Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра автоматики и телекоммуникаций

Специальность: Телекоммуникационные системы и сети

Тема магистерской работы:

«Исследование и оптимизация пропускной способности каналов связи в телекоммуникационной сети предоставления услуг Triple Play для условий городского района»

Научный руководитель: ст.преподаватель Бойко Виталий Викторович

Актуальность

Ситуация на мировом рынке телекоммуникаций неуклонно требует повышения конкурентноспособности продукции. За последние годы сети доступа являются наиболее динамическим сегментом телекоммуникационной области. Они непосредственно связаны с предоставлением операторских услуг абонентам, поэтому данные сети хорошо окупаются даже в условиях неблагоприятной экономической ситуации. Здесь постоянно совершенствуются технологии для удовлетворения новых потребностей пользователей, появляются новые, характерные лишь для этих сетей, технические решения. В отличие от транспортных сетей (межстанционных, междугородных и т.п.), в сетях доступа лишь начинается переход на оптические технологии в фиксированной связи. Поэтому можно с уверенностью сказать, что данные сети находятся в фазе развития, которая делает их технически и финансово привлекательными.
Популярная в последнее время концепция «тройной услуги» (Triple Play) предусматривает предоставление пользователям телефонии, передачи данных и видеоинформации используя одну сеть. Причем высокоскоростной Интернет и видео требуют значительной широкополосных сетевых  ресурсов. Одной из наиболее популярных оптических технологий для сетей доступа является FTTB/ETTH технологии, такое решение состоит в передаче данных, речи и видео с помощью простой и недорогой сети Ethernet используя оптические линии связи. Для больших операторов, которые строят объемные разветвленные сети с системами резервирования, наиболее удачной считается технология FTTB/ETTH.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Квалификационная работа магистра выполняется на протяжении 2009-2010 гг. согласно с научным направлением кафедры «Автоматики и телекоммуникаций» Донецкого национального технического университета

Цели и задачи исследования

Целью данной работы является исследования и оптимизация пропускной способности каналов связи для сетей доступа предоставляющий услуги Triple Play на примере Ворошиловского района города Донецка. При этом должны быть решены следующие задачи:

• анализ района для которого разрабатывается сеть;
• расчет параметров сети согласно требованиям услуг;
• разработка и выбор топологии и технологий которые будет использоваться при построении сети;
• разработка структурной схемы сети;
• разработка функциональной схемы сети;
• подбор соотвествеющего оборудования;
• проверка параметров сети на модели;

Анализ объекта и описание информационной модели

Объект проектирования – телекоммуникационная сеть Ворошиловського района г. Донецка, который населяет около 97,3 тыс. жителей, имеет площадь 10 км2 и имеет такие характеристики:

• водные артерии: река Кальмиус; городской пруд №1, №2, №3;
• транспортные артерии: улицы Артема, Университетская, Щорса; проспект Б. Хмельницкого, Ильича; бульвары Пушкина, Шевченко;
• за функциональным назначением: район административный, но его возможно поделить на следующие части:
• административной сектор;
• жилые массивы;
• частной сектор;
• паркови зоны.

На территории района, который рассматривается расположенные органы административного управления, финансовые организации, предприятия торговли, культуры, здравоохранения, науки и образования, информационного и социального обеспечения, контролирующие органы, предприятия бытового обслуживания, связи, организации правопорядка, транспорта.
Но в данном работе будут рассмотрены лишь абоненты жилого сектора. Этот микрорайон будет разделено на части (узлы), в которых и будет размещаться опорное оборудование.

Характеристика абонентского состава района

Прежде чем строить информационную модель необходимо знать количество существующих абонентов. Для этого сделаем небольшой расчет с использованием статистических данных.
В средне-статистическую семью входят два работающих и два неработающих (один пенсионер, один ученик или один ученик и один ребенок дошкольного возроста) человека.
Распределение вероятностей семей с определенным количеством члены приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Среднестатистический состав семей

Состав количества членов семьи колеблется в диапазоне 2÷5 человек с вероятностью 0,954, поэтому при расчете количества семей в населенном пункте Nрод необходимо  ориентироваться на нижнюю границу расчетного диапазона 2÷5 человек :

Nрод =Nж/(nср-2σс),                                              (1.1)

где для условий Донецк.

nср-σс = 4-2 = 2 чел.

Формула (1.1) учитывает семьи, которые отличаются за количественным составом в сторону завышения.

Nрод =Nж/(nср-2σс)= 97300/2=48650 семей ;

В данной работе, которая учитывае наибольшую возможность количества абонентов с условием роста сети в следующие 10 лет, а также согласно так как мы будем являться не единым оператором услуг в этом районе - количество абонентов будет равно приблизительно 60% от количества семей, или 29000 абонентов. 

