Расчёт структурно-сетевых параметров мультисервисных систем телекоммуникаций

2) класс B - компрессированный видеосигнал с переменной скоростью;

3) класс C - Frame Relay через АТМ;

4) класс D - МСЭ-Т I.364 (SMDS) через АТМ.

Преимущества ATM по сравнению  с обычными телефонными сетями и  сетями передачи данных:

1) сеть АТМ обладает теми же функциональными возможностями по коммутации каналов, что и цифровые телефонные сети, например ISDN, и может использоваться как часть корпоративной телефонной сети;

2) ATM обеспечивает работу приложений, чувствительных к времени задержки передачи сигналов;

3) высокое качество предоставляемых услуг;

4) при установлении каждого нового телефонного соединения сеть ATM вычисляет оптимальный в данный момент времени маршрут с учетом топологии сети, доступной полосы пропускания на разных участках, ожидаемых значений задержки и ее вариации, стоимости соединений по различным маршрутам;

5) применение фирменной технологии Voice Network Switching (VNS) в сетях Cisco позволяет использовать не только постоянные каналы связи (PVC), но и предоставляет механизмы, позволяющие автоматически устанавливать коммутируемые виртуальные каналы (SVC) между вызывающей телефонной станцией и станцией абонента;

6) при использовании технологии VNS сеть ATM является по отношению к периферийным АТС центральным транзитным узлом, а значит структура телефонной сети заметно упрощается. Теперь не нужно соединять АТС между собой множеством линий связи, число которых зависит не только от объема трафика, но и от структуры телефонной сети и требуемого уровня отказоустойчивости (организация дополнительных линий связи для резервирования). Достаточно соединить АТС только с ближайшим пограничным коммутатором ATM, причем число используемых для этого линий связи зависит лишь от объема трафика. Установление соединений между АТС будет осуществляться на основе получаемой от них сигнализации;

7) по окончании разговора полоса пропускания высвобождается для других приложений;

8) построение сети ATM для передачи голоса позволяет легко организовать передачу данных и видеоинформации, а использование для разных типов трафика единой системы управления облегчает и удешевляет управление сетью;

9) обеспечение динамического распределения полосы пропускания транкового канала позволяет перераспределять ширину полосы пропускания для каждого типа трафика

Абонентский доступ к  сети АТМ может быть реализован:

1) через мостовой модем Ethernet/ADSL. Его главная функциональная особенность заключается в том, что модем выступает в роли маршрутизатора удаленного доступа. Способность устройства обрабатывать пакеты третьего уровня означает возможность работы с коммутируемыми соединениями SVC, благодаря чему расширяется перечень поддерживаемых методов инкапсуляции, в число которых теперь попадают PPP over ATM и IP over ATM;

2) через адаптер ATM/ADSL, установленный в ПК. Модем ATM/ADSL позволяет перенести все процедуры инкапсуляции и обработки ATM-трафика непосредственно на уровень ПК, в который устанавливается ATM-адаптер. В связи с умеренными требованиями к пропускной способности соединения между ПК и модемом можно ограничиться скоростью передачи 25 Мбит/с, которая в других ситуациях применяется все реже. Его важнейшая функция заключается в согласовании скоростей передачи ATM- и ADSL-портов путем буферизации ячеек ATM;

3) через адаптер ATM/ADSL, установленный в сервер удаленного доступа. Этот вариант чем-то похож на предыдущий, однако он позволяет предоставить доступ в глобальную сеть сразу нескольким компьютерам, объединенным в сеть рабочей группы. В рассматриваемой конфигурации сервер удаленного доступа играет роль маршрутизатора, отвечающего за обмен трафиком между локальной и глобальной сетями. 

Таблица 1.4 - Рекомендации по выбору типа абонентского оборудования

Задача	Рекомендуемое решение
Поддержка одиночного удаленного пользователя	Адаптер ATM/ADSL в ПК
Поддержка четкой "демаркационной линии" между абонентским оборудованием  и сетью NAP	Любой внешний ADSL-модем
Простота установки  и настройки конфигурации при  подключении локальной сети Ethernet	Мостовой модем Ethernet/ADSL
Поддержка существующей локальной сети Ethernet со сложной структурой	Маршрутизирующий модем Ethernet/ADSL
Минимизация изменений в средствах удаленного управления IP-адресами и защитой данных	ATM-адаптер, поддерживающий  инкапсуляцию PPP over ATM
Минимизация затрат при подключении рабочей группы	Адаптер ATM/ADSL в сервере  удаленного доступа
Поддержка ATM-приложений	Любой ATM-адаптер и расширения Winsock2 ATM Extensions

 

1.2 Структурная организация сети АТМ

 

Под топологией сети принято  понимать конфигурацию связей графа, интерпретирующего  структуру сети. При анализе топологии  сети принято оперировать понятиями «вершина», «ребро», «маршрут», «средняя длина маршрута», «диаметр» графа, «связность» и т. п.

