Задачи перехода к сети связи следующего поколения
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА
_____________________________________________________________________
На правах рукописи
Соколов Николай Александрович
ЗАДАЧИ ПЕРЕХОДА К СЕТИ СВЯЗИ
СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ
Специальность: 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург – 2006 г.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном
университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Официальные оппоненты:
– доктор технических наук,
профессор Алиев Т.И.
– доктор технических наук,
профессор Дымарский Я.С.
– доктор технических наук,
профессор Степанов С.Н.
Ведущая организация – Центральный научно-исследовательский институт связи
Защита состоится "___"__________2006 г. в _____час. на заседании диссертационного совета Д219.004.01 в Санкт-Петербургском Государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу:
191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61.
_________________________________________________________________
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУТ
Автореферат разослан "___"_______________2006 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д219.004.01
доктор технических наук, профессор В.Ю. Волков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В начале XXI века начались радикальные изменения тех концептуальных положений, которые определяют основные направления дальнейшего развития телекоммуникационной системы. Сформировалась идея построения сети связи следующего поколения, известная по аббревиатуре NGN (Next Generation Network). Большинство специалистов считает идею NGN самой разумной концепцией дальнейшего развития инфокоммуникационной системы – симбиоза электросвязи и информатики.
Теоретически концепция NGN может быть реализована в процессе развития любой эксплуатируемой ныне сети электросвязи: телефонной, обмена данными, кабельного телевидения. Гипотетически можно рассматривать идею создания еще одной – новой – сети, полностью соответствующей концепции NGN. Однако с практической точки зрения интерес представляет только тот способ построения NGN, который основан на целенаправленном развитии телефонной сети общего пользования (ТФОП). При построении NGN следует учитывать ряд специфических свойств системы телефонной связи. Среди изменений в ТФОП необходимо выделить переход к пакетным технологиям передачи и коммутации, стимулирующим разработку новых принципов построения сети. Одна из важнейших задач, способствующая формированию и реализации этих принципов, – разработка методов расчета характеристик, которые позволяют анализировать качество обслуживания трафика в NGN в целом, а также в ее отдельных фрагментах.
Исследования принципов построения телефонных сетей можно разделить на два направления. Первое направление связано с оптимизацией структуры сети. Одна из основных задач была сформулирована как поиск оптимального места размещения коммутационной станции. Заметный вклад в решение подобных задач внесли российские специалисты Г.Б. Давыдов, И.М. Жданов, Е.И. Кучерявый, Е.В. Мархай, Г.Б. Метельский, В.Н. Рогинский, А.П. Пшеничников и многие другие. Второе направление стало актуальным при существенных качественных изменениях в оборудовании передачи и коммутации, применяемом для развития ТФОП. В частности, при появлении цифровых коммутационных станций потребовалась разработка ряда новых принципов построения городских (ГТС) и сельских (СТС) телефонных сетей. Большой вклад в решение соответствующих задач внесли Р.А. Аваков, К.П. Мельников, И.Е. Павловский, П.А. Юнаков. В настоящее время необходимо провести исследования по обоим направлениям развития ТФОП, учитывая особенности, которые характерны для NGN.
Характеристики качества обслуживания трафика традиционно считаются одним из важнейших научных направлений в исследованиях сетей телефонной связи и обмена данными. Российская научная школа в этом направлении (теория телетрафика) – одна из сильнейших в мире. Существенный вклад в развитие теории телетрафика внесли Г.П. Башарин, Б.С. Лившиц, В.И Нейман, С.Н. Степанов, А.Д. Харкевич, М.А. Шнепс-Шнеппе, Г.Г. Яновский и другие известные ученые. Говоря о достижениях зарубежных специалистов, следует упомянуть имена В. Иверсена, Л. Клейнрока, П. Кюна. Результаты, полученные отечественными и зарубежными специалистами, полезны для исследования характеристик качества обслуживания трафика в NGN. С другой стороны, принципы функционирования всех устройств коммутации в NGN имеют специфику, которая обусловлена выбранной технологией распределения информации. По этой причине необходима разработка новых методов расчета ряда вероятностно-временных характеристик NGN, адекватно отражающих процессы обмена информацией между терминалами пользователей. Кроме того, следует учитывать влияние качества обслуживания трафика в NGN на характеристики передачи информации. В частности, задержки пакетов приводят к снижению качества телефонной связи.
На этапе перехода к NGN соображения, изложенные выше, определяют актуальность задач выбора принципов модернизации ТФОП. К этим задачам относятся также анализ и расчет характеристик качества обслуживания трафика в NGN.
Цель работы. Диссертация посвящена решению фундаментальной научной проблемы – разработке новых принципов модернизации ТФОП, которые направлены на формирование сети связи следующего поколения (NGN) в соответствии с требованиями основных участников инфокоммуникационного рынка: Пользователей, Операторов, Производителей оборудования и Поставщиков услуг.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории телетрафика, оптимизации, управления запасами, принятия решений, экспертных оценок.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- Выполнен анализ процессов развития российской телефонной сети. Выделена основная ошибка, свойственная процессу цифровизации, – отказ от использования коммутационных станций большой емкости. Это привело к росту капитальных затрат на развитие сети и соответствующих эксплуатационных расходов. Сформулирована задача оптимального перехода к NGN как минимизация ошибок, которые были накоплены на предшествующих этапах модернизации системы телефонной связи. Оценкой ошибок предложено считать величину дополнительных затрат или их доли относительно оптимального варианта построения сети.
