Автореферат (Методы динамического управления пропускной способностью в многоканальных мультисервисных сетях абонентского доступа)

На правах рукописиТрещановский Павел АлександровичМетоды динамического управления пропускной способностью вмногоканальных мультисервисных сетях абонентского доступаСпециальность 05.12.13 — «Системы, сети и устройствателекоммуникаций»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2013Работа выполнена на кафедре «Телекоммуникационные системы»Национального исследовательского университета МИЭТНаучный руководитель:доктор технических наук,профессорБаринов Виктор ВладимировичОфициальные оппоненты: Широ Георгий Эдуардович,доктор технических наук,профессор кафедры «Вычислительная техника»,НИУ МИЭТАкимов Владимир Николаевич,кандидат технических наук, доцент,главный инженер ЗАО «НИРИТ»Ведущая организация:ФГУП «Субмикрон»Защита диссертации состоится 26 февраля 2013 года в 10 часов назаседании совета Д 212.125.02 в Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете) по адресу: 125993,г.

Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.Автореферат разослан «Ученый секретарьдиссертационного совета»2013 г.Петраков А.М.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. Современные телекоммуникационные сети переживают стремительный рост объема передаваемого трафика и количества предоставляемых информационных услуг. Важнейшую роль вэтом процессе играют мультимедийные услуги, такие как IP-телевидение,предоставление видео по запросу, IP-телефония и др.

Известно, чтодля предоставления данных услуг необходимо соблюдение ряда требований к параметрам качества обслуживания, таких как задержка передачи, джиттер, вероятность потери и др. Строгие гарантии качества обслуживания обеспечиваются динамическим резервированием части пропускной способности сети доступа для передачи мультимедийного трафика. Однако из-за ограниченной пропускной способности сетей доступа, большого количества абонентов, а также сложных вероятностныхсвойств мультимедийного трафика такое резервирование часто приводит кнеэффективному использованию сетевых ресурсов, а следовательно, к низкому количеству обслуживаемых абонентов или к низкому качеству предоставляемой услуги.

Данная проблема может быть решена с помощью новыхметодов управления мультимедийным трафиком, более полно учитывающих его вероятностные и динамические свойства и обеспечивающих эффективное использование сетевых ресурсов за счет статистического мультиплексирования передаваемых потоков.Объектом исследования являются многоканальные мультисервисныесети абонентского доступа.Предметом исследования являются методы динамического управления ресурсами многоканальных мультисервисных сетей, а также вероятностные модели трафика и узлов коммутации.Цели и задачи диссертационной работыЦелью работы является повышение эффективности использования многоканальных мультисервисных сетей доступа.

Для достижения этой целинеобходимо1. Разработать методы динамического дифференцированного доступаабонентов к ресурсам многоканальных мультисервисных сетей, повышающие эффективность использования пропускной способностипри статистическом мультиплексировании независимых мультимедийных потоков.2. Разработать методы моделирования сетей и систем телекоммуника3ций, повышающие точность предсказания параметров качества обслуживания за счет использования вероятностных и динамическихсвойств мультимедийного трафика.3. Разработать пути развития архитектуры сетей абонентского доступана основе Ethernet-технологий, повышающие эффективность использования сетевых ресурсов при дифференцированном обслуживанииразличных классов трафика.4. Подтвердить эффективность предложенных решений с помощью математических расчетов и имитационного моделирования.Методы исследованияПри выполнении работы использованы методы стохастического сетевого исчисления, теории систем массового обслуживания, теории телетрафика, теории стохастических процессов и теории математической статистики.

Результаты работы подтверждены имитационным моделированиемв системе ns-3.Научная новизна диссертацииНаучная новизна результатов, полученных в диссертационной работе,заключается в следующем.1. Разработана модель сетевого трафика на основе стохастической кривой поступления. Данная модель отражает свойство нестационарности динамического мультимедийного трафика за счет использования динамической кривой поступления. Сформулированы и доказаны свойства модели, позволяющие более точно предсказывать параметры качества обслуживания, такие как максимально возможная задержка передачи, в многоканальных сетях со статистическим мультиплексированием.2.

