Разработка методов тестирования технических средств сетей связи следующего поколения

Основной тенденцией развития сетей связи в течение последних лет является конвергенция, проявляющаяся в интеграции ресурсов различных сетей связи для оказания услуг их пользователям. Основополагающие работы по конвергенции были выполнены N.-U. Schoen за рубежом [102,103] и А. Е. Кучерявым в России [17].

Изначально реализованная в интеграции ресурсов сетей фиксированной телефонной связи общего пользования (ТфОП) и сетей подвижной связи (СПС), в дальнейшем конвергенция явилась основой для интеграции ресурсов этих сетей и Интернет, что привело к созданию так называемых пакетных сетей связи общего пользования [18].

Теоретической основой создания сетей общего пользования с пакетной коммутацией стало появление концепции NGN (Next Generation Network) — сети связи следующего поколения. Концепция NGN существенно расширила представление о возможностях сетей связи общего пользования с точки зрения предоставления услуг, в первую очередь за счет реализации базовой услуги передачи голосовой информации пакетным способом (VoIP), и поставила целый ряд новых проблем, основной из которых является обеспечение единообразного предоставления услуги в различных сетях связи, независимо от технологии ее оказания.

Совокупность мероприятий, направленных на обеспечение единообразного предоставления услуг в NGN, была названа гармонизацией. Исходной работой в области гармонизации в России стала статья A.C. Аджемова [1].

На рис. 1 и рис. 2 для иллюстрации представлена архитектура взаимодействия сетей при их конвергенции и архитектура сетей нового поколения NGN.

В сетях NGN уровень транспортной сети и распределения информации реализуется на основе пакетных методов. При этом, естественно, могут использоваться ресурсы и ТфОП, и СПС, и Интернет. Уровень услуг технологически представляет собой совокупность серверов приложений, которые и должны обеспечить единообразное предоставление услуг для всех пользователей.

Схемы рис. 1 и рис. 2 показывают также, что если конвергенция обеспечивает горизонтальное развитие сетей (действительно, на первом уровне может быть доступна любая сеть, как это есть в примере с БМВ и сенсорными сетями), то гармонизация отвечает за вертикальное развитие сетей, т. е. за единообразное предоставление услуг.

К основным направлениям деятельности в области электросвязи, которые должны быть гармонизированы, относятся следующие:

— организационное взаимодействие между операторами;

— системно-сетевые решения;

— стандартизация;

— тестирование.

Рис. 1. Конвергенция сетей.

Рис. 2. Гармонизация услуг.

Организационное взаимодействие операторов включает в себя несколько аспектов, основными из которых являются:

— системно-технические способы взаимодействия с новыми участниками рынка, под которыми понимаются так называемые поставщики услуг;

— распределение функций и ответственности между операторами сетей связи общего пользования и, в возможной перспективе, организационное отделение функций доступа к сети связи от функций транзита;

— внедрение функций мониторинга и раздельного учета трафика по услугам;

— отработка механизмов реализации различных уровней качества обслуживания.

Системно-технические способы взаимодействия с новыми участниками рынка организуются по разному за рубежом и в России.

Зарубежные операторы, вследствие существующих в их странах системах регулирования, рассматривают оказание новых услуг, в основном, как отдельный, самостоятельный вид бизнеса, вынося его в дочерние компании и стремясь к привлечению независимых партнеров.

Крупные российские операторы, напротив, стараются самостоятельно предоставлять своим абонентам весь комплекс услуг, включая даже контентное наполнение различных информационных приложений. В результате поставщики услуг оказываются по отношению к операторам связи в конкурентной позиции. Поскольку их возможности в части оказания новых услуг оказываются ограниченными самими операторами связи, поставщики услуг в ответ начинают конкурировать на рынке традиционных услуг связи. Примером этого является 1Р-телефония.

Задачей гармонизации является создание системно-технических условий, стимулирующих операторов связи и поставщиков услуг осуществлять совместную деятельность.

Одним из важных вопросов при организации взаимодействия с новыми участниками рынка является распределение функций и ответственности между операторами сетей связи общего пользования.

