Содержание к диссертации
Введение
I. Алгоритмы управления пропускной способностью при пакетной передаче речи
1.1 .Алгоритм распределение абонентов по приоритетам
1.2. Алгоритм динамического изменения максимального времени соединения 11
1.3.Алгоритм резервирования канальных ресурсов в зависимости от приоритета абонентов 13
1.4.Анализ методов исследования оценки показателей качества при пакетной передаче речи 17
1.5.Факторы, влияющие на качество обслуживания в транкинговых сетях
2. Модель процессов управления пропускной способностью в системах с пакетной передачей речи с распределением абонентов по приоритетам 26
2.1.Анализ файлов с экспериментальными данными
2.2. Разработка алгоритма моделирования системы с различными группами приоритетов абонентов 45
2.3.Результаты моделирования системы с различными приоритетами абонентов "и
3. Модель процессов управления пропускной способностью в системах с пакетной передачей речи с динамическим изменением максимального времени соединения 71
3.1.Разработка алгоритма моделирования системы с динамическим перераспределением максимального времени соединения 75
3.2. Результаты моделирования системы с динамическим изменением времени соединения 83
4. Модель процессов управления пропускной способностью в системах с пакетной передачей речи с резервированием канальных ресурсов в зависимости от различных приоритетов абонентов
4.1.Разработка алгоритма моделирования системы с резервированием канальных ресурсов в зависимости от различных приоритетов абонентов
4.2. Результаты моделирования системы с резервированием канальных ресурсов в зависимости от различных приоритетов о«г абонентов
5. Разработка графического интерфейса пользователя программы моделирования алгоритмов управления 95
Пропускной способностью при пакетной передаче речи основные результаты и выводы 103
Список литературы
- Алгоритм динамического изменения максимального времени соединения
- Разработка алгоритма моделирования системы с различными группами приоритетов абонентов
- Результаты моделирования системы с динамическим изменением времени соединения
- Результаты моделирования системы с резервированием канальных ресурсов в зависимости от различных приоритетов о«г абонентов
Введение к работе
Актуальность темы обусловлена необходимостью применения различных алгоритмов управления пропускной способностью в технологических системах связи. Это объясняется необходимостью экономии частотного ресурса в системах радиосвязи, повышения пропускной способности уже существующих систем оперативной технологической связи.
На сегодняшний день нет систематизированных исследований влияния различных алгоритмов управления пропускной способностью в технологических системах на качество обслуживания абонентов.
Актуальность темы определяется поиском эффективных способов управления пропускной способностью технологических систем, для увеличения объёма переданной информации. Под эффективностью алгоритмов управления подразумевается увеличение пропускной способности при тех же энергетических и частотных ресурсах системы.
Современные устройства, интеллектуальные коммутаторы, позволяют на их основе использовать различные алгоритмы управления пропускной способностью. Примерами таких устройств построения технологических систем могут быть коммутаторы транкинговых сетей и сетей с пакетной передачей речи.
По своему определению одним из алгоритмов управления пропускной способностью в технологических системах предприятий подразумеваются приоретизация абонентского трафика и динамическое изменение процессов обслуживания абонентов в зависимости от загрузки системы . Это усложняет исследование работы таких систем и требует использования новых подходов для анализа оценки качества обслуживания абонентов.
Особую значимость в практике исследования технологических сетей предприятий имеют адекватные модели речевого трафика,
позволяющие более точно оценить качество обслуживания абонентов. Большое число исследователей в этом направлении применяют упрощенные модели речевого трафика. Анализ экспериментальных данных технологических систем показывает отличие характеристик речевого трафика от используемых при расчётах телефонной нагрузки.
Актуальной представляется задача разработки новых методов оценки эффективности применения различных алгоритмов управления пропускной способностью технологических систем и их влияния на качество обслуживания абонентов. Для более точной оценки качества обслуживания абонентов в технологических системах необходимо учитывать динамическое изменение процедур обслуживания абонентов из-за различных приоритетов, а так же из-за применения алгоритмов управления пропускной способностью.