- Разработан методологический подход к формированию NGN, основанный на достижении конечной цели. Этот подход опирается на иерархическую цепочку: стратегия – сценарий – вариант. Переход к NGN рассматривается как возможность сокращения отставания от уровня развитых стран при построении современной инфокоммуникационной системы. Эту возможность предложено реализовать за счет "преимущества отстающего". С этой целью определены принципы создания NGN, которые позволят заменять электромеханические автоматические телефонные станции (АТС) оборудованием пакетной коммутации. Разработана прагматическая стратегия перехода к NGN, позволяющая предоставлять современные виды обслуживания тем пользователям местной телефонной сети, которые готовы оплачивать новые функциональные возможности. При реализации прагматической стратегии перехода к NGN минимизируется риск Оператора, связанный с потерей той части клиентов, которые приносят ему существенные доходы.
- Обосновано совместное применение двух методов формализованного прогнозирования характеристик инфокоммуникационной системы. Первый из них основан на выборе прогностической кривой с помощью метода наименьших квадратов. При этом выбранную кривую желательно проверить "прогнозированием прошлого". Второй метод основан на мониторинге исследуемого процесса. Он позволяет установить возможное изменение тренда, выявленного с помощью первого метода. В качестве интуитивного метода прогнозирования предложен способ, основанный на анализе аналогичных тенденций, которые известны для развитых стран. Такой подход был апробирован при разработке ряда прогнозов и доказал свою эффективность. Он базируется на гипотезе о том, что в каждой сети исследуемый процесс повторяется с теми отличиями, которые можно выразить с помощью следующих терминов: "амплитуда" (уровень насыщения), "частота" (скорость развития) и "фаза" (задержка начала предоставления услуги или внедрения технологии). Эти три неизвестные величины могут быть получены методом Делфи или с помощью эвристических методов. Установлена цикличность появления новых технологий, радикально меняющих облик всей инфокоммуникационной системы. Показано, что эти циклы подобны "длинным волнам" Н.Д. Кондратьева.
- Предложен ряд алгоритмов для решения задач, которые возникают при планировании сетей доступа. Показано, что для решения большинства топологических задач могут использоваться алгоритмы перебора всех возможных вариантов. В ряде случаев вводятся разумные ограничения, позволяющие упростить решение задачи. Разработан метод расчета величины резервных транспортных ресурсов, предоставляемых системой беспроводного доступа для тех пользователей, которые заключают с Оператором соглашения об уровне обслуживания. Этот метод позволяет определить необходимую пропускную способность для системы беспроводного доступа в зависимости от характера расположения пользователей в границах пристанционного участка и вероятности отказа основного и резервного путей обмена информацией.
- Предложена и обоснована математическая модель тракта обмена IP пакетами в NGN. Установлено, что для трафика речи гипотеза о пуассоновском входящем потоке заявок подтверждается теоретическими выкладками и результатами измерений. Предположение о бесконечной емкости буферного накопителя в области реальных величин загрузки системы приводит к малым ошибкам в расчете вероятности потери заявок, но позволяет заметно упростить аналитическое исследование вероятностно-временных характеристик NGN. Получены оценки влияния фрактальных свойств, присущих трафику данных, на характеристики качества обслуживания телефонной нагрузки. Для данного исследования была предложена модель с бункером на входе, что позволяет оценить максимальное ухудшение телефонного трафика. Показано, что при введении вполне приемлемых ограничений на длину IP пакета влияние фрактальных свойств, присущих трафику данных, не представляется существенным.
- Получены аналитические выражения для вычисления функций распределения длительности задержки IP пакетов в отдельных элементах NGN, моделями которых служат системы массового обслуживания (СМО). Эти результаты позволяют рассчитывать искомые функции при различных дисциплинах обслуживания (с приоритетами и в порядке поступления). Предложены приближенные выражения, для которых ошибка в расчете искомых функций не превышает нескольких процентов для больших значений времени. Получены аналитические соотношения для анализа СМО общего вида, если законы распределения времени обработки заявок и интервалов между заявками представимы ступенчатыми функциями. Показано, что использование предложенного метода позволяет существенно повысить точность вычисления вероятностно-временных характеристик в СМО. Проведена оценка тех ошибок в расчете искомых характеристик, которые обусловлены заменой ступенчатых функций непрерывными.
- Разработан метод для расчета функции распределения длительности задержки пакетов в NGN – сети, состоящей из произвольного числа узлов коммутации (совокупности СМО). Ошибки в оценке функции распределения не превышают десяти процентов, что вполне приемлемо для решения большинства задач, относящихся к планированию сети. Полученные результаты применимы для анализа сетей массового облуживания (СеМО), если корректны предположения о пуассоновских потоках на входе каждой системы.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
- Результаты анализа просчетов, допущенных в процессе цифровизации ТФОП, с точки зрения предстоящего перехода к NGN. Выполненный анализ позволяет точнее сформулировать ряд задач, решаемых на этапе перехода к NGN.
- Стратегии и сценарии построения NGN на базе местных телефонных сетей. Практический интерес для Операторов представляет прагматический подход к формированию NGN, основанный на сочетании двух взаимодополняющих стратегий: наложенная и выделенная сети. Выбор рационального сценария для принятой стратегии осуществляется в результате анализа кривых чистой текущей стоимости –
(или другого экономического показателя) при условии, что все требования к NGN соответствуют установленным нормам. - Методы планирования сетей доступа с учетом требований NGN. Для упрощения исследований использован принцип декомпозиции сети связи на транспортную (первичную) и коммутируемую (вторичную). Этот подход был предложен российскими специалистами более тридцати лет назад, а позднее стал использоваться и в практике МСЭ. Его применение при исследовании NGN также оказалось весьма продуктивным. Предложено обеспечение требуемой надежности связи для определенной группы терминалов за счет резервирования кабельных линий трактами, которые организуются оборудованием беспроводного доступа.
