Факультет Комп'ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра автоматики і телекомунікацій

Спеціальність: телекомунікаційні системи і мережі

Тема кваліфікаційної магистрської роботи:

«Дослідження та оптимізація пропускної здатності каналів зв'язку в телекомунікаційній мережі надання послуг Triple Play для умов міського району»

Науковий керівник: ст.викладач Бойко Віталій Вікторович

Актуальність

Ситуація на світовому ринку телекомунікацій неухильно вимагає підвищення конкурентоздатності продукції. За останні роки мережі доступу (МД) є найбільш динамічним сегментом телекомунікаційної галузі. Вони безпосередньо пов'язані з наданням операторських послуг абонентам, тому МД добре окупаються навіть в умовах несприятливої економічної ситуації. Тут постійно удосконалюються технології для задоволення нових потреб користувачів, з'являються нові, характерні лише для цих мереж, технічні рішення. На відміну від транспортних мереж (міжстанційних, міжміських і т. п.), в МД лише починається перехід на оптичні технології у фіксованому зв'язку. Тому можна з упевненістю сказати, що МД знаходяться у фазі розвитку, що робить їх технічно і фінансово привабливими.
Популярна останнім часом концепція «потрійної послуги» (Triple Play) передбачає надання користувачам телефонії, передачі даних і відеоінформації через одну мережу. Причому високошвидкісний Інтернет і відео вимагають значної широкосмуговості мережевих ресурсів. Однією з найбільш популярних оптичних технологій для МД є FTTB/ETTH, таке рішення полягає у передачі даних, мови та відео за допомогою простої й недорогої мережі Ethernet використовуючи оптичні лінії зв’язку. Для великих операторів, що будують великі розгалужені мережі з системами резервування, найбільш вдалою вважається технологія FTTB/ETTH.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Кваліфікаційна робота магістра виконується протягом 2009-2010 рр.. згідно з науковим напрямком кафедри «Автоматики і телекомунікацій» Донецького національного технічного університету

Мета і задачі розробки(дослідження)

Мета цієї рототі є дослідження та оптимізація пропускної здатності каналів зв'язку для мереж надання послуг Triple Play на прикладі Ворошиловського району міста Донецька. При цьому повинні буті розв’язані наступні задачі:

• Аналіз району для якого розробляється мережа;
• Розрахунок параметрів мережі згідно з вимогами послуг;
• Розроблення та вибір топологій і технологій які будуть використовуватися у побудові мережі;
• Рзабезпечити надання послуг Triple Play: Інтернет-доступу, IP-телефонії, відео за запитом квартирним абонентам Ворошиловського району Донецька.

Аналіз об’єкту та опис інформаційної мережі

Об'єкт проектування – телекомунікаційна мережа Ворошиловського району м. Донецька, який нараховує близько   97,3 тис. мешканців, має площу 10 км2 та має такі характеристики:

• водні артерії: річка Кальміус; міський ставок №1, №2, №3;
• транспортні артерії: вулиці Артема, Університетська, Щорса; проспект Б. Хмельницького, Ілліча; бульвари Пушкіна, Шевченка;
• за функціональним призначенням: район адміністративний, але його можливо поділити на наступні частини:
• адміністративній сектор;
• житлові масиви;
• приватній сектор;
• паркови зони.

На території району, який розглядається розташовані органи адміністративного управління, фінансові організації, підприємства торгівлі, культури, охорони здоров’я, науки та освіти, інформаційного та соціального забезпечення, контролюючі органи, підприємства побутового обслуговування, зв’язку, організації правопорядку, транспорту.
Але в цієї роботі буде розглянутий лише абоненти житлового сектору. Цей мікрорайон буде поділено на частини (вузли), в яких і буде розміщуватися опорне устаткування.

Характеристика абонентського складу району

Перш ніж будувати інформаційну модель необхідно знати кількість існуючих абонентів. Для цього зробимо невеличкий розрахунок з використанням статистичних даних.
У середньо-статистичну родину входять дві працюючих і дві непрацюючих (один пенсіонер, один учень або один учень й одна дитина дошкільного віку) людини.
Розподіл імовірностей родин з певною кількістю членів наведено у таблиці 1.1

Таблиця 1.1 - Середньостатистичний склад родин

Склад кількості членів родини коливається в діапазоні 2÷5 чоловік з імовірністю 0,954, тому при розрахунку кількості родин у населеному пункті Nрод необхідно  орієнтуватися на нижню границю розрахункового діапазону 2÷5 чол :

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

де для умов Донецьк.

nср-σс = 4-2 = 2 чол.