В основу исследований работы технологических систем положены результаты работ учёных в области теории вероятностей, теории массового обслуживания и теории телетрафика. Фундаментальный вклад в эти области внесли Джейсоул Н. К., Клейирок Л., Шварц М., В.И.Нейман и некоторые другие. Проведены исследования в теоретических и прикладных работах Горелова Г.В., Ершова В.А., Ваванова Ю.В. и др.
Цель и задачи работы состоят в исследовании эффективности предложенных в работе алгоритмов управления пропускной способностью технологических систем при пакетной передачей речи.
Для достижения поставленной цели реализуется следующая последовательность решения задач диссертационной работы:
- анализ возможных алгоритмов управления пропускной
способностью при пакетной передаче речи;
проведение комплекса экспериментальных исследований с целью оценки реальных статистических характеристик трафика технологических транкинговых систем;
разработка имитационных моделей обработки речевого трафика в технологических системах при пакетной передаче речи с использованием различных алгоритмов управления пропускной способностью;
разработка вычислительных алгоритмов и ПО для анализа эффективности применения алгоритмов управления пропускной способностью и проектирования технологических систем для конкретных задач предприятий.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы статистической обработки данных, теории массового обслуживания, методы теории вероятностей, имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные и практические результаты:
экспериментальные исследования статистических характеристик трафика технологических систем показывают отличие параметров речевого трафика от используемых при расчётах телефонной нагрузки;
имитационные модели позволяют анализировать работу технологических систем при совместном использовании нескольких алгоритмов управления пропускной способностью, т.е. наличия динамического изменения процессов обслуживания абонентов в зависимости от загрузки системы;
использованный в работе подход позволяет оценить эффективность применения различных алгоритмов управления
пропускной способностью в технологических системах используя оценку качества обслуживания абонентов.
Практическая ценность работы заключается в том, что её результаты комплексно описывают механизм определения эффективности применения различных алгоритмов управления пропускной способностью в технологических системах. Программное обеспечение для анализа эффективности применения различных алгоритмов управления пропускной способностью в технологических системах возможно использовать при проектирование систем с различными входными данными.
Алгоритм динамического изменения максимального времени соединения
В технологических системах с пакетной передачей речи, например, в транкинговой системе, существуют три параметра, имеющих первостепенное значение, установка которых должна осуществляться с особой тщательностью для достижения необходимого баланса между уровнем качества обслуживания и абонентской нагрузкой. Этими параметрами являются: максимальное время соединения, минимальное время соединения и максимальная глубина очереди. Совокупность данных трех факторов лежит в основе алгоритма динамического изменения времени соединения [9].
Алгоритм динамического изменения времени соединения определяет максимальную длительность данного соединения в зависимости от текущей загруженности системы. В случае незначительной загруженности системы, не вызывающей образования очереди, предоставляемое время соединения эквивалентно установленному, максимальному времени соединения. Если система загружена на столько, что число вызовов, находящихся на ожидании, эквивалентно установленной максимальной глубине очереди, то предоставляемое в этом случае время соединения будет эквивалентно установленному минимальному времени соединения. Для всех вызовов, находящихся в очереди на местах с 1-го по предпоследнее (максимально установленная глубина очереди минус один), предоставляемое максимальное время соединения лежит пропорционально в пределах от максимально установленного до минимально установленного времени соединения.
Информация о всех установках максимального времени соединений передаются по управляющему каналу на терминалы абонентов.
В таких системах для межзоновых соединений длительность соединения определяется абонентом, максимальное предоставленное время разговора которого является наименьшим.
В транкинговых системах имеется возможность предоставления абонентам доступа только к определенным каналам трафика [9].
Пользователям, обладающим наивысшим приоритетом в обслуживание доступны все имеющиеся в системе каналы. Вызовы пользователей с более низким приоритетом могут обслуживаться только в том случае, если количество занятых каналов не более установленного допустимого значения. Это значение называется ограничительным порогом для пользователей низших групп приоритетов.
Выбирая соответствующим образом ограничительный порог для вызовов низшего приоритета можно управлять качеством обслуживания пользователей различных групп приоритетов.
Таким образом, пользователи низшего приоритета, имеющие доступ только к нескольким каналам, должны будут ожидать обслуживания до тех пор, пока пользователи, имеющие доступ к большему числу каналов, не будут обслужены немедленно.