- Принципы прогнозирования требований к NGN, учитывающие развитие инфокоммуникационной системы. Основные требования к NGN можно прогнозировать, совместно используя формализованные и интуитивные методы. Предлагаемый подход обоснован отсутствием статистических данных для новых технологий и услуг, а также сменой тренда ряда зависимостей, для которых законы развития недавно казались незыблемыми.
- Модель NGN для расчета основных вероятностно-временных характеристик процессов обмена IP пакетами в виде СеМО, состоящей из однолинейных систем. Эта модель выбрана в результате анализа алгоритмов обмена информацией между терминалами пользователей через NGN. Для всех принятых допущений приведены оценки их влияния на точность полученных результатов.
- Результаты исследования СМО, которые служат моделями устройств передачи и коммутации IP пакетов. Для этих СМО получены все характеристики, которые необходимы для анализа показателей качества обслуживания в NGN при различных дисциплинах обработки и передачи IP пакетов. Основная сложность исследования СМО заключается в получении выражений для расчета функций распределения времени задержки заявок.
- Методы расчета вероятностно-временных характеристик процессов обмена IP пакетами в сети, позволяющие оценивать характеристики NGN, которые нормированы в документах Международного союза электросвязи (МСЭ) и Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI). Методы расчета исследуемых характеристик основаны на результатах, полученных в теории телетрафика. Для оценки достоверности ряда предложенных методов расчета проведена их проверка имитационным моделированием.
Личный вклад. Результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно, практические решения и рекомендации разработаны при его непосредственном участии или под его научным руководством.
Практическая ценность результатов. Важнейшие практические результаты – стратегия поэтапной модернизации ТФОП, которая с минимальными затратами приведет к созданию качественно новой инфокоммуникационной системы, а также совокупность методик для планирования NGN, необходимых проектным институтам и Операторам ТФОП для решения задач по модернизации местных телефонных сетей. Практическую ценность представляют также методы прогнозирования основных требований к инфокоммуникационной системе и способы расчета вероятностно-временных характеристик в IP сетях.
Результаты диссертационной работы стали составной частью курсов лекций "Теория телетрафика" и "Мультисервисный абонентский доступ" на кафедре "Системы коммутации и распределения информации" в Санкт-Петербургском Государственном Университете Телекоммуникаций (СПбГУТ) им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Использование результатов работы. Результаты диссертации использованы:
- в ЦНИИС при проведении научно-исследовательских работ, связанных с построением NGN для группы компаний ОАО "Связьинвест" и с развитием телекоммуникационной сети ОАО "Уралсвязьинформ";
- в ЛОНИИС при проведении исследований, направленных на преобразование эксплуатируемой телекоммуникационной системы в NGN, и в ряде опытных зон, создаваемых по контрактам с Поставщиками оборудования NGN;
- в ИВМ и МГ Сибирского отделения РАН при расчете вероятностно-временных характеристик IP сети регионального уровня и при разработке рекомендаций по проектированию сетей доступа;
- в ОАО "КОМСТАР – Объединенные ТелеСистемы" при проведении работ по оптимизации предоставления услуг и внедрению новых технологий;
- в проектном институте "Гипросвязь Северо-Запад" при разработке схем развития сетей электросвязи в ряде субъектов Российской Федерации;
- в научно-техническом центре "Протей" при проведении исследований по формированию современных сетей электросвязи, а также при разработке требований к оборудованию NGN;
- в учебном процессе кафедры "Системы коммутации и распределения информации" СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Внедрение результатов подтверждается соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на научных сессиях НТОРЭС им. А.С. Попова (Москва, 1983, 1986, 1988, 1990 г.г.), Десятой Всесоюзной школе-семинаре по теории телетрафика – ШСТТ-10 (Баку, 1988 г.), Втором международном семинаре по теории телетрафика и компьютерному моделированию (Москва, 1989), Международных научно-технических конференциях "Проблемы функционирования информационных сетей" (Новосибирск, 1991, 2006 г.г.), Четвертом международном семинаре по теории телетрафика и компьютерному моделированию (Москва, 1992), VII Всероссийском научно-техническом семинаре "Связь в деловой сфере. Новые информационные технологии" (Москва, 2000 г.), Второй всероссийской конференции "Абонентский доступ в сетях следующего поколения" (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции "Развитие NGN в России. Технологии и услуги" (Санкт-Петербург, 2006), International Conference Telekomunikace-88 (Brno, Czechoslovakia, 1988), 7th ITC Seminar (Morristown, USA, 1990), ITC Specialists Seminar (Cracow, Poland, 1991), 13th International Teletraffic Congress (Copenhagen, Denmark, 1991), 3th International Seminar of Teletraffic Theory and Computer Modelling (Sofia, Bulgaria, 1991), St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar "Digital Communication Network Management" (St. Petersburg, Russia, 1993), International Conference "Distributed Computer Communication Networks. Theory and Application" (Tel-Aviv, Israel, 1997), International Teletraffic Seminar "Teletraffic theory as a base for QoS: monitoring, evaluation, decision" (St. Petersburg, Russia, 1998), Moscow International Conference "Broadband Russia & CIS Summit" (Moscow, Russia, 2004), заседаниях кафедры систем коммутации и распределения информации СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 63 опубликованных работах, в том числе в трех монографиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации – 319 страниц, включая 241 формулу, 119 рисунков, 22 таблицы, 15 страниц списка литературы из 219 наименований. Основная часть диссертации содержит 267 страниц текста.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, кратко изложено содержание диссертационной работы по главам, сформулированы положения, касающиеся научной новизны и практической ценности проведенных исследований.