Характерной тенденцией развития рынков услуг связи является их сегментация на услуги доступа и услуги транзита [26]. Доступ является наиболее затратной частью оказания услуг связи, поэтому законодательство зарубежных стран направлено на первоочередную либерализацию именно этого сегмента с целью привлечения новых дополнительных инвестиций. Конкуренция на уровне сетей доступа, как показывает практика, позволяет существенно снизить уровень цен и увеличить число пользователей. В то же время либерализация услуг доступа требует решения множества правовых вопросов, связанных с ответственностью операторов связи перед абонентами и взаимной ответственностью операторов и поставщиков услуг доступа.

Задачей гармонизации является нахождение баланса интересов операторов связи и поставщиков услуг и путей распределения ответственности между ними.

Внедрение функций мониторинга и раздельного учета трафика по услугам позволяет определить организационные границы отдельных услуг связи, как абонентских, так и операторских, в структуре сети связи. Раздельный учет трафика необходим для оценки экономической эффективности услуг связи и предотвращения негативной практики перекрестного субсидирования. Также такой учет обеспечивает прозрачность взаиморасчетов операторов. Внедрение раздельного учета трафика по оказываемым услугам связи требует, тем не менее, решения множества организационных и правовых вопросов.

Задачей гармонизации является поиск оптимальной политики внедрения указанных функций в соответствии действующими налоговым и гражданским законодательствам и техническим состоянием сетей связи.

При снижении регулирующей роли государства ответственность за организацию межоператорского взаимодействия перекладывается на самих операторов [32], в том числе отработка механизмов реализации различных уровней качества обслуживания.

Здесь возникают два круга проблем. Первый связан с тем, как создать общие обязательные правила взаимодействия, как гарантировать обеспечение их выполнения без заключения двусторонних соглашений между всеми операторами и какие альтернативные организационные механизмы могут быть для этого использованы (ассоциации, саморегулирующиеся организации и т. п.).

Второй круг проблем — это техническая спецификация и унификация этих отношений. Здесь появляется задача формирования требований к услугам, их качеству. Примером решения этой задачи являются соглашения об уровнях качества обслуживания (SLA).

Задачей гармонизации является отработка различных способов организации межоператорских отношений и обеспечения согласованного взаимодействия между этими способами. Пример: междоменные построения в DiffServ [28].

Основной итог конвергенции, который должен быть достигнут, — это единая телекоммуникационная и компьютерная сеть. Степень их конвергируемости всё время возрастает, и в последнее время одним из основных вопросов является выбор перспективного способа коммутации — каналов или пакетный. Технологические достижения в области VoIP, массовое появление SIPтерминалов (например, в Японии их уже 6,3% от общего числа), включение пакета Messenger с реализацией SIP в Windows последних версий сделали достаточно обоснованным выбор в сторону коммутации пакетов, которая является основной и в концепции NGN [10], и в 3G [44]. Безусловно, этому способствовало также то, что в мире в настоящее время уже 700 млн. персональных компьютеров. С учётом предстоящей реализации концепции u-общества и сенсорных сетей это число ещё многократно возрастёт [29].

Реализация на едином пакетном способе коммутации всех существующих ныне услуг телекоммуникаций — одно из главных проявлений гармонизации в системно-сетевых решениях.

Второй важнейший системно-сетевой вопрос — адресация. Каждый терминал или пользователь должны иметь уникальный адрес вне зависимости от их текущего местоположения и точки подсоединения. Этому способствует как разработанный подход в рамках концепции ENUM [13], так и возможность реализации указанных требований по адресации в IPV6 [78].

Единство предоставления услуг требует и принципиальных преобразований в области сигнализации, так как существовавшее до последних лет разнообразие протоколов, подразделявшихся на межстанционные, доступа, абонентской сигнализации, не способствовало обеспечению единообразного предоставления услуг.

Отдельно остановимся на вопросах беспроводного широкополосного доступа, как вследствие их новизны даже по сравнению с NGN, так и в связи с тем, что успехи в технологиях беспроводного широкополосного доступа требуют ещё решения системно-сетевых вопросов в рамках гармонизации [6,8].