Специальное интерфейсное оборудование, например, телефонные интерфейсы, может быть подключено к определенному каналу. В этом случае, такому устройству присваивается идентификатор транкинговой системы. После присвоения верхнему пределу идентификаторов данного канала и нижнему пределу идентификаторов данного канала значения идентификатора подключаемого устройства, функция разделения идентификаторов по каналам направляет и принимает вызовы от устройства.
Для оценки эффективности описанных алгоритмов управления пропускной способностью при пакетной передаче речи, необходимо провести исследование влияния этих алгоритмов на изменение показателей качества работы системы.
Предварительный расчет показателей качества обслуживания абонентов QoS - важный момент проектирования любых телекоммуникационных систем передачи речевой информации. Точный расчет необходимого количества каналов (канальной емкости) для обслуживания планируемой нагрузки абонентов с необходимым качеством поможет обеспечить приемлемое качество обслуживания абонентов и избежать планирования «лишних» ресурсов системы, что избавит ее заказчика от избыточных финансовых вложений в систему [25].
Разработка алгоритма моделирования системы с различными группами приоритетов абонентов
Целью разработки алгоритма является наиболее полный охват всех процессов работы моделируемой системы. Разработка процедур обслуживания запросов от абонентов различных приоритетов и управления ресурсами системы в рамках наиболее эффективного использования.
Вопрос исследования подобных систем с различными группами приоритетов абонентов уже не раз поднимался исследователями. Предыдущие работы не полностью учитывали характеристики речевого трафика для технологических систем. Были рассмотрены работы, в которых разрабатывались аналитические модели систем с приоритетами, но при этом использовался упрощенный подход к закону распределения длительностей соединений [5, 25]. Для возможности использования аппарата аналитического моделирования предполагалось аппроксимация длительностей соединений экспоненциальным законом распределения.
Некоторым исследователям, используя аппроксимацию длительностей занятий усечённым логнормальным законом распределения, удалось реализовать методики оценки качества обслуживания абонентов без учёта приоритетности абонентов [18].
Задачей этой главы является разработка модели технологической транкинговой системы с учетом особенностей речевого трафика технологических систем, т.е. с использованием экспериментально подтверждённой аппроксимации длительности занятий логнормальным законом распределения и учёта наличия в системе абонентов различного приоритета. На рис. 2.6. предложена общая структурная схема алгоритма статистического моделирования функционирования системы обработки вызовов в технологической транкинговой системе.
Рассмотрим подробнее предложенный алгоритм и остановимся на ключевых моментах имитационной модели системы обработки вызовов.
Для получения корректных статистических результатов имитационного моделирование, работа предполагаемого алгоритма должна повторятся некоторое количество раз. После чего, в качестве окончательных полученных статистических результатов, можно будет получить усредненную оценку за заданное количество моделирований процесса. Количество повторений может выбираться из конкретных условий моделирования или мощности ЭВМ.
Суть разрабатываемой модели заключается в том, что инициируется поступление запросов от абонентов находящихся в зоне покрытия одной базовой станции и их обработка в системе. Алгоритм описывает поступление запросов на соединение от абонентов системы и их обслуживание в соответствии с установленным приоритетом. От приоритета абонента зависит статус абонента в системе и применяемые процедуры обработки соединения при обслуживания его вызова. При моделирование процесса поступления запроса на соединение система должна определить статус абонента (приоритет).
Входящий поток запросов на соединения создается конечной группой абонентов. Поступление вызовов от абонентов моделируются входящим потоком запросов на обслуживание. Предполагается, что все пользователи действуют независимо друг от друга и каждый создает нагрузку с определённой интенсивностью. Пользователи, отправившие требование в систему и находящиеся на обслуживании, уже более не создают нагрузки.
В разрабатываемой модели предполагается исследование систем с экспоненциальным распределением входящего потока запросов на обслуживание, т.е. интервалы времени между входящими запросами на обслуживание распределены по экспоненциальному закону с интенсивностью X. Плотность вероятности экспоненциальной случайной величины описывается формулой: /М = АГ , (2.9) где X - параметр распределения.