Первая глава посвящена анализу характеристик местных телефонных сетей, существенных с точки зрения перехода к NGN. Местные телефонные сети выбраны в качестве объекта исследования по двум причинам. Во-первых, при переходе к NGN наиболее сложные задачи, которые необходимо решить для разработки рекомендаций по обеспечению требуемого качества обслуживания трафика, возникают именно в местных сетях. Во-вторых, новые структуры сети интересны именно на уровне местной связи. Более того, основные изменения произойдут в сети доступа – нижнем уровне иерархии телекоммуникационной системы. Существенно то, что NGN рассчитана на обслуживание трафика речи, данных и видео. Такой подход известен по термину "Triple-play services". Он подразумевает значительное повышение скорости обмена информацией через сеть доступа.
При разработке принципов модернизации местных телефонных сетей был выбран подход, который основан на логической цепочке: стратегия – сценарий – вариант. Под стратегией понимается совокупность базовых решений, которые определяют способ модернизации сети. В частности, на предыдущем этапе развития ГТС и СТС рассматривались пять основных стратегий: выделенная сеть (dedicated network), наложенная сеть (overlay network), метод замещения коммутационных станций (exchanges substitution), "цифровые острова" (digital islands), метод "бульдозера" (bulldozer). Сценарий определяет направление практической реализации выбранной стратегии. Примером первого сценария для метода замещения коммутационных станций могут служить решения без изменения структуры местной телефонной сети при установке цифровой коммутационной станции взамен старой электромеханической АТС. Второй сценарий подразумевает ревизию принципов, которые были приняты ранее в процессе проектирования электромеханической АТС. Для каждого сценария целесообразно рассматривать несколько вариантов практической реализации.
В результате анализа возможных стратегий перехода к NGN предложен подход, основанный на "преимуществе отстающего". Суть данного подхода состоит в том, что переход к NGN следует начать до завершения цикла цифровизации ТФОП. С этой целью необходимо провести ряд исследований. В случае реализации подхода, который основан на "преимуществе отстающего", можно ускорить развитие национальной инфокоммуникационной системы.
Эффективность сети следующего поколения зависит от многих факторов, которые целесообразно разделить на две большие группы. В первую группу входят системно-сетевые решения, которые получены в процессе исследований NGN как новой концепции модернизации инфокоммуникационной системы. Вторая группа факторов включает ряд системно-сетевых решений, принятых много лет назад, но существенно влияющих на возможности NGN.
На первом рисунке внимание акцентируется на четырех системно-сетевых решениях по построению ТФОП, которые (в разное время) были приняты с отклонениями от международных стандартов и норм. Эти отклонения для каждого 
решения можно оценить с помощью повышения затрат – 
. Их удобно вычислять в расчете на порт коммутационной станции или на одну абонентскую линию. В ряде случаев целесообразно вводить безразмерную величину – 
, которая определяет долю повышения затрат на порт АТС или на абонентскую линию.
Рис. 1. Дополнительные затраты на порт коммутационной станции
Наибольшее увеличение величины 
, определяемое четырьмя слагаемыми (
), связано с цифровизацией ГТС и СТС, то есть со значением 
. Данный факт объясняется тем, что был выбран сценарий без изменения структуры местной телефонной сети. Операторы других стран пошли по пути существенного увеличения емкости устанавливаемых цифровых АТС и использования выносных концентраторов. По официальным данным на 2005 год средняя емкость местной коммутационной станции в России составляла 1016 номеров. В Японии, Китае и Словакии эта же величина, оцениваемая в разное время, представлена такими данными: 7611, 12588 и 21429 номеров. Различие в трех последних оценках объясняется тем, что величина оптимальной емкости АТС (вследствие развития технологий передачи и коммутации) смещалась со временем в большую сторону, а перечисленные страны в разное время начали модернизацию национальных ТФОП.
На основании ряда теоретических положений получено выражение, которое позволяет оценить стоимость порта цифровой АТС или (в случае использования выносных модулей) ее концентратора емкостью 
абонентских линий – 
двумя слагаемыми, определяющими затраты на оборудование коммутации и транспортные ресурсы:
. (1)
В этой формуле коэффициенты 
и 
определяются на основе данных из конкретных проектов по установке цифровых АТС. Полученное выражение позволяет получить оценку для оптимальной емкости коммутационной станции или ее выносного концентратора – 
:
. (2)
Другая тенденция, определяющая повышение емкости устанавливаемых АТС, связана с затратами Оператора на замену версий программного обеспечения. Судя по анализу экономических показателей, именно этот фактор стимулирует применение АТС большой емкости. Заметные различия средней емкости эксплуатируемых АТС в России и в других странах повышают уровень 
на десятки процентов.
Сложившаяся ситуация объясняется, главным образом, отсутствием научно обоснованной методики планирования цифровых ГТС и СТС. Такое положение связано с рядом причин объективного и субъективного характера. Поскольку при переходе к NGN не удается полностью устранить все ранее допущенные ошибки, основную задачу построения NGN целесообразно сформулировать в простой форме: 
.
