Разработка и исследование метода адаптивного управления потоками информации на ЦСИО

Актуальность темы

Возрастающие потребности общества в передаче большого объёма различных видов информации, а также повсеместная интеграция систем связи и вычислительной техники обуславливают интенсивное развитие цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО). С ростом интеллекта современной сети связи реализуются новые, недоступные ранее возможности, как по обслуживанию абонентов, так и по управлению сетью. Активно развиваются мобильные сети связи (МСС) и интеллектуальные сети связи (ИСС), в которых интенсивность обмена управляющей информацией значительно выше, чем в традиционных сетях. При этом увеличивается общая нагрузка на сеть связи в целом и в особенности нагрузка на сеть сигнализации. В этих условиях существенно возрастают требования к повышению надежности и эффективности использования ресурсов сетей связи. Возможность соответствия возрастающим требованиям существенно зависит от наличия системы управления сетью, её способности адаптироваться к различным условиям, складывающимся на сети связи: перегрузки на отдельных участках сети, повреждение элементов сети.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности сетей связи является разработка методов динамического управления потоками информации. Проведённые исследования в области сетевого управления демонстрируют явные преимущества адаптивной маршрутизации по сравнению со статическим планом распределения потоков информации. К настоящему времени вопросам адаптивной маршрутизации посвящено достаточно большое число работ, как в нашей стране, так и за рубежом. Разработкой и внедрением методов адаптивной маршрутизации заняты исследовательские центры таких крупнейших телекоммуникационных компаний как американская AT&T, канадская Northern Telecom, германская Siemens, японская NT&T и др. Однако в этих работах исследования проводились применительно к определённому типу сетей без учёта особенности построения современных телекоммуникационных сетей, а именно, наличия информационной сети (ИС), передающей пользовательскую информацию и выделенной сети управления (УС) на базе системы сигнализации по общему каналу № 7 (ОКС-7). При этом не учитывалось взаимовлияние между информационной сетью и сетью управления в процессе маршрутизации вызовов.

Для нашей страны задача построения эффективной системы управления сетью связи является особенно актуальной в условиях внедрения цифровой техники коммутации и создания национальной сети сигнализации ОКС-7. Поэтому на этапе проектирования сети необходимо предусмотреть способы, позволяющие повысить уровень качества обслуживания абонентов.

Цель диссертационной работы. Диссертационная работа посвящена вопросам исследования взаимовлияния информационной сети и сети управления в ЦСИО, а именно влиянию задержек в установлении соединения по сети ОКС на качество обслуживания в информационной сети, и разработке метода учёта этого влияния в процессе маршрутизации вызовов. Практической задачей исследований является разработка метода совместной оптимизации плана распределения потоков вызовов в информационной сети и потоков управляющих сообщений в сети управления.

Поставленные цели достигаются решением следующих задач:

1. Разработка аналитической модели взаимодействия информационной и управляющей составляющих ЦСИО и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) модели.

2. Разработка метода адаптивного управления потоками информации в информационной сети и сети управления на ЦСИО с учётом их взаимного влияния.

3. Разработка имитационной модели сети связи с использованием адаптивной маршрутизации и анализ эффективности предложенного метода.

Состояние проблемы. В настоящее время развивается тенденция отказа от иерархического принципа построения сетей связи и статического распределения потоков вызовов. Многие ведущие операторы связи активно внедряют адаптивную маршрутизацию на международных, междугородных и местных сетях. Разрабатываются методы адаптивной маршрутизации для широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания (Ш-ЦСИО).

Методы исследования. Для проведения исследований использовались методы теории вероятностей, теории массового обслуживания, теории автоматической коммутации, теории сетей электросвязи, математической статистики, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна исследований, проведённых в диссертационной работе, состоит в следующем:

1. Разработана аналитическая модель влияния задержек в установлении соединения на качество обслуживания в информационной сети. Исследована степень влияния управляющей сети на качество обслуживания пользовательских заявок при наличии адаптивной маршрутизации в сети. Показано, что с увеличением среднего времени передачи управляющих сообщений по сети управления снижается качество обслуживания в информационной сети, несмотря на отсутствие в ней перегрузок.

2. Предложен комплексный критерий оценки качества обслуживания вызовов по маршрутам в информационной сети, который определяется вероятностью установления соединения за время не более заданного. Использование данного критерия при выборе маршрута установления соединения позволяет оптимизировать план распределения потоков вызовов в условиях изменения ситуации в сети управления.

3. Разработан и исследован статистический метод адаптивного распределения потоков вызовов в информационной сети с учётом задержек передачи управляющий информации по выделенной сети сигнализации. В основе метода лежит многопороговая система управления элементами обобщенной стохастической матрицы маршрутизации на узле коммутации. Проведённое сравнительное исследование предложенного метода со статическим распределением потоков вызовов и игровым методом без учёта времени передачи управляющей информации показало, что учёт состояния сети управления при выборе обходных путей установления соединения в информационной сети позволяет повысить качество обслуживания вызовов, а именно, снизить величину потерь на 7 — 25% и сократить среднее время установления соединения на 8 — 32%.

4. Исследовано влияние параметров системы управления на сходимость метода. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить скорость сходимости предложенного метода в условиях изменяющейся ситуации в сети.

5. Показана принципиальная возможность использования метода адаптивной маршрутизации на основе многопороговой системы управления элементами обобщенной стохастической матрицы на узлах коммутации сети ОКС-7 при распределении потоков сообщений с установлением сигнального соединения. Причём в отличие от известных методов адаптивной маршрутизации, используемых в сетях пакетной коммутации, не требуется передача дополнительной служебной информации.