Под маршрутом понимают конечную последовательность инцидентных  ребер, соединяющих рассматриваемые вершины i и j.

Средняя длина маршрута (среднее расстояние между вершинами  графа) представляет собой отношение суммарной (в числе ребер) длины всех маршрутов к числу маршрутов. Последняя величина для неориентированного графа равна n(n-1)/2 и для ориентированного n(n-1), где n - число вершин графа. Кратчайший маршрут (КрМ) – тот, для которого сумма весов составляющих его ребер принимает наименьшее значение. В зависимости от задачи в качестве весов могут быть выбраны стоимость, длина, число транзитов и т. п.

Диаметр графа – длина наибольшего (в числе ребер) КрМ для данного графа. Связность графа (в данной работе) - число непересекающихся по вершинам маршрутов между любой парой вершин

Существует большая  группа структурных характеристик, включающая вероятность:

1) нарушения связи (средневзвешенная) между каждой парой узлов;

2) распада графа на изолированные фрагменты;

3) существования хотя бы одного пути между парой вершин в условиях воздействия препятствующих факторов (отказов, повреждений, перегрузок и т. п.).

Определим понятия надежности и живучести, которые связаны  с работоспособностью сети связи (СС) во времени. Их различия обусловлены, прежде всего различиями причин и факторов, нарушающих нормальное функционирование сети, и характером нарушений.

Надежность СС – свойство обеспечивать связь, сохраняя во времени значения установленных показателей качества в заданных условиях эксплуатации. Надежность отражает влияние на работоспособность сети главным образом внутрисистемного фактора – случайных отказов техники, вызываемых физико-химическими процессами старения аппаратуры, дефектами технологии ее изготовления или ошибками обслуживающего персонала.

Живучесть характеризует  устойчивость СС против действия внешних  причин.

Различия в причинах нарушения связи обуславливают  существенные отличия в проявлении, характере и масштабности нарушений связи, их продолжительности, путях и способах устранения и повышения устойчивости системы. Если поток случайных отказов техники приводит к нарушению лишь отдельных связей и обладает свойством ординарности (когда вероятность одновременного отказа нескольких связей пренебрежимо мала), то нарушения работы системы указанными выше факторами живучести обладают существенно иными свойствами.

Следует иметь в виду и неодинаковую погрешность исходных данных для оценки надежности и живучести СС. По эксплуатационно-техническим отказам техники и линий связи имеется сравнительно обширный статистический материал, но научных основ прогнозирования стихийных факторов недостаточно. И хотя достоверность исходных данных по надежности техники связи представляет пока известную проблему, их точность несравненно выше точности исходных данных для анализа живучести СС. Поэтому оценка живучести СС может быть лишь приближенной, ориентировочной.

В практике топологического  проектирования принято разделять  древовидные, распределенные и иерархические топологии сетей.

Древовидные сети интерпретируются графами без петель и циклов. Для n-вершинного дерева имеется (n-1) ребро. Последнее обстоятельство упрощает проектирование древовидных сетей, поскольку в них между каждой парой вершин существует единственный путь. Различают корневые и бескорневые деревья. Примером первого может служить радиальная связь (PC) ("звезда»), а последнего – кратчайшая связывающая сеть (КСС). Сети с распределенной структурой представляются произвольными связными графами, описывающими широкий спектр структур, начиная с петлевой (ПСт) и кончая полносвязной сетью (ПСС). К этому классу могут быть отнесены решетчатые структуры (РШ), сотовые структуры и т.п. Реальные мультисервисные сети связи (МСС) имеют обычно структуры, являющиеся комбинацией некоторых элементарных. Примеры топологий сетей представлены на рисунке 1.10.

 

 

Рисунок 1.10 - Типы структур сети: a - звезда; б - кратчайшая связывающая сеть; в - петлевая;  г - неравномерно связная; д - полносвязная; е - решётчетая; ж - равномерно 3-связная; з -сотовая; и - равномерно k-связная.

 

Сейчас общепринято, что  экономично построенная сеть большого масштаба является иерархической. Иерархическая  МСС представляется композицией  внутриуровневых и межуровневых подсетей, обозначенных, индексами r, r = и (r, r+1), r = соответственно. Изображенная на рисунке 1.11 МСС имеет в первой ступени иерархии телефонные аппараты (ТА), абонентские пункты (АП) и ЭВМ.

Организация структуры  по иерархическому принципу позволяет упростить описание сети, способствующее в свою очередь упрощению их оптимизации; обеспечить для каждой зоны максимальное замыкание нагрузки; уменьшить общее число узлов и сократить протяженность сети; достичь определенной экономии стоимостных ресурсов.

Однако при оптимизации  иерархических ИЦСС приходится сталкиваться с проблемами поиска компактных форм описания данных о местоположении оконечных пунктов (ОП) и тяготении между ними; сложности учета дополнительного влияния на процесс доставки со стороны подсистем технического обслуживания (ТО) и управления; поиска эффективных алгоритмов оптимизации иерархических структур. Это объясняется сложностью проведения декомпозиции и группирования, дискретным характером и взаимозависимостью частных задач, многопараметричностью, многоэкстремальностью и большой размерностью исследуемых функционалов.