Формула (1.1) враховує родини, що відрізняються за кількісним складом в бік завищення.

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

У цієї роботі, яка враховує найбільшу кількості абонентів з умовою росту мережі в наступні 10 років, а також згідно з тому що ми будемо являтися не єдиним оператором послуг у цьому районі - кількість абонентів буде дорівнювати приблизно 60% від кількості родин, або 29000 абонентів. 

Інформаційна модель об’єкту та вимоги якості

Користувачів проектованої телекомунікаційної мережі поділяються на чотири класи «А», «В», «С», «D» . У залежності від цього будуть надані  наступні послуги і служби відносно пріоритету використання абонентом:
Клас «А»:

•  IP-телефонія.

Клас «В»:

•  Доступ до мережі Інтернет.

Клас «С»

• Відео за запитом, VoD (MPEG-4).

Клас «D»

• IP-телефонія.
• Доступ до мережі Інтернет.
• Відео за запитом, VoD (MPEG-4).

Залежно від класу абонент отримує відповідну тарифікацію. Кожен клас отримує повний обсяг послуг, але абоненти вибирають певний клас залежно від потреби в використанні певної послуги відносно інших. Метод базується на статистичних даних  і забезпечує можливість створення тарифних пакетів для операторів мережі доступу.
У таблиці 1.2 відображає  відсоток потрібності використання типів трафіка залежно від обраного класу:
Таблиця 1.2 – Відсоток використання типів трафіка.

 
Передбачається на початковому етапі наступний приблизний розподіл абонентів за класами:

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

Далі очікується збільшення користувачів класу «D» за рахунок розвитку попиту на сучасні технології передачі відеоінформації.
Послуга «Відео ефірне, HDTV»  - це нове направлення розвитку телебачення, якщо звичайне ТБ (PAL або SECAM) передбачає зображення 720 на 576 точок, то HDTV дозволяє дивитися телепрограми, фільми з зображенням 1920 на 1080 точок за частотою кадрів 30 на секунду. Для цього будемо використати кодек MPEG-4, кий дозволяє передавати зображення на скорості до 9 Мбіт/с. У широкомовному  режимі буде транслюватися 20 найбільш популярних міжнародних, державних, місцевих телеканалів.
Послуга «Відео за запитом, VoD»  - ця послуга надає можливість абонентам переглянути улюблену передачу, фільм або пряму певну трансляцію на телеканалі який не входить до 20-ки. Відео надається у більш простому форматі  720 на 576 точок (PAL) на скорості до 2Мбіт/с.
Послуга «IP-телефонія» - це система зв’язку, яка забезпечує передачу мовного сигналу за допомогою IP-мереж. Сигнал через канал зв’язку передається у цифровому виді, як правило, перекодовувається, завдяки чому видаляється надмірність. Для цього будемо використати кодек G.729, кий дозволяє передавати на скорості до 8 Кбіт/с.
Послуга «Доступ до мережі Інтернет» - це широкгосмуговий доступ до мережі Інтернет, забезпечує надійну роботу в мережі та швидкий доступ до потрібних даних на скорості до 2 Мбіт/с.
Вимоги до якості цих послуг наведені у таблиці 1.3.
Таблиця 1.3 – вимоги до якості послуг.

Послуги	Bmax	Тсер,с	С	Р, %	Тзат, мс
VoD	2 мбіт/с	3600	1	1	600
IP-телефонія	8 кбіт/с	300	6-8	5	150
Інтернет	2 мбіт/с	1200	1-3	0,5	50

Де Bmax (Bandwidth – полоса пропускання) – швидкість, з якою трафік, ґенерований застосунком, має бути переданий у мережі.
Тсер – це середня тривалість одного використання послуги у секундах.
С (count - підрахунок) – середня кількість викликів використання послуг за годину.
P (Packet loss – втрата пакетів) – це відсоток втрачених пакетів за час передачі.
Тзат – максимальний час затримки.

Ескізне проектування транспортної мережі (курсова робота)

У сучасних оптичних мережах доступу можуть використовуватися різні топології мережі (схеми з'єднання вузлів). Вибір оптимальної топології залежить від цілого ряду факторів, пов'язаних з конкретними умовами проектування (щільність абонентів, їх розташування, види послуг і т.д.), а також від базової оптичної технології.
Для реалізації мультисервісних мереж надающих послуги Triple Play є декілька варіантів реалізації мережі. Розглянемо  структуру мережі.
Основні вузли:

• Ядро – центральний вузол зв’язку, забезпечивающий взаємодію вузлів агрегації мережі. У ядрі знаходиться головне обладнання, сервера тощо.
• Вузол агрегації – вузол зв’язку, забезпечивающий взаємодію вузлів доступу (ТКД).
• Вузол доступу (ТКД, точка колективного доступу) – об’єкт зв’язку, виконуючий безпосереднє з’єднення абонентів за допомогою UTP-кабеля  5-ої категорії всередині одного будинку.  В одному будинку може знаходитись декілька ТКД.