Генерация случайных чисел, распределенных по экспоненциальному закону, осуществляется с использованием соотношения: / = -Мп(й), (2Л0) /=! где " - средний интервал между вызовами; R - равномерно распределенная случайная величина.
Для задания в программном виде равномерной на [0,1] случайной величины R используется датчик случайных чисел «Random» Текст используемой в модели функции задания экспоненциальной случайной величины распределения входящего потока запросов на обслуживание приведен в приложение ПЗ.
Все абоненты в системе разделены на несколько групп. Количество различных групп абонентов определяется различными приоритетами в обслуживании поступающих запросов на соединение.
Результаты моделирования системы с динамическим изменением времени соединения
Процедура рассматривает реализацию метода управления трафиком, при котором вводится резервирование канальных ресурсов (РКР) для приоритетных абонентов.
На рис.4.1 изображен полнодоступный пучок каналов емкостью V, на который поступают две нагрузки от абонентов А, и А2. Пользователи создающие нагрузку Аь обладают наивысшим приоритетом. Для обслуживания этой нагрузки доступны все V каналов. Вызовы пользователей с более низким приоритетом, создающих нагрузку А2, могут обслуживаться только в том случае, если в пучке установлено не более, чем Т2 = х соединений любого типа. Число Т2 называется ограничительным порогом для пользователей второй группы приоритетов. Очевидно, что для пользователей первой группы приоритетов Ti V.
Обозначим через Р[х], x=l,2,...,V вероятность пребывания в состоянии [х]. Тогда вероятность успешных соединений для пользователей первой группы приоритетов будет: Pi=M, (4.1) Вероятность успешных соединений для пользователей второй группы приоритетов будет: р2 = Е И, (4.2) J = T2 Выбирая соответствующим образом порог Тг можно управлять качеством обслуживания пользователей различных групп приоритетов.
Большим достоинством рассматриваемого подхода является то обстоятельство, что для его применения требуется в основном программная и незначительная аппаратная реализация [18].
Очевидно, что, как и в случае систем с динамическим ограничением максимальной длительности соединения, расчет характеристик систем с РКР методами теории телетрафика невозможен. Поэтому, оценка эффективности использования РКР так же проводится с помощью имитационного моделирования.
Для алгоритма управления пропускной способностью с динамическим изменением максимального времени соединения были разработаны процедуры на языке программирования и включены в работу имитационной модели технологической транкинговой системы. В процессе моделирования определяется число занятых каналов в системе и затем система обработки вызовов решает, может ли очередной поступивший вызов занять канал или вызов будет потерян (рис. 4.2.). Поясним временные диаграммы рис. 4.2: Ось 1-я. Генерируется первый вызов. Происходит занятие 1-го канала трафика. Ось 2-я. Генерируется второй вызов. Происходит занятие 2-го канала трафика.
Ось 3-я. Генерируется третий вызов с низким приоритетом. С учётом принципа резервирования канальных ресурсов системы, во время проверки оставшихся свободных каналов выяснилось, что остался один канал. Этот канал предназначен для обслуживания вызовов с высоким приоритетом, тогда этот вызов задерживается.
Ось 4-я. Поступает 4-й вызов с высоким приоритетом. Занимается 3-й канал трафика. К пятой временной оси все каналы трафика системы заняты вызовами. 5-ый вызов имеет высокий приоритет и он ставится в очередь на время оставшееся до освобождения канала трафика с минимальным оставшимся временем разговора (1-й канал трафика). Ось 6-я. 5-ым вызовом занимается 1-й канал трафика. Ось 7-я. Поступает 6-ой вызов, аналогично состоянию рассмотренному на 5-ой оси. Ближайшим освободится второй канал. Ось 8-я. 2-ой канал трафика освободился он занимается 6-ым вызовом.
Результаты моделирования системы с резервированием канальных ресурсов в зависимости от различных групп приоритетов абонентов
В отличии от алгоритма с динамическим ограничением максимальной длительности соединения в алгоритме с резервированием канальных ресурсов мы не будем анализировать изменение характеристик системы от среднего времени разговора. Мы проанализируем только одну точку т=25 (т - средняя длительность разговора). Изменять будем процент низкоприоритетных вызовов от общего числа вызовов. Один из важнейших параметров Рбл - вероятность блокировки вызовов с низким приоритетом, он показывает какой процент низкоприоритетных вызовов получит отказ в обслуживании и будет потерян.