В таблице 1 приводятся характеристики технологий беспроводных широкополосных сетей доступа в совокупности с характеристиками сотовых сетей.

Таблица 1.

Технологии беспроводного доступа и сотовых сетей.

Название Стандарт Базовая Частотный Мобильность технологии скорость диапазон.

WLAN 802.11B 11 Мб/с 2.4 ГГц Низкая.

802.11a до 54 Мб/с 5 ГГц Низкая.

802.11 g до 54 Мб/с 2.4 ГГц Низкая.

Bluetooth 802.15.1 1 Мб/с 2.4 ГГц Низкая.

WMAN 802.16 134 Мб/с 10−66 ГГц Нет.

WiMax, 802.16 a, Revd 70 Мб/с 2−11 ГГц Нет.

WiBro) 802.16e Низкая.

2G GSM 9.6 кб/с 900/1800/ Высокая.

GPRS 115 кб/с 1900 МГц Высокая.

EDGE 384 кб/с Высокая.

3G UMTSAVCDMA до 2 Мб/с 1900;2025 МГц Высокая.

UWB 802.15.3a до 400 Мб/с 3.1−10.6 ГГц Нет.

Сенсоры, 802.15.4 5−200 кб/с 433,866,916 Низкая.

ZigBee МГц 2.4 ГГц.

NGN WLAN до 1 Гб/с (внутри), 150−200 Мб/с (вне помещений) Низкая.

Для наиболее полного представления о направлениях гармонизации для беспроводных широкополосных сетей доступа рассмотрим следующую современную классификацию сетей связи, основанную на стандартах IEEE:

— крупномасштабные сети связи (WAN);

— местные сети связи (MAN);

— локальные сети связи (LAN);

— персональные сети связи (PAN);

— сети связи, состоящие из датчиков, размещаемых на предметах или телах (BAN).

На рис. 3 приведена классификация этих сетей по расстояниям, анализ которой показывает необходимость реализации вертикального хэндовера, являющегося основой гармонизации услуг в современных беспроводных сетях.

Вертикальный хэндовер может применяться в следующих ситуациях:

— инициация вертикального хэндовера терминалом (мультирежимный терминал покидает зону покрытия текущей сети радиодоступа и переходит в другую сеть, к которой терминал имеет возможность подключиться),.

— инициация вертикального хэндовера пользователем (пользователь самостоятельно осуществляет переключение с одной сети радиодоступа к другой, например, по экономическим соображениям),.

— инициация вертикального хэндовера сетью (гетерогенная сеть имеет возможность переключения мультирежимных терминалов, например, для оптимального управления нагрузкой).

Естественно, что при вертикальном хэндовере во всех случаях предоставление услуг должно быть единым.

В последнее время, с целью удовлетворения потребностей пользователей мультирежимных терминалов в предоставлении услуг, в рамках гармонизации разрабатывается концепция Always Best Connected (ABC) или наилучшего подключения [96]. Концепция ABC предусматривает для пользователя мультирежимного терминала возможность выбора сети доступа и, соответственно, качества обслуживания и экономических характеристик, а также возможность изменения этого выбора в любой момент времени.

На рис. 4 приведена функциональная структура ABC, которая определяет возможности пользователя мультирежимного терминала.

Приложения адаптируются к доступу и типу терминала.

ABC пользователь.

Управление профилем услуги.

Управление мобильностью I и.

3 ю и й и.

Персональные профили (SLA).

Продолжение соединения, поддержка мобильности.

Аутентификация, авторизация, > единый login ез.

С & О ч л ё и.

Определение наличия сети доступа.

Наилучшая" сеть из имеющихся в наличии сетей доступа в данный момент.

Какие сети доступа доступны Какие услуги доступны.

Рис. 4. Функциональная структура ABC.

Упорядочение процессов стандартизации и формирования обобщенных требований по применению различных новых технологий включают в себя:

— методологию разработки технологически независимых требований к сетям и системам связи;

— отработку методологии обеспечения технического взаимодействия сетей связи в условиях большого числа конкурирующих стандартов. а) Методология разработки технологически независимых требований к сетям и системам связи.

