заявок в кожному вузлі-джерелі має нескінченну довжину, а черги всіх інших вузлів i містять по ri –заявок, які готові до обслуговування пристроями.
Для формалізації процесу вводяться наступні позначення змінних:
– тривалість обслуговування k-ї заявки в i-му вузлі мережі;
– момент часу завершення обслуговування k-ї заявки в i-му вузлі мережі;
- момент надходження k-ї заявки в чергу на обслуговування в i-му вузлі мережі.
Передбачається, що – невід’ємні випадкові величини з математичним очікуванням 
для всіх i=1…n та k=1,2….
Для визначеності задають додаткові початкові умови процесу:
для k<0 та i=1,2…n;
З урахуванням прийнятих позначень та припущень динаміка будь-якого вузла мережі описується в термінах Max-Plus алгебри [1] за допомогою рівняння:
(1)
Для мережі з n вузлами, переходячи до керованої форми представлення рівняння (1) маємо два вектори:
та діагональну матрицю обслуговування:
де 
- загально прийняте позначення в Max-Plus алгебрі.
Тоді рівняння динаміки мережі з n вузлами у векторно-матричній формі матиме наступний вигляд:
(2)
У випадку, коли черги вузлів не містять вимог, динаміка мережі може бути представлена за допомогою наступного рівняння:
(3)
При моделюванні динаміки мережі з використанням рівняння (2) на процес обслуговування в вузлах завжди існують деякі обмеження, пов’язані з особливостями передачі інформаційних повідомлень, або специфікою протоколу, який використовується в мережі.
Як приклад застосування запропонованої методики, автором отримані характеристики середнього часу затримки для транспортних SDH-мереж, які використовуються для передачі голосового трафіку оператором мобільного зв’язку.
Висновок
В умовах сучасного розвитку телекомунікаційних мереж, зокрема мобільного зв’язку, задача проектування, моделювання та оптимізації транспортних мереж є досить цікавою та актуальною. Адже транспортна мережа складає вагому частину мобільної мережі взагалі.
У роботі було зпроектовано транспортну мережу мобільного оператора третього покоління для міста Донецька. Мережа скалала 3 кільця об’єднані за топологією кільце-кільце. Та побудованих за допомогою технології синхронної цифрової ієрархії.
Для оптимізації та моделювання данноі мережі запропоновано апарат ідемпотентної алгебри.
Література
- Слепов Н.Н. Современные технологии оптоволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000. – 468 с.
- Маслов В.П., Колокольцов В.Н. Идемпотентный анализ и его применение в оптимальном управлении. М.: Физматлит, 1994. 144 с.
- 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
- Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г Олифер, Н.А Олифер – СПб: Питер, 2000 – 672с.
- Компьютерные сети / Ю.А. Кулаков, Г.М. Луцкий – К., Юниор, 1998. – 384с.
- Исследование SDH сетей слокжной кольцевой топологии. (http://masters.donntu.ru/2007/kita/lapikova/diss/index.htm)
- almedia (http://allmedia.by/siteindex/articles/140>almedia)
- SMA16 мультиплексор. (http://www.nort.ru/suppliers/Ericsson/sdh/sma16.php)
- Журнал Сетевой (http://setevoi.ru/)
- Сайт о связи 3G (http://www.3g.co.ua)
Про автора