Совокупность ограничений, влияющих на выбор плана модернизации ГТС или СТС, состоит из большого числа атрибутов. Основная часть этих атрибутов хорошо известна из теории и практики построения сетей электросвязи. При создании NGN следует учесть ряд новых ограничений, анализ которых не был актуален до перехода к пакетным технологиям коммутации. Они связаны с теми дополнительными задержками, которые вносятся в тракт обмена информацией. Известно, что для комфортного телефонного разговора время задержки сигнала не должно превышать некоторую величину – 
, рекомендуемую как 150 мс. В сети с коммутацией каналов задержка процесса передачи информации определяется двумя величинами: временем распространения сигнала – 
и суммарной длительностью пребывания сигнала во всех АТС и транзитных узлах, которые использованы для организации связи между терминалами пользователей, – 
. Разницу 
целесообразно рассматривать как запас, который можно использовать без ущерба для качества телефонной связи. Именно телефонная связь приносит Оператору ТФОП наиболее существенную долю доходов. Поэтому качество речи имеет особое значение с точки зрения конкурентоспособности Оператора.
В терминах теории управления запасами ТФОП может рассматриваться как система, для исследования которой подходит однопродуктовая модель. Для каждого сеанса связи запас – это время, то есть невосполнимый продукт. Это означает, что интенсивность поставок равна нулю. Интенсивность спроса целесообразно определить для типичных соединений между терминалами с учетом величин 
и 
. Для каждого типового соединения задано среднее значение 
, которое можно считать постоянным (дисперсия этой величины практически равна нулю). Тогда решение задачи заключается в определении характеристик случайной величины 
. При анализе этих характеристик следует учитывать, что превышение заранее установленных порогов задержки IP пакетов связано со штрафами, предусмотренными соглашением об уровне обслуживания – SLA (Service Level Agreement).
Для разумного управления запасом необходим анализ процессов обмена IP пакетами в NGN. Данный процесс может быть формализован с помощью моделей телетрафика. Исследование этих моделей требует разработки ряда новых методов расчета вероятностно-временных характеристик сложных СМО.
Первая глава написана на основании публикаций автора [1, 2, 3, 5, 7, 10, 11, 17, 20, 28, 33, 40, 45, 59].
Во второй главе основное внимание уделено разработке методов расчета тех характеристик СМО, которые интересны с точки зрения показателей качества обслуживания трафика в NGN, нормируемых МСЭ и ETSI. Среди этих показателей выделен квантиль функции распределения времени задержки IP пакетов, который нормируется в точке 0,999. Исследование поведения СМО в подобных случаях связано с выводом выражений для функций распределения времени задержки заявок. Расчеты математического ожидания длительности задержки IP пакетов и вероятности их потери осуществляются на основании известных выражений.
Один из возможных вариантов функционирования NGN основан на обслуживании и передаче пакетов без приоритетов. Даже если всеми участниками инфокоммуникационного рынка будет принято решение о введении системы приоритетов (в частности, для трафика речи), то результаты исследования СМО без приоритетов останутся полезными. Дело в том, что ряд формул для расчета СМО с приоритетами основан на выражениях, которые получены при исследовании моделей с обслуживанием заявок в порядке их поступления без каких-либо преимуществ.
Среди моделей такого рода практический интерес представляют СМО, которые в классификации Кендалла-Башарина представимы в следующем виде: 
. Предположение о простейшем потоке вызовов для трафика речи обычно не вызывает сомнений. Для трафика данных, судя по результатам последних исследований, такая гипотеза не всегда выглядит обоснованной. Для времени обслуживания часто вводятся два предположения. Либо оно постоянно, либо распределено по экспоненциальному закону. Эти гипотезы позволяют получить верхнюю и нижнюю границы ряда характеристик для многих СМО. Кроме того, при таких допущениях можно получить аналитические выражения для функции распределения времени задержки заявок в СМО. Такой подход представляется приемлемым не во всех случаях.
Для ряда практических задач распределение времени обслуживания заявок определяется по статистическим данным, которые обычно представимы гистограммой. Традиционный метод исследования СМО основан на том, что полученная ступенчатая функция распределения времени обслуживания заявок заменяется непрерывной кривой. Параметры этой кривой обычно определяются методом наименьших квадратов. К каким ошибкам может привести замена ступенчатой функции распределения заранее неизвестно. В диссертационной работе показано, что эти ошибки могут быть весьма существенны. В частности, при большой загрузке СМО относительная ошибка в расчете математического ожидания времени задержки заявок – 
при аппроксимации длительности обслуживания экспоненциальным законом оценивается по такой формуле:
. (3)
Величина 
– коэффициент вариации длительности обслуживания заявок в СМО. При расчете функции распределения времени задержки заявок в СМО – 
ошибка возрастает. По этой причине практический интерес представляет вывод формулы для расчета 
при сохранении исходной формы функции распределения времени обслуживания заявок. Для системы 
(символ 
принято использовать для обозначения ступенчатой функции распределения) такая формула известна.
Ступенчатая функция распределения времени обслуживания заявок – 
позволяет адекватно описать процесс передачи пакетов переменной длины. В ряде случаев допускается аппроксимация функции 
непрерывной кривой, но закон распределения не похож на экспоненциальный. В частности, большой интерес представляют три модели, в которых 
имеет такие распределения: Эрланга 
порядка, равномерное на отрезке 
, экспоненциальное после постоянной задержки. Для этих трех законов распределения получены формулы для расчета функции 
.
Для больших значений времени (при пятикратном превышении средней величины длительности обслуживания) функцию 
можно вычислять по приближенной формуле. Выражения для расчета по приближенным формулам получены на основании разложения Хевисайда. Оно оперирует преобразованиями Лапласа-Стилтьеса функций 
– 
и 
– 
. Показано, что оценка распределения 
может осуществляться по формуле следующего вида:
. (4)
В формуле (4) 
– абсолютная величина минимального по модулю корня уравнения 
. Корень 
, за исключением СМО вида 
и 
для 
и 4 определяется численно. По этой причине все известные аппроксимации, оценивающие этот корень аналитически через параметры 
, 
и 
, ведут к большим ошибкам, которые особенно ощутимы с ростом 
. Это иллюстрируют графики дополнительных функций распределения времени задержки – 
. На втором рисунке показан ход кривых 
для системы вида 
при трех величинах загрузки СМО – 
, определяемой делением 
на 
.