 

 

Рисунок 1.11 - Иерархическая структура

 

2 РАСЧЕТ СРЕДНЕГО ВРЕМЕНИ ДОСТАВКИ  ПАКЕТА ДЛЯ КАЖДОГО ВИДА ИНФОРМАЦИИ

 

Пусть информация передается по сети с относительным приоритетом. Всего передается 3 вида информации:

1) речь – 1 приоритет (0,15 сек);

2) данные – 2 приоритет (2 сек);

3) текст – 3 приоритет (1 мин).

Распределение потоков  в сети производится равномерно, т.е. к каждому узлу сети поступает одинаковое количество абонентов каждого приоритета.

По заданию число  абонентов подключенных к каждому узлу сети:

1) число речевых абонентов в каждом узле – 1000;

2) число абонентов с трафиком данных – 100 абонентов;

3) число абонентов, передающих текст – 200 абонентов.

 

 

Рисунок 2.1 – Обобщённая структура сети

 

 

Рисунок 2.2 – Структура опорной сети и сети доступа

 

G.726 кодек является стандартом ITU-T адаптивной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ – ADPCM) и обеспечивает сжатие речи с потерями до скоростей 40, 32, 24 и 16 кбит/с. Он был принят в качестве стандарта в 1984 г. Наиболее часто используется скорость сжатия 32 кбит/с, которая равна ровно половине полосы стандартного кодека G.711, поэтому его использование сразу повышает полезную нагрузку сети на 100%. В первую очередь используется на международных линиях связи в телефонных сетях. Он также является стандартным кодеком, используемым в беспроводных телефонах системы DECT, а также используется в некоторых камерах фирмы Canon.

Метод основан на том, что в аналоговом сигнале, передающем речь, невозможны резкие скачки интенсивности. Поэтому, если кодировать не саму амплитуду сигнала, а ее изменение по сравнению с предыдущим значением, то можно обойтись меньшим числом разрядов. В ADPCM изменение уровня сигнала кодируется четырехразрядным числом, при этом частота измерения амплитуды сигнала сохраняется неизменной.

G.726 воспроизводит речь почти с такой же субъективной оценкой качества (3,85 балла по MOS P.800, теоретически максимальная оценка MOS – 4,22 балла), как и G.711 64 кбит/с(4,1 балла), используя только 32 кбит/с. Рекомендуемая минимальная оценка для бизнес-телефонии — 4,0 балла, причем 3,5 балла — минимально допустимая величина. Вокодер G.726 удовлетворяет минимальной допустимой величине оценки, поэтому может быть использован при построении сети.

Модель Е была разработана  институтом ETSI (European Telecommunications Standards Institute — Европейский институт стандартизации электросвязи) для измерения качества на основе эталонного образца. Модель Е учитывает параметры разговора. В настоящее время она широко используется для оценки качества сетей VoIP. Она была принята союзом ITU в 1998 г. под названием G.107, и с тех пор ежегодно корректируется и дополняется (последняя редакция – G.107E (12/2011)). Модель Е определяет оценку качества передачи, или коэффициент R, в диапазоне значений 0...120. Этот показатель в случае ИКМ-модуляции (G.711) равен 93, а для G.726 – 76. Этот показатель ниже уровня, приемлемому для передачи речи в бизнес-переговорах (R = 80).

В данной работе используется ATM система, где длинна слова с выхода пакетизатора составляет 53 байта, из которых 48 байт – информационные и 5 – служебные. Разговорная нагрузка составляет 0,2 Эрл, при этом среднее время разговора 6 мин (t_сp = 360 с). Активность абонента равна 50%, т. к. во время разговора абонент не только говорит, но и слушает, во время передачи так же не все время уходит только на передачу данных. Для упрощения вычислений введем коэффициент активности речи α = 0,5 (т.е. 50% – разговор, 50% – паузы).

Расчётная скорость передачи речевой информации пользователя определяется по формуле (2.1):

 

V' = V*α, (2.1)

 

где α – коэффициент активности; V – скорость вокодера.

 

V' = 32*0,5 = 16 кбит/с.

 

Длина информационной части речевого сигнала абонента L' вычисляется по формуле (2.2):

 

L' = t_сp*V' (2.2)

 

L' = 360с * 16 кбит/с = 5760 кбит = 720000 байт.

 

Число ячеек N_pp определяется по формуле (2.3):

 

N_pp = L' / L_n, (2.3)

 

где L_n – длина информационной части ATM ячейки, равная 48 байт.

 

N_pp = 720000 байт / 48 байт = 15000 ячеек.

 

Рассчитаем количество служебных байт L", передаваемых в ячейках, по формуле 2.4:

 

L" = N_pp*5 (2.4)