В новых условиях технического регулирования стандарт перестает быть «технологическим» законом и начинает выполнять роль технической рекомендации, отвечающей на вопрос «как?». Ответ на вопрос «что?» должен содержаться в других документах — технических регламентах. Эти регламенты должны быть общими в том понимании, что они не должны навязывать применение конкретной технологии или способа реализации. Содержанием регламентов должны быть требования верхнего уровня. Способы, с помощью которых эти требования могут быть реализованы, должны определяться в стандартах [35].

До настоящего времени подобного разделения между регламентами и стандартами в российской практике технического регулирования в области связи не было. Поэтому здесь задачей гармонизации является определение подходов к формированию таких обобщенных, технологически прозрачных требований. б) Отработка методологии обеспечения технического взаимодействия сетей связи в условиях большого числа конкурирующих стандартов.

Кроме уже упоминавшейся проблемы стандартизации, связанной с продолжительными сроками согласования и утверждения стандартов, необходимо отметить следующее.

Во-первых, в силу определенных особенностей работы организаций стандартизации, многие технические стандарты являются инвариантными, т. е. допускают разные способы реализации, а также наличие или отсутствие отдельных определяемых в них функций.

Во-вторых, в результате неточностей при разработке, новые стандарты нередко содержат положения, допускающие их неоднозначную трактовку.

В-третьих, стандарты становятся сложными и объемными, некоторые из них достигают тысяч страниц.

Поэтому необходимо влиять на процесс разработки стандартов с целью предотвращения указанных проблем. Вместе с тем, представляется необходимым уделить особое внимание вопросам верификации стандартов и разработке руководств по их применению. При этом особое значение имеют рекомендации по тестированию средств связи на соответствие требованиям этих стандартов и их взаимоувязка [51].

Создание методологии разработки руководств и рекомендаций по применению стандартов, включая практическую отработку методов тестирования, является задачей гармонизации.

В условиях преобразования сетей связи общего пользования из цифровых сетей с коммутацией каналов в сети с коммутацией пакетов помимо решения вопросов построения архитектуры сети, качества обслуживания, управления сетью и т. д., первостепенное значение приобретают вопросы тестирования технических средств NGN.

Тестируется как совместимость технических средств, выпускаемых различными производителями, так и совместимость новых и существующих услуг. Особое внимание сегодня уделяется тестированию параметров качества обслуживания (QoS).

Актуальность работ по тестированию технических средств сети NGN обосновывается:

— увеличением количества производителей оборудования вследствие роста доли программного продукта в технических средствах электросвязи;

— уменьшением периода разработки и внедрения новых услуг;

— отставанием процесса стандартизации от процессов разработки и внедрения новых технологий, увеличением доли корпоративных стандартов;

— увеличением стоимости тестирования по сравнению с сетями с коммутацией каналов из-за большей функциональности оборудования.

С учетом изложенного, для проведения тестирования оборудования NGN, и, в первую очередь, новых протоколов передачи информации, как наиболее сложных элементов NGN, представляется целесообразной разработка новых методов тестирования.

В настоящее время процесс тестирования технических средств можно разделить на следующие этапы [39]:

— тестирование соответствия технических средств требованиям стандартов (conformance);

— тестирование совместимости технических средств между собой (compatibility);

— тестирование взаимодействия технических средств с сетью связи (interworking).

Тестирование соответствия проводится, как правило, в заводских условиях, для тестирования совместимости и взаимодействия используются сети операторов электросвязи.

Для тестирования совместимости и взаимодействия технических средств цифровых сетей ETSI разработал подход по интегральному тестированию (TR 101 667) [59], который реализован, например, в документах TS 102 110−1 [60] (интегральные сетевые тесты UMTS с ТфОП и ЦСИО), TS 102 111−1 [61] (интегральные сетевые тесты GPRS и IP), TS 102 169−1 (интегральные сетевые тесты для взаимодействия Н. 323, ISDN и ТфОП).

Интегральное тестирование является целесообразным с точки зрения предоставления оператору для эксплуатации высококачественного оборудования. Однако, с учетом быстрого развития новых технологий, интегральное тестирование на сетях операторов достаточно дорого и продолжительно с учетом организации зон для тестирования.