Рис. 2. Распределение времени задержки заявок в однолинейной СМО
В рассматриваемой модели функция 
имеет три приращения в точках 
, 
и 
. Величины этих приращений составляют 0,6, 0,3 и 0,1 соответственно. По точной формуле искомое распределение построено только для 
. Две пунктирные линии иллюстрируют поведение функции 
при замене исходного ступенчатого распределения экспоненциальным законом. Для СМО вида 
при той же величине интенсивности обслуживания (
) замена закона распределения приводит к оценке функции 
сверху. Если экспонента проведена методом наименьших квадратов (
), то функция 
оценивается снизу. При этом ошибки приближения растут с увеличением 
.
В некоторых случаях предположение о простейшем входящем потоке заявок нельзя считать приемлемым. Тогда модель системы может быть представлена СМО вида 
. Для такой СМО получена приближенная формула, которая позволяет рассчитывать функцию распределения 
. Моделирование показало, что предложенное приближение позволяет оценивать функцию 
с приемлемой для практики точностью. В то же время другие аппроксимации (формула Мэрчела, восстановление распределения с помощью ряда Эджворта и другие) приводят к весьма существенным погрешностям.
Для обслуживания заявок с 
относительными приоритетами получены выражения для расчета функции распределения 
. Результаты справедливы для моделей двух видов. Первая модель в классификации Кендалла-Башарина представима СМО вида 
. Эта модель приемлема для расчета характеристик в устройствах обработки IP пакетов. В частности, для заявок первого относительного приоритета, поступающих с интенсивностью 
и обрабатываемых за время 
, выражение для 
определяется через функцию распределения длительности ожидания начала обслуживания – 
:
. (5)
Функция 
, в свою очередь, рассчитывается по формуле, в которую входит суммарная загрузка системы – 
:
. (6)
Верхний предел суммирования по 
для первого слагаемого определяется целой частью отношения 
к 
. Функция 
равна нулю при отрицательных значениях аргумента и единице при положительных. Для расчета функции 
получена такая формула:
. (7)
Для исследования процессов передачи эффективна модель с бункером на входе – 
. Бункер позволяет учесть процесс передачи служебных (синхронизирующих) IP пакетов при отсутствии полезной нагрузки.
Завершается вторая глава диссертации выводом приближенных формул для расчета функций 
в многофазных СМО. Обмен IP пакетами осуществляется через фазы двух типов (передачи и коммутации), количество которых равно 
и 
соответственно. Для подобных многофазных СМО функция распределения времени задержки заявок – 
определяется следующим образом:
. (8)
Корни 
(
), как и в формуле (4), определяются в результате решения уравнения 
. Для вычисления коэффициентов 
получена такая формула:
. (9)
На третьем рисунке показаны дополнительные функции распределения времени задержки – 
при различном числе фаз обслуживания 
, равном 
. Загрузка каждого типа фазы (
и 
) одинакова. По оси абсцисс отложено время, нормированное с помощью множителя 
, который определяет интенсивность обслуживания заявок на фазе первого типа.
Рис. 3. Дополнительные функции распределения времени задержки
заявок в многофазной системе массового обслуживания
Проведено исследование ошибок при вычислении функции распределения 
за счет использования приближенных формул для оценки 
на каждой фазе обслуживания заявок. Для тех диапазонов изменения параметров СМО, которые интересны для практики, ошибки составляют единицы процентов.
Вторая глава написана на основании публикаций автора [12, 13, 14, 15, 18, 19, 21, 39, 41, 48, 55, 56, 57].
Третья глава посвящена исследованию основных вероятностно-временных характеристик NGN. Она в значительной мере основана на результатах, полученных во второй главе диссертации. Одна из важных задач планирования сети – распределение нормы на показатели качества, определенные для сети в целом, по ее основным фрагментам. Такая задача не вызывает особых проблем при декомпозиции норм, определенных для математического ожидания времени задержки IP пакетов. Ее решение существенно усложняется при распределении норм для квантиля функции 
.
Исследование поведения квантиля функции 
в зависимости от числа фаз обслуживания (количества коммутаторов в соединении между терминалами пользователей – 
) и их загрузки – 
осуществляется путем анализа СеМО. Для трафика речи рекомендацией МСЭ Y.1541 установлена норма для разницы квантиля функции 
в точке 0,999 – 
и минимального значения времени обмена пакетами (при отсутствии очередей) – 
. На четвертом рисунке показана зависимость квантиля 
от числа фаз обслуживания и их загрузки.
Зависимость величины 
от числа фаз носит линейный характер. Определение параметров соответствующей прямой методом наименьших квадратов показало, что максимальное отклонение функции 
от кривой вида 
не превышает пяти процентов. Этот факт позволяет использовать простую процедуру распределения квантиля 
по основным фрагментам NGN.
Рис. 4. Зависимость квантиля 
от загрузки и числа фаз
Для исследования NGN, представленной в виде СеМО, необходимо определить характер потока заявок (IP пакетов), который поступает на каждую фазу обслуживания. С этой целью выполнено аналитическое исследование СеМО, которое показало, что коэффициент вариации потока заявок на входе каждой фазы – 
очень близок к единице. Если на каждой фазе расположено 
систем, то искомое выражение может быть представлено в такой форме:
. (10)
Очевидно, что для реальных значений коэффициента вариации времени обслуживания заявок (
) и загрузки СМО (
) даже при двух СМО на каждой фазе 
. Это соотношение следует считать необходимым условием для поддержки гипотезы о простейшем характере входящего потока. Близость 
к единице не является достаточным условием для подобного утверждения. Для проверки гипотезы о простейшем характере входящего потока было проведено моделирование ряда СеМО. Его результаты показали, что поток заявок на входе каждой системы в СеМО можно считать простейшим.