Практическая ценность работы и использование её результатов.

Разработаны рекомендации по внедрению методов адаптивной маршрутизации на цифровых сетях с выделенной сетью управления.

Разработана программа имитационного моделирования ЦСИО с адаптивной маршрутизацией, отличающаяся от известных возможностью совместного исследования информационной сети и сети управления. На основе данной программы в диссертационной работе получены практические результаты, позволяющие оценить функционирование ЦСИО с учётом адаптивной маршрутизации. Предложенная программа может быть использована при проектировании системы управления потоками информации на ЦСИО.

Результаты диссертационной работы использованы в ИППИ РАН при проведении госбюджетных и хоздоговорных работ, а также в учебном процессе МТУ СИ. Результаты работы могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях при разработке новых и развитии существующих цифровых сетей связи общего и специального назначения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оптимальное распределение потоков вызовов в информационной сети в условиях изменяющейся ситуации в сети управления возможно только с учётом времени передачи управляющей информации.

2. Статистический метод адаптивной маршрутизации вызовов на основе комплексного критерия качества обслуживания позволяет оптимизировать план распределения потоков вызовов в условиях перегрузок в сети управления.

3. Использование комплексного критерия оценки качества обслуживания по маршрутам в информационной сети позволяет быстрее адаптироваться к изменяющейся ситуации в сети управления и повысить качество обслуживания вызовов.

4. Предложенный подход к оценке времени передачи управляющей информации может быть использован для выбора маршрутов передачи управляющих сообщений в сети ОКС-7 при установлении сигнальных соединений.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на научно-практическом семинаре «Проблемы разработки, внедрения и эксплуатации цифровых систем коммутации» (Сергиев Посад. 1996), международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» (Ярославль, 1997), LUI научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова (Москва, 1998), международной конференции «Современные математические методы исследования телекоммуникационных сетей» (Минск, 1999), Немецко-российском семинаре по цифровым сетям интегрального обслуживания (Дортмунд, 1999), научном семинаре «Информационные сети и системы» (Москва, 1999).

Личный вклад автора в получение научных результатов. Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано самостоятельно и в соавторстве 7 печатных работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Работа содержит 115 страниц машинописного текста, 15 рисунков, 7 таблиц.

Список литературы

включает 95 наименований.

4.3.Выводы по главе 4.

1. Учёт времени установления соединения при адаптивной маршрутизации в цифровых сетях с выделенной сетью сигнализации, в частности ЦСИО, позволяет повысить эффективность использования ресурсов сети и улучшить качество обслуживания вызовов в условиях изменяющейся ситуации в сети управления. По сравнению с игровым методом без учёта времени передачи управляющей информации величина потерь снижается на 7 — 25%. При этом среднее время установления соединения в сети сокращается на 8 — 32%.

2. Адаптивная маршрутизации с учётом времени установления соединения наиболее эффективна в условиях неравномерной загруженности сети управления (при «перекосах» времени передачи управляющей информации). Однако и при равномерном увеличении времени передачи управляющей информации по всей сети, предложенный метод обеспечивает лучшие значения показателей качества обслуживания.

Заключение

.

В данной работе исследовано влияние сети управления на основе системы сигнализации ОКС-7 на эффективность обслуживания вызовов в цифровых сетях связи. Показано, что задержки в передаче управляющей информации по сети управления приводят к ухудшению качества обслуживания вызовов, а именно росту потерь и увеличению среднего времени установления соединения в сети.

В диссертационной работе предложен метод учёта времени передачи управляющей информации по сети ОКС-7 при выборе обходных маршрутов в сети передачи пользовательской информации, а также в сети ОКС-7.

Основные научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана и исследована модель влияния задержек в установлении соединения, а в общем случае передачи управляющей информации по сети управления на качество обслуживания в информационной сети.

2. Разработан метод адаптивного управления потоками нагрузки, учитывающий изменения ситуации в сети ОКС-7. В отличие от известных методов управления потоками нагрузки на цифровых сетях с использованием ОКС-7, данный метод позволяет совместно оценивать загрузку информационных каналов и каналов сети ОКС-7. Метод основан на теории игр автоматов и в отличие от известных методов управления не требует передачи служебной информации по сети, в том числе и по сети ОКС-7.

3. Разработана имитационная модель ЦСИО для исследования эффективности предложенного метода. Данная модель может быть использована и для оценки качества обслуживания на цифровых сетях с ОКС-7 при различных методах управления (статических и динамических).

4. Проведённая оценка эффективности предложенного метода позволяет сделать следующие выводы:

— При оптимизации плана распределения потоков информации необходимо учитывать загрузку не только информационной сети, но и сети ОКС-7.

— Применение предложенного метода по сравнению с игровым методом динамического управления позволяет повысить использование сети, а при одинаковой пропускной способности сети — повысить качество обслуживания поступающей нагрузки на 7 — 25%.

— Применение предложенного метода не требует существенных изменений программного обеспечения узлов коммутации.

5. Оценена сходимость предложенного метода. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить скорость сходимости при возможных изменениях ситуации на сети. Проведён анализ сходимости для возможных изменений ситуации в сети, в сравнении с игровым методом динамического управления без учёта времени установления соединения. Показано, что предложенный метод позволяет адаптироваться в 1,5−2 раза быстрее.