Качество работы системы также характеризуется такими параметрами, как: вероятность задержки вызова, среднее время задержки, вероятность задержки на время более некоторого максимального и др. Оценки указанных параметров могут быть получены используя теорию телетрафика, где рассматриваются системы коммутации каналов с очередями и устанавливаются зависимости, связывающие параметры Рдоп, М, N с интенсивностью телефонной нагрузки. Расчеты приводятся для часа наибольшей нагрузки - ч.н.н.
Результаты моделирования системы с резервированием канальных ресурсов в зависимости от различных приоритетов о«г абонентов
В отличии от алгоритма с динамическим ограничением максимальной длительности соединения в алгоритме с резервированием канальных ресурсов мы не будем анализировать изменение характеристик системы от среднего времени разговора. Мы проанализируем только одну точку т=25 (т - средняя длительность разговора). Изменять будем процент низкоприоритетных вызовов от общего числа вызовов. Один из важнейших параметров Рбл - вероятность блокировки вызовов с низким приоритетом, он показывает какой процент низкоприоритетных вызовов получит отказ в обслуживании и будет потерян.
Качество работы системы также характеризуется такими параметрами, как: вероятность задержки вызова, среднее время задержки, вероятность задержки на время более некоторого максимального и др. Оценки указанных параметров могут быть получены используя теорию телетрафика, где рассматриваются системы коммутации каналов с очередями и устанавливаются зависимости, связывающие параметры Рдоп, М, N с интенсивностью телефонной нагрузки. Расчеты приводятся для часа наибольшей нагрузки - ч.н.н.
Результаты выполнения программы моделирования с резервированием канальных ресурсов, Тдап = 20 сиТдоп = 9 с приведены в табл. 4.1.
На рис. 4.3. - 4.6. приведены зависимости основных характеристик для систем транкинговой связи, построенные по значениям таблицы.
Моделирование работы системы обработки вызовов производилось для установленной средней длительности разговора равной 25 секунд. Допустимое время задержки вызова в очереди 20 и 9 секунд. В системе предполагается наличие двух приоритетов абонентов. Изменялась доля низкоприоритетных абонентов от общего числа абонентов.
Для системы с резервированием канальных ресурсов качество обслуживания абонентов высокого приоритета определяется вероятностью задержки вызова Рдоп на время более чем Тдоп. Для абонентов с низким приоритетом качество обслуживания абонентов оценивается вероятностью блокировки вызова Рбл.
Результаты показывают, что вероятность блокировки абонентов более низкого приоритета уменьшается с увеличением их доли в системе. С увеличением доли абонентов более низкого приоритета в системе уменьшается вероятность задержки вызовов от абонентов высокого приоритета.
Разработанная имитационная модель технологической транкинговой системы с резервированием канальных ресурсов позволяет выбрать наиболее эффективную стратегию соотношения количества абонентов по приоритетам, при котором качество обслуживания абонентов в системе является наиболее приемлемым для абонентов всех приоритетов, с использованием этого алгоритма управления пропускной способностью.
Для удобства пользования методикой разработан графический интерфейс пользователя программы исследования алгоритмов управления пропускной способностью при пакетной передаче речи, который представляет собой программный продукт разработанный с использованием языка визуального объектно-ориентированного программирования Delphi 7.0.
При запуске исполняющего файла программно-исследовательского комплекса запускается мастер ввода исходных данных и параметров проектируемой технологической системы.
В первую очередь запускается окно (рис. 5.1.) позволяющее пользователю выбрать: вариант использования алгоритма с резервированием канальных ресурсов; вариант алгоритма моделирования системы с динамическим перераспределением времени соединения; проектируемое количество разговорных каналов связи в исследуемой технологической цифровой сети транкинговой радиосвязи; проектируемое количество различных групп приоритетов абонентов планируемых для использовании в цифровой сети транкинговой системы. В стандарте TETRA регламентировано максимально 15-ть групп приоритетов абонентов.