Наилучшим выходом из существующей ситуации является создание модельных сетей для проведения тестов совместимости и далее объединение ресурсов модельных сетей для обеспечения интегрального тестирования в полной мере с учетом тестов взаимодействия, что и является предметом исследований диссертации.

Цель диссертации заключается в разработке новых методов тестирования технических средств сетей нового поколения (концепция NGN).

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— анализ основных характеристик сетей связи следующего поколения и технических средств NGN, на которых эти сети организуются,.

— анализ особенностей использования технических средств NGN для развития сетей связи общего пользования, интеллектуальных сетей и предоставления универсальных услуг и предлагаются архитеюурные решения для реализации этих направлений развития телекоммуникаций,.

— анализ существующих методов тестирования цифровых сетей связи, основанных на применении рекомендаций Европейского института стандартизации в области телекоммуникаций ETSI,.

— разработка методов тестирования на основе выделенных модельных сетей для тестирования технических средств NGN,.

— разработка методов тестирования на основе распределенных модельных сетей для тестирования технических средств NGN,.

— разработка архитегауры сети связи общего пользования на основе технических средств NGN, ориентированной на обеспечение гарантированного качества обслуживания,.

— разработка архитектуры распределенной модельной сети, ориентированной на обеспечение гарантированного качества обслуживания,.

— разработка моделей и методов расчета модельных сетей и оценки параметров качества обслуживания для сетей NGN доменной архитектуры.

Поставленные задачи решались на основе теории вероятностей, математической статистики и теории массового обслуживания.

Научная новизна. Сформирована доменная архитектура сетей NGN на основе механизма дифференцированных услуг.

1. Разработан метод тестирования совместимости технических средств сетей NGN, а также параметров качества обслуживания с использованием выделенных модельных сетей.

2. Разработан метод тестирования взаимодействия технических средств NGN, а также параметров качества обслуживания с использованием распределенных модельных сетей.

3. Сформирована модель пограничного узла модельной сети NGN доменной архитектуры.

4. На основе дискретного пачечного марковского процесса (D-BMAP) выработан метод оценки качества обслуживания в модельных сетях NGN доменной архитектуры.

5. На базе алгоритма Круза разработан метод расчета показателей качества обслуживания в модельной сети NGN доменной архитектуры.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты (доменная архитектура, методы тестирования, модели пограничного узла, метод расчета показателей качества) позволили построить модельную сеть Технопарка ФГУП ЦНИИС, что дало возможность проводить тестирование совместимости технических средств сетей NGN, а также оценку параметров качества обслуживания с использованием выделенных модельных сетей.

Практическая ценность работы подтверждается решениями МСЭ-Т, включившего в вопросы исследовательского периода 2005;2008 годов проблему стандартизации процессов тестирования технических средств NGN с использованием выделенных и распределенных модельных сетей, и новой рекомендацией МСЭ-Т Q.3900, разработанной на основе результатов диссертации.

Внедрение результатов работы. Работа выполнена в рамках НИОКР Центрального научно- - исследовательского института связи (ФГУП ЦНИИС).

Основные результаты диссертационной работы внедрены в ОАО МГТС, ФГУП ЛОНИИС, ЗАО «Алкатель», а также использованы при разработке ФГУП ЦНИИС вкладов в МСЭ-Т с предложениями новых рекомендаций серии Q.3900, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

— 4-я Международная конференция «Системно-сетевые решения и оборудование для построения сетей связи на основе технологий NGN», 24−26 августа 2004 г., Нижний Новгород;

— IX Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная Информатика», 22−24 июня 2004 г., Санкт — Петербург;

— 5-я Международная конференция «Развитие услуг связи на основе телекоммуникационных технологий следующего поколения», 23−25 августа 2005 г., Нижний Новгород;

— The 7th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT'2005), Phoenix Park, Korea, Februaiy 21−23,2005;

— The 8th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT'2006), Phoenix Park, Korea, February 20−22,2006;

— 61-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио, 21 апреля 2006 г., Санкт — Петербург.