Информационная модель объекта и требования качества

Пользователей проектированной телекоммуникационной сети условно разделяются на четыре класса «А», «В», «С», «D» . В зависимости от этого будут предоставлены  следующие услуги и службы относительно приоритета использования абонентом:
Класс «А»:

•  IP-Телефония.

Класс «В»:

•  Доступ к сети Интернет.

Класс «С»

• Видео по запросу, VoD (MPEG-4).

Класс «D»

• IP-Телефония.
• Доступ к сети Интернет.
• Видео по запросу, VoD (MPEG-4).

В зависимости от класса абонент получает соответствующую тарификацию. Каждый класс получает полный объем услуг, но абоненты выбирают определенный класс в зависимости от потребности в использовании определенной услуги относительно других. Данный метод основывается на статистических данных и предоставляет собой возможность создания тарифных пакетов для оператора сети доступа.
В таблице 1.2 отображает  процент вероятности использования типов трафика  в зависимости от избранного класса:
Таблица 1.2 - Процент использования типов трафика.

 
Предполагается на начальном этапе следующее приблизительное распределение абонентов за классами:

• 15% - класс «А»,
• 20% - класс «В»,
• 50% - класс «С»,
• 15% - класс «D».

В будузем возможно ожидание увеличение пользователей класса «D» за счет развития спроса на современные технологии передачи видеоинформации.
Услуга «Эфирное Видео, HDTV» - это новое направление развития телевидения, если обычное ТВ (PAL или SECAM) предусматривает изображение 720 на 576 точек, то HDTV разрешает смотреть телепрограммы, фильмы с изображением 1920 на 1080 точек за частотой кадров 30 на секунду. Для этого будем использовать кодек MPEG-4, который позволяет передавать изображение на скорости до 9 Мбит/с. В широковещательном  режиме будет транслироваться 50 наиболее популярных международных, государственных, местных телеканалов.
Услуга «Видео по запросу, VoD»  - эта услуга предоставляет возможность абонентам пересмотреть любимую передачу, фильм или прямую определенную трансляцию на телеканале. Видео предоставляется в более простом формате  720 на 576 точек (PAL) на скорости до 2Мбит/с.
Услуга «IP-Телефония» - это система связи, которая обеспечивает передачу языкового сигнала с помощью IP-Сетей. Сигнал через канал связи передается в цифровом виде, как правило, перекодируется, благодаря чему удаляется избыточность. Для этого будем использовать кодек G.729, который разрешает передавать на скорости до 8 Кбит/с.
Услуга «Доступ к сети Интернет» - это широкополосный доступ к сети Интернет, обеспечивает надежную работу в сети и быстрый доступ к нужным данным на скорости до 2 Мбит/с.
Требования к качеству этих услуг приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - требования к качеству услуг.

Услуги	Bmax	Тсер,с	С	Р, %	Тзад., с
VoD	2 мбит/с	3600	1	1	600мс
IP-Телефония	8 кбит/с	300	6-8	5	150мс
Интернет	2 мбит/с	1200	1-3	0,5	50мс

Где Bmax (Bandwidth - полоса пропускания) - скорость, с которой трафик, генерированый пользователем, должнн быть передан в сети.
Тсер - это средняя продолжительность одного использования услуги в секундах.
С (count - подсчет) - среднее количество вызовов использования услуг за час.
P (Packet loss - потеря пакетов) - это процент утраченных пакетов за время передачи.
Тзад – максимальное время задержки.

Эскизное проектирование транспортной сети (курсовая работа)

В современных оптических сетях доступа могут использоваться разные топологии сети (схемы соединения узлов). Выбор оптимальной топологии зависит от целого ряда факторов, связанных с конкретными условиями проектирования (плотность абонентов, их расположение, виды услуг и т.д.), а также от базовой оптической технологии.
Для реализации мультисервисных сетей предоставляющие услуги Triple Play есть несколько вариантов реализации сети. Рассмотрим  структуру сети.
Основные узлы:

• Ядро - центральный узел связи, обеспечивает взаимодействие узлов агрегации сети. В ядре находится главное оборудование, сервера и т.п..
• Узел агрегации - узел связи, обеспечивает взаимодействие узлов доступа (ТКД).
• Узел доступа (ТКД, точка коллективного доступа) - объект связи, исполняющий непосредственное подключение абонентов с помощью UTP-Кабеля  5-ои категории внутри одного дома.  В одном доме может находиться несколько ТКД.