Топологія рівня доступу

Топологія мережі – зірка. Від кожного ТКД прогладжується лінія зв’язку до квартири кожного абонента, це UTP кабель 5-ої категоріх. Абоненти закріплені кожний за окремим портом на ТКД. Залежно від обраного обладнання від 24 до 48 абонентів на один модуль ТКД. На стороні абонента встановлюється клієнтське обладнання.

Топологія рівня агрегації

Топологія мережі – об’ємне кільце. Всередині об’ємного кільця організується логічні кільця, у кожному логічному кольці по 5 ТКД. Максимальна кількість ТКД у об’ємному кільці до 60, тобто максимальна кількість кількості логічних кілець 12 на один комутатор вузла агрегації (12 кілець по 5 ТКД у кожному логічному кільці). Кільця замикаються на вузлах агрегації (Рисунок 2.1). Об’ємних кілець може бути декілька.

Рисунок 2.1 – Приклад побудови об’ємного кільця.

Топологія магістрального рівня

Топологія мережі – об’ємне кільце. Всередині об’ємного кільця організується логічні кільця, кількість обладнання рівня агрегації у логічному кільці не більше 3-х.
Кільця замикаються на вузлах – ядро. Топологія аналогічна топології мережі агрегації (рисунок 2.1) за винятком того, що у кільці не більше 4 вузлів агрегації.

Топологія рівня ядра

Топологія мережі – кільце. Кількість обладнання рівня ядра у кільці не обмежено.
Від кожного вузла агрегації по дахам будинків прокладається оптичний кабель по кільцевій   топології від однієї до іншої ТКД послідовно (рисунок 2.2) і розварюється всередині кроса, з виконанням схеми розварки (кільце замикається на вузлі агрегації).

Рисунок 2.2 – Побудова кілець з ТКД від вузла агрегації

Рисунок 2.3 – загальна топологічна схема

Опис технологій мережі

Для побудови цієї мережі використовується рішення  FTTB/ETTH.
Метою рішення ETTH полягає у передачі даних, мови та відео за допомогою простої й недорогої мережі Ethernet. Унікальним аспектом даного рішення є те, що використання Ethernet з оптоволокном у якості середовища передачі дозволяє забезпечити гігабітний доступ до мережі.
Гігабітний Ethernet (1 та 10) є дуже привабливим з точки зору відношення ціна/якість і вдалім вибором для магістрального застосування у побудові мережі операторських мереж Metro Ethernet.
Привабливим рішенням для проводки у середині будівлі є кручена пара п’ятої категорії. Розроблена, як технологія локальних мереж, технологія Ethernet забезпечує велику та дешеву пропускну здатність порівнюючи з DSL, кабельними модемами та бездротових рішень.
Типовою архітектурою є реалізація на першому етапі  10- або 100- магабітних Ethernet-каналів у кожну квартиру, з’єднаних з обслуговуючим будинок комутатором.  Для підключення будинку до оптоволоконної мережі організовується гігабітне або мультігігабітне Ethernet-з’єднання. Агрегація трафіка кільцевих мереж здійснюється комутатором третього рівня.
Рушійною силою для прийняття технології ETTH є чудова економічна ефективність технології Ethernet, яка сьогодні може забезпечити декілька переваг:

• Відсутність потрібності у фірмових спеціалізованих модемів і мережної карти;
• Використання єдиних стандартів у всьому мирі при низької вартості обладнання та установлення;
• Простота модернізації від 10 до 100 Мбіт/с, 1 Гбіт/с й 10Гбіт/с;
• Чудова захищеність один від одного окремих абонентів;

Данні останніх досліджень ринку відображують, що сумарна місячна вартість Мбіт/с проданої пропускної здатності з часом падає у мережах Ethernet набагато швидше, ніж у мережах, побудованих на основі альтернативних технологій.
Для абонентів обраний протокол доступу з використанням PPPoE (point-to-point over Ethernet), що дозволяє організувати PPP з’єднання точка-точка через широкомовну середовище Ethernet. Протокол PPP бува розробленій спеціально для організації доступу абонентів до мережі, завдяки чому він містить убудовані засоби  аутентіфікації абонентів,  механізми управління сесією, засобі управління IP адресами та інше. Протокол PPP, як протокол канального рівня, дозволяє передавати не тільки IPv4 трафік, але й інших протоколів мережного рівня, наприклад, IPv6, що спрощує впровадження останнього у мережі широкосмугового доступу