Публикации результатов. Основные научные результаты диссертации опубликованы в восьми печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 129 станицах, в том числе 49 рисунков и список литературы из 107 наименований.

Выводы по главе 4.

1. В качестве алгоритма поведения на переходе при расчетах параметров оборудования домена NGN DiffServ модельной сети и оценки параметров качества обслуживания был выбран алгоритм быстрого перенаправления EF (Expedited Forwarding) как для внутридоменного, так и для междоменного взаимодействия.

2. Разработана модель пограничного узла домена NGN DiffServ с потерями перемаркированных пакетов для алгоритма EF и предложена методика использования дискретного пачечного марковского процесса D-BMAP для расчета моделей узлов в сетях NGN DiffServ.

3. Предложено для расчета параметров качества обслуживания в NGN доменной архитектуры использовать алгоритм Круза.

4. С использованием алгоритма Круза и частного случая D-BMAP Бернуллиевского пачечного процесса ВВР получены значения скорости обслуживающего канала связи и емкости буферного накопителя, которые должны быть выделены в домене для обслуживания трафика с заданным качеством, и значения параметров обслуживания трафика (задержка, ФРВ количества пакетов, ФРВ количества перемаркированных пакетов) при заданных значениях сетевых параметров.

5. Полученные результаты помимо использования для расчета распределенных доменных модельных сетей и оценки параметров качества обслуживания в них, могут быть использованы непосредственно для расчета при проектировании доменов NGN DiffServ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований, проведённых в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Анализ принципов построения сетей связи следующего поколения, их функциональной модели и её проекции на физическую плоскость NGN доказывает, что на основе технологий NGN возможно преобразовать существующие сети связи общего пользования (ТфОП, СПС, ИСС) в пакетные с обеспечением новых услуг в единообразном виде, что подтверждает прагматический характер теории конвергенции сетей и гармонизации услуг.

2. С целью обеспечения гарантированного качества обслуживания предложена доменная архитектура NGN на основе использования механизма дифференцированных услуг.

3. На основе анализа существующей концепции тестирования цифровых сетей по рекомендациям ETSI установлено, что тестирование соответствия практически не изменяет своего значения и наполнения при переходе от цифровых сетей к NGN, в то время как интегральное тестирования, реализуемое в форме тестирования совместимости (Node — to — Node) и тестирование взаимодействия (End — to — End), при переходе к NGN вследствие принципиального увеличения многовендорности и снижения цикла разработки услуг, не является эффективным.

4. Для тестирования совместимости и взаимодействия в диссертации предложено использовать модельные сети: выделенные, распределённые, распределённые с доменной структурой, региональные.

5. Выделенные модельные сети обеспечивают проведение тестирования совместимости, что доказывается в диссертации на основе анализа опыта работы модельной сети ЦНИИС, созданной под руководством автора.

Для обеспечения тестирования взаимодействия предложено использовать распределённые модельные сети. Разработаны архитектурные и функциональные принципы их построения. Распределённые модельные сети предоставляют возможность тестирования и исследования параметров качества обслуживания как в условиях ненагруженной сети, так и при различной степени её загрузки.

6. Разработана модель пограничного узла домена модельной сети NGN DiffServ с потерями перемаркированных пакетов для алгоритма EF и предложена методика использования дискретного пачечного Марковского процесса D-BMAP для расчета моделей узлов в сетях NGN DiffServ.

7. Предложено для расчета параметров качества обслуживания в NGN доменной архитеюуры использовать алгоритм Круза.

8. С использованием алгоритма Круза и частного случая D-BMAP Бернуллиевского пачечного процесса ВВР получены значения скорости исходящего канала связи и емкости буферного накопителя, которые должны быть выделены в домене модельной сети для обслуживания трафика с заданным качеством, и значения параметров обслуживания трафика (задержка, ФРВ количества пакетов, ФРВ количества перемаркированных пакетов) при заданных значениях сетевых параметров.

9. Полученные результаты помимо использования для расчета распределенных доменных модельных сетей и оценки параметров качества обслуживания в них, могут быть использованы непосредственно для расчета при проектировании доменов NGN DiffServ.