Топология уровня доступа

Топология сети - звезда. От каждого ТКД прогладжується линия связи к квартире каждого абонента, это UTP кабель 5-ої категоріх. Абоненты закреплены каждый за отдельным портом на ТКД. В зависимости от избранного оборудования от 24 до 48 абонентов на один модуль ТКД. На стороне абонента устанавливается клиентское оборудование.

Топология уровня агрегации

Топология сети - объемное кольцо. Внутри объемного кольца организуется логические кольца, в каждом логическом кольце по 5 ТКД. Максимальное количество ТКД в объемном кольце до 60, т.е. максимальное количество количества логических колец 12 на один коммутатор узла агрегации (12 колец по 5 ТКД в каждом логическом кольце). Кольца замыкаются на узлах агрегации (Рисунок 2.1). Объемных колец может быть несколько.

Рисунок 2.1 - Пример построения объемного кольца.

Топология магистрального уровня

Топология сети - объемное кольцо. Внутри объемного кольца организуется логические кольца, количество оборудования уровня агрегации в логическом кольце не больше 3-х.
Кольца замыкаются на узлах - ядро. Топология аналогичная топологии сети агрегации (рисунок 2.1) за исключением того, что в кольце не больше 4 узлов агрегации.

Топология уровня ядра

Топология сети - кольцо. Количество оборудования уровня ядра в кильке не ограниченно.
От каждого узла агрегации по крышам домов прокладывается оптический кабель по кольцевой   топологии от одной до другой ТКД последовательно (рисунок 2.2) и разваривается внутри кроса, с выполнением схемы розварки (кольцо замыкается на узле агрегации).

Рисунок 2.2 - Построение колец с ТКД от узла агрегации

Анимация 2.1 - Общая топология сети, 8 кадров, бессконечное повторение, размер 44 кбайт

Описание технологий сети

Для построения этой сети используется решение  FTTB/ETTH.
Целью решения ETTH состоит в передаче данных, речи и видео с помощью простой и недорогой сети Ethernet. Уникальным аспектом данного решения есть то, что использование Ethernet с оптоволокном в качестве среды передачи позволяет обеспечить гигабитный доступ к сети.
Гигабитный Ethernet (1 и 10) является очень привлекательным с точки зрения отношения цена/качество и удачном выбором для магистрального применения в построении сети операторских сетей Metro Ethernet.
Привлекательным решением для проводки в середине здания будет витая пара пятой категории. Разработанная, как технология локальных сетей, технология Ethernet обеспечивает большую и дешевую пропускную способность сравнивая с DSL, кабельными модемами и беспроволочных решений.
Типичной архитектурой является реализация на первом этапе  10- или 100-мегабитных Ethernet-Каналов в каждую квартиру, соединенных с обслуживающим дом коммутатором.  Для подключения дома к оптоволоконной сети организовывается гигабитное или мультигигабитное Ethernet-соединение. Агрегация трафика кольцевых сетей осуществляется коммутатором третьего уровня.
Движущей силой для принятия технологии ETTH является замечательной экономическая эффективность технологии Ethernet, которая сегодня может обеспечить несколько преимуществ:

• Отсутствие необходимости в фирменных специализированных модемов и сетевой карты;
• Использование единых стандартов во всем миру при низкой стоимости оборудования и установление;
• Простота модернизации от 10 до 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10Гбит/с;
• Замечательная защищенность один от другого отдельных абонентов;

Данные последних исследований рынка отображают, что суммарная месячная стоимость Мбит/с проданной пропускной способности со временем падает в сетях Ethernet намного быстрее, чем в сетях, построенных на основе альтернативных технологий.
Для абонентов выбран протокол доступа с использованием PPPoE (point-to-point over Ethernet), что разрешает организовать PPP соединение точка-точка через широковещательную среду Ethernet. Протокол PPP случайно разработанной специально для организации доступа абонентов к сети, благодаря чему он содержит встроенные средства  айтентификации абонентов,  механизмы управления сессией, средстве управления IP адресами и прочее. Протокол PPP, как протокол канального уровня, позволяет передавать не только IPv4 трафик, но и других протоколов сетевого уровня, например, IPv6, что упрощает внедрение последнего в сети широколосного доступа.