Разработан метод расчета параметров динамической кривой поступления. Данный метод позволяет увеличить коэффициент использования сетей доступа при передаче мультимедийного трафика через узелкоммутации, описываемый кривой обслуживания.3. Разработан метод динамического управления пропускной способностью мультисервисных сетей на основе предложенной модели трафика. Данный метод позволяет повысить эффективность использованиясетевых ресурсов благодаря адекватному учету вероятностных и динамических характеристик мультимедийного трафика.4.

Разработан алгоритм динамического резервирования сетевых ресурсов для передачи адаптивных мультимедийных потоков в сетях до4ступа Ethernet с дифференцированным обслуживанием.Практическая значимостьРезультаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке алгоритмов управления трафиком в многоканальных мультисервисных сетях, при разработке узлов коммутации, а также припроектировании сетей абонентского доступа для повышения эффективности использование пропускной способности сети.Достоверность результатов диссертационной работы подтверждаетсяиспользованием апробированных математических подходов и методов, атакже расчетами и результатами математического моделирования в средеSciPy.Личный вкладВсе основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены лично автором диссертации.Положения, выносимые на защиту1.

Динамическая кривая поступления с экспоненциальной ограничивающей функцией отражает свойство нестационарности адаптивного мультимедийного трафика и позволяет уменьшить усредненнуюошибку предсказания максимально возможной задержки передачи идлины очереди на 20-40 процентов.2. Разработанный метод расчета параметров динамической кривой поступления позволяет увеличить коэффициент использования узловкоммутации со статистическим мультиплексированием на 15-35 процентов.3. Предложенный метод динамического дифференцированного обслуживания на основе динамической стохастической кривой поступления позволяет увеличить абонентскую емкость многоканальныхмультисервисных сетей доступа на 20-55 процентов.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и межвузовскихнаучно-технических конференциях.• Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2010.• Международная научно-техническая конференция, посвященная 40летию образования МГТУ ГА, «Гражданская авиация на современном5этапе развития науки, техники и общества», Москва, май 2011.• 66-я всероссийская конференция, посвященная Дню радио, Москва,май 2011.• Семнадцатая и восемнадцатая всероссийские межвузовские научнотехнические конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, апрель 2010 и 2011.ПубликацииРезультаты проведенного исследования опубликованы в 11 работах.

Изних 3 публикации из перечня ВАК, 1 статья в трудах конференции и 7 тезисов докладов в трудах перечисленных выше конференций.Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключенияи списка цитируемой литературы из 102 наименований. Объем диссертациисоставляет 156 страниц текста и включает 53 рисунка и 2 таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснованы актуальность и научная новизна работы, сформулированы цель исследования, научная новизна и основные положения,выносимые на защиту, представлена практическая ценность, а также кратко изложено содержание диссертации.В первой главе исследованы известные методы динамического управления трафиком в многоканальных мультисервисных сетях.Исследован метод интегрированного обслуживания мультимедийноготрафика.

Данный метод основан на расчете максимально возможных значений параметров качества обслуживания QoS (Quality of Service) при передаче заданного набора мультимедийных потоков через сеть доступа с известной пропускной способностью. Для этого каждый поток данных описывается математической моделью, определяющей максимально возможный объем данных потока, передаваемых в сеть на произвольном интервалевремени. Такая модель называется кривой поступления потока.Каждый узел коммутации на пути передачи потока характеризуется моделью, определяющей минимальный объем данных этого потока, обслуженных за некоторое произвольное время.

Эта модель называется кривой обслуживания узла коммутации. Благодаря свойству конкатенации всяцепочка узлов коммутации, обслуживающих рассматриваемый поток, может быть охарактеризована одной кривой обслуживания, равной мин-плюс6свертке кривых обслуживания отдельных узлов. Упомянутая пара моделейпозволяет рассчитывать максимально возможные значения задержки передачи и длины очереди узла коммутации. В сети с интегрированным обслуживанием каждому потоку выделяется часть пропускной способности, описываемая независимой от других потоков кривой обслуживания.

Запрос напередачу потока принимается только в том случае, если рассчитанные значения параметров QoS не превышают допустимые.Исследован также метод дифференцированного обслуживания мультимедийного трафика. Этот метод основан на расчете максимально возможных значений вероятностных параметров качества обслуживания при заданной допустимой вероятности превышения этих параметров. Для этогокаждый поток данных характеризуется вероятностной моделью, называемой стохастической кривой поступления. Такая модель позволяет определять остаточную кривую обслуживания, предоставляемую остальным потокам, делящим один узел коммутации.