Розрахунок параметрів абонентського навантаження на мережу

В основі методики розрахунку трафіка лежать імовірнісні характеристики потоку даних, які генеруються різними мережними додатками.
Трафік розраховується окремо для кожного виду послуг на кожному мережному вузлі. Формула (1.1) для розрахунку має вид:

,                                               (1.3)

де  – номер мережної послуги;
– номер вузла;
– клас абонента;
 – математичне очікування трафіка, що генерується k-ою послугою на і-му вузлі;
 – швидкість передачі даних (у Мбітах) – середня пропускна здатність каналу зв'язку, якої досить для якісної передачі трафіка k-ої послуги;
 – кількість абонентів на і-му вузлі, які користуються k-ою послугою;
 – доля використання k-ої послуги для j-го класу абонентів у ГНН на і-му вузлі;
Швидкість передачі даних  визначається формулою (1.4):

,                                                             (1.4)

де  – максимальна пропускна здатність каналу зв'язку;
 – пачечність одного абонента – відношення між максимальною й середньою пропускною здатністю, необхідною для забезпечення k-ої послуги.
Розрахуємо навантаження на мережу. При розрахунку навантаження припустимо, що на ТКД встановленому у 5-ти поверховому, чотирьох під’їзному будинку загальною кількістю квартирних абонентів 80, при плановому покритті 60%  - абонентів підключених до нашої мережі буде приблизно 48 квартир .
Серед яких:

• Абоненти класу «А» 15%, або 7 квартир;
• Абоненти класу «B» 20%, або 10 квартир;
• Абоненти класу «C» 50%, або 24 квартир;
• Абоненти класу «D» 15%, або 7 квартир.

Виходячи з цих міркувань визначимо загальне навантаження на мережу спочатку для одного вузла ТКД:
Для початку розрахуємо величини навантаження за кожною типу послуг:

• для послуги «Інтернет» 2,82 МБіт/с.
• для послуги «IP-телефонія» 0,14488Мбіт/с.
• для послуги «VoD» 38,96 Мбіт/с.

Загальне значення на ТКД буде сумою усіх навантажень 41,92488 Мбіт/с.
Необхідна пропускна здатність зовнішнього каналу в ГНН визначається як сума необхідних пропускних здатностей послуг Інтернет та ІР-телефонії, тобто 0,14488+2,82= 2,96488 Мбіт/с.
У одному кільці може бути до 5 ТКД, загалом вузол агрегації може обслуговувати до 12 кілець. Тобто загальне навантаження на вузол агрегації дорівнює 2515,4928 Мбіт/с.
Приймаючи до уваги попередні данні о кількості абонентів у районі можна виявити кількість ТКД і вузлів агрегації.
шт.
шт.
Загальне навантаження у мережі усіх абонентів у час ГНН 25364,5524 Мбіт/с.
Також требо урахувати широкомовне транслювання ТБ у високій якості:

де – пропускна здатність каналу зв'язку, якої досить для якісної передачі трафіка  послуги HDTV;
N– кількість каналів ТБ які транслюються у мережу.
Отже загальна навантаження мережі буде дорівнювати 25814,5524 Мбіт/с.

Наступні задачі на даний момент виконання магістерської роботи не закінчені. Далі наведені напрямки роботи над ними.

За допомогою інструменту моделювання процесу функціонування виробленої телекомунікаційної мережі, планується достигнути необхідної якості при найменших ресурсних видатків. Аналіз  ефективності прийнятих рішень.
Моделювання буде складатися з декілька опитів:

• Моделювання процесу функціонування частини мультисервісної мережі без використання пріоритетизациї типів трафіку.
• Моделювання процесу функціонування частини мультисервісної мережі з використання пріоритетизациї типів трафіку, належно від типів абонента, часу та інших.
• Моделювання процесу функціонування частини мережі з іншими рішеннями оптимізації.

Відповідно до отриманих результатів будуть зроблені виводи об ефективності та якості прийнятих рішень.

Примітка

На час написання цього автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата закінчення роботи: 1 грудня 2010 г. Повний текст роботи та матеріали роботи можливо буде отримати у автора або у його наукового керівника після цієї дати.

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