Расчет параметров абонентской нагрузки на сеть

В основе методики расчета трафика лежат вероятностные характеристики потока данных, которые генерируются разными сетевыми приложениями.
Трафик рассчитывается отдельно для каждого вида услуг на каждом сетевом узле. Формула (1.1) для расчета имеет вид:

,                                               (1.3)

где  – номер сетевой услуги;
– номер узла;
– класс абонента;
 – математическое ожидание трафика, что генерируется k-ою услугой на i-м узле;
 – скорость передачи данных (в Мбитах) – средняя пропускная способность канала связи, которой довольно для качественной передачи трафика k-ою услуги;
 – количество абонентов на i-му узле, которые пользуются k-ою услугой;
 – судьба использования k-ой услуги для j-го класса абонентов в ЧНН на i-му узле;
Скорость передачи данных  определяется формулой (1.4):

,                                                             (1.4)

где  – максимальная пропускная способность канала связи;
 – пачечность одного абонента – отношение между максимальной и средней пропускной способностью, необходимой для обеспечения k-ої услуги.

Рассчитаем нагрузка на сеть. При расчете нагрузки предположим, что на ТКД установленному в 5-ты поверхностному, четырех подъездному дому общим количеством квартирных абонентов 80, при плановом покрытии 60%  - абонентов подключенных к нашей сети будет приблизительно 48 квартир .
Среди которых:

• Абоненты класса «А» 15%, или 7 квартир;
• Абоненты класса «B» 20%, или 10 квартир;
• Абоненты класса «C» 50%, или 24 квартир;
• Абоненты класса «D» 15%, или 7 квартир.

Исходя из этих соображений определим общую нагрузку на сеть сначала для одного узла ТКД:
Для начала рассчитаем величины нагрузки за каждой типа услуг:

• для услуги «Интернет» 2,82 МБит/с.

• для услуги «IP-Телефония» 0,14488Мбит/с.

• для услуги «VoD» 38,96 Мбит/с.

Общее значение на ТКД будет суммой всех нагрузок 41,92488 Мбит/с.

Необходимая пропускная способность внешнего канала в ЧНН определяется как сумма необходимых пропускных способностей услуг Интернет и ІР-Телефонии, т.е. 0,14488+2,82= 2,96488 Мбит/с.
В одном кильке может быть до 5 ТКД, вообще узел агрегации может обслуживать до 12 колец. Т.е. общая нагрузка на узел агрегации равняется 2515,4928 Мбит/с.

Принимая во внимание предыдущие данные о количестве абонентов в районе можно определить количество ТКД и узлов агрегации.
шт.
шт.
Общая нагрузка в сети всех абонентов во время ЧНН 28364,5524 Мбит/с.
Также треба учитывать широковещательно ТВ в высоком качестве:

где – пропускная способность канала связи, которой довольно для качественной передачи трафика  услуги HDTV;
N – количество каналов ТБ которые транслируются в сеть.
Общая нагрузка сети будет равна 25814,5524 Мбит/с.

Последующие задачи на данный момент выполнения магистерской работы не завершены. Ниже приведены направления работы над ними.

С помощью инструмента моделирование процесса функционирования  разработанной телекоммуникационной сети, планируется достигнуть требуемого качества при наименьших затратах ресурсов. Анализ эффективности принятых решений.
Моделирование будет состоять из нескольких опытов:

• моделирование процесса функционирования участка мультисервисной сети без применения приоритезации типов трафика.
• моделирование процесса функционирования участка мультисервисной сети с применением приоритезации типов трафика, в зависимости от типа абонента, времени суток и других.
• На основе полученных результатов будет сделан вывод об эффективности и качестве принятых решений.

Примечание

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Список литературы

1. Величко В.В. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 3. - Мультисервисные сети. / Е.А. Субботин, В.П. Шувалов, А.Ф. Ярославец. - М.: Горячаяя линия - телеком, 2005. - 592 с.
2. В.Г.Олифер, Н.А. Олифер «Компьютерные сети” 2-е изд., Питер 2003
3. Столлингс В. Современные компьютерные сети. - [2-е изд]. - СПб.: Питер, 2003.- 783 с
4. Официальный документ «Архитектура оптических сетей доступа FTTH (Fiber-to-the-Home)», подготовил Иван Герасимов, системный инженер-консультант, http://www.cisco.com/
5. Филимонов А.Ю. Построение мультисервисных сетей Ethernet. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 592 с
6. Вегешна Ш. Качество обслуживания в сетях IP. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 368 с
7. В.Варгаузин, статья «Волоконно-оптические компьютерные сети доступа», 2002 - http://www.telemultimedia.ru
8. В. Спирин, статья «Варианты реализации широкополосной сети по технологии «волокно в дом», 2002 -http://www.telemultimedia.ru
9. Tim Hills, «Ethernet FTTH Triple-Play Services», 2006, http://www.lightreading.com
10. Vesna S. IP Quality of Service./ Srinivas Vegesna. –  Cisco Press. – 2001. – 368 p