Нуждается в оценке ошибки и допущение о бесконечном числе мест для ожидания в очереди – четвертая позиция в классификации Кендалла-Башарина для предложенных моделей. С этой целью были исследованы ошибки, которые возникают при расчете вероятностей состояний для СМО с экспоненциальным законом распределения длительности обслуживания заявок. В первой системе число мест для ожидания равно 
, а для второй оно не ограничивается. Ошибка 
при расчете вероятности потерь, определяемой состоянием 
, при замене первой модели на СМО вида 
вычисляется так:
. (11)
В области невысоких загрузок и при разумных величинах буферной памяти (
) ошибка, обусловленная использованием модели вида 
, очень мала. Это означает, что предположение о неограниченном числе мест для ожидания начала обслуживания практически не сказывается на результатах исследований, касающихся характеристик качества обслуживания трафика в NGN.
Весьма важным вопросом для поддержки требуемых показателей качества обслуживания трафика в NGN считается оценка эффективности введения системы приоритетов. Соответствующий анализ был проведен на примере СМО вида 
, которая хорошо описывает процесс обработки IP пакетов за постоянное время 
. При обслуживании заявок без приоритета дисперсия – 
и коэффициент вариации времени их задержки – 
определяются следующим образом:
, (12)
. (13)
Величина 
– в общем случае – определяет загрузку системы заявками 
приоритета. При обслуживании без приоритетов сумма 
может быть заменена величиной 
– суммарной загрузкой СМО. Дисперсия и коэффициент вариации длительности задержки заявок первого относительного приоритета могут быть определены по таким формулам:
, (14)
. (15)
Величина 
равна времени обслуживания заявок первого относительного приоритета. Очевидно, что процесс обработки IP пакетов в коммутаторах будет идентичным, то есть 
. Для сравнения эффективности приоритетного обслуживания заявок можно рассмотреть частный случай функционирования NGN, когда 
. На пятом и шестом рисунках приведены графики исследуемых характеристик СМО. Оба графика иллюстрируют весьма высокую эффективность приоритетной дисциплины обслуживания заявок, которая проявляется при росте загрузки СМО. Очевидно, что дисперсия заявок второго относительного приоритета будет расти. Этот факт не представляется существенным, так как для трафика данных (которому и назначается второй приоритет) дисперсия задержки IP пакетов не влияет на показатели качества обслуживания.
| Рис. 5. Дисперсия времени задержки заявок для двух алгоритмов их обслуживания | Рис. 6. Коэффициент вариации времени задержки заявок для двух алгоритмов их обслуживания |
В последние годы возрос интерес к фрактальным процессам, позволяющим лучше исследовать работу сетей передачи данных. С точки зрения качества телефонной связи фрактальные свойства трафика данных существенны по той причине, что соответствующие пакеты будут с высокой вероятностью "вклиниваться" в очередь на обработку и передачу. Если бы в NGN использовались абсолютные приоритеты, то трафик данных не влиял бы на качество телефонной связи. Обслуживание с относительными приоритетами требует оценки влияния фрактальных свойств трафика данных на задержку IP пакетов, относящихся к передаче речи.
При любых проявлениях фрактальности периоды занятости чередуются с периодами свободности. Поэтому верхней границей влияния фрактальных свойств может стать модель с бункером на входе.
Для количественной оценки влияния трафика данных на характеристики качества обслуживания телефонного трафика вполне достаточно исследовать функцию распределения длительности ожидания заявок в очереди – 
. Величины 
и 
определяют значения интенсивности потока заявок первого и второго приоритетов соответственно, то есть IP пакетов трафика речи и данных. Величины 
и 
соответствуют значениям длительности обработки заявок первого и второго приоритетов. Для модели с бункером на входе интенсивность 
определяется так:
. (16)
Функцию распределения длительности ожидания заявок в очереди можно получить в следующем виде:
. (17)
Обозначение 
используется для указания на тот факт, что учитываются только положительные значения аргумента. Во всех остальных случаях второй член в квадратных скобках формулы (17) равен нулю. Функция 
вычисляется по такой формуле:
. (18)
Верхний предел суммирования устанавливается как целая часть отношения величин 
и 
.
На седьмом рисунке показано изменение квантиля исследуемой функции – 
. Величина 
варьируется в диапазоне от 0 до 
. По оси абсцисс указана величина 
, которая определяется отношением 
.
Рис. 7. Влияние времени передачи IP пакетов с данными на
квантиль функции распределения времени ожидания 
Очевидно, что введение приоритетного обслуживания позволяет избежать заметного влияния трафика данных на телефонную нагрузку, включая также те его последствия, которые порождаются фрактальными свойствами. Достаточно лишь ограничить длину пакета разумной величиной, что вполне приемлемо для обслуживания трафика данных.
Завершается третья глава разделом, в котором содержится предлагаемая методика расчета пропускной способности NGN. Каждый 
показатель качества обслуживания трафика позволяет рассчитать величину требуемой пропускной способности элемента сети – 
по формулам, приведенным во второй и третьей главах диссертации. Очевидно, что окончательный выбор пропускной способности рассматриваемого элемента NGN определяется так: 
.
Третья глава диссертационной работы написана на основании публикаций автора [3, 8, 9, 16, 29, 42, 44, 47, 51, 58, 62].
В четвертой главе основной акцент сделан на модернизации сети доступа – одного из важнейших фрагментов телекоммуникационной системы. В первую очередь необходимо уяснить требования разных групп пользователей к услугам, определяющим принципы построения сети доступа, ее пропускную способность и ряд других атрибутов. Современному этапу развития инфокоммуникационной системы свойственны радикальные изменения, которые сложно прогнозировать.
Метод прогнозирования основных требований к NGN может быть основан на сочетании двух формализованных и одного интуитивного методов. Первый метод основан на выборе прогностической кривой. Соответствующая процедура подразумевает перебор вероятных трендов, параметры которых определяются с помощью метода наименьших квадратов. Выбранная кривая считается удачной, если она позволяет достоверно оценивать поведение исследуемого процесса в прошлом. Такая проверка получила название "прогнозирование прошлого".
Второй метод основан на постоянном мониторинге исследуемого процесса. Он позволяет установить возможное изменение выявленного тренда. Подобные изменения обусловлены рядом тенденций развития инфокоммуникационного рынка.
В качестве интуитивного метода прогнозирования для исследуемого процесса предложен способ, основанный на анализе аналогичных тенденций, которые известны для развитых стран. Такой подход был апробирован при разработке ряда прогнозов и показал свою эффективность. Он базируется на гипотезе о том, что в каждой сети исследуемый процесс повторяется с тремя отличиями, которые можно выразить с помощью таких терминов: "амплитуда" (уровень насыщения), "частота" (скорость развития) и "фаза" (задержка начала предоставления услуги или внедрения технологии). Эти три параметра могут быть получены методом Делфи или иным экспертным способом.
В частности, для ряда новых услуг в российской инфокоммуникационной системе прогностическая кривая – 
по такой же зависимости для аналога – 
может быть представлена в следующей форме:
. (19)
Для вычисления функции 
необходимо знать ряд значений душевого валового внутреннего продукта. Для аналога эта величина – 
берется в момент времени 
, определяющий появление услуги на соответствующем рынке. Для России этот показатель – 
определяется в такой же точке – 
. Величина 
равна среднему тарифу, установленному Оператором, сеть которого выбрана в качестве аналога. Тариф, который предполагается установить в прогнозируемой сети, обозначен как 
. Коэффициент 
позволяет учесть специфические особенности телекоммуникационной системы России. Для большей части прогнозов можно считать, что 
. Известные данные для аналога позволяют оценить время "задержки внедрения" услуги на рынке России – 
.
Неопределенность спроса на новые виды услуг предопределена теми процессами, которые начали менять облик инфокоммуникационной системы в начале XXI века. Эти изменения указаны в последней строке первой таблицы. Они входят в состав циклов, свойственных истории развития телефонии.
Таблица 1. Цикличность в развитии системы телефонной связи
| Существенные этапы эволюции телефонии | Время |
| Появление телефонной связи – ручная коммутация | 80-е годы XIX века |
| Переход к автоматической коммутации | 20-е годы XX века |
| Коммутация на основе программного управления | 60-е годы XX века |
| Коммутация (и передача) пакетов | Начало XXI века |
Сорокалетние циклы, приведенные в этой таблице, подобны "длинным волнам" Н.Д. Кондратьева. Цикличность процессов радикальной модернизации системы телефонной связи свидетельствует, что концепция NGN предопределит характер развития инфокоммуникаций на длительный период времени.
Для разработки принципов модернизации сети доступа использован подход, который предусматривает выделение двух уровней иерархии. Нижний уровень формирует транспортную (первичную), а верхний – коммутируемую (вторичную) сеть. На восьмом рисунке показан фрагмент транспортной сети доступа с тринадцатью узлами. Нулевой узел соответствует главному элементу сети доступа. Территория рассматриваемого фрагмента покрыта координатной сеткой. Задача заключается в выборе оптимальной структуры транспортной сети, состоящей из совокупности колец. Сплошными линиями на рисунке указаны существующие трассы кабельной канализации. Символ 
указывает на тот факт, что строительство кабельной канализации невозможно. С учетом решений, которые были приняты ранее при строительстве кабельной канализации, количество вариантов формирования транспортной сети доступа ограничено.
Рис. 8. Фрагмент транспортной сети доступа
Задача поиска структуры сети, которая будет оптимальной с учетом перспективных требований, может быть сведена к перебору всех возможных вариантов. Для ее решения весьма эффективен "Метод северо-западного угла". Он аналогичен методу, применяемому для решения транспортных задач.
Кольцевая структура повышает надежность только той части сети доступа, которая расположена между кроссом и распределительным шкафом. Более важная задача для планирования транспортной сети доступа обусловлена требованиями высокой надежности для конечного пользователя. Она стала актуальной при заключении соглашений об уровне обслуживания. Для ее решения предложен способ резервирования за счет применения технологий беспроводного доступа с динамичным распределением транспортных ресурсов.
Из 
абонентов, обслуживаемых одной сетью доступа, лишь некоторая их часть – 
заключает с Оператором соглашение SLA (
). Для каждого 
клиента, заключившего с Оператором соглашения SLA 
, известны необходимые резервные транспортные ресурсы – 
. В любой сети доступа можно выделить 
магистральных участков. Очевидно, что 
. Величина 
определяет резервную пропускную способность, необходимую пользователям, которые расположены на территории 
магистрального участка 
. Введем функцию 
, равную единице, когда 
пользователь расположен в границах 
магистрального участка. В противном случае 
. Величины 
рассчитываются таким образом:
. (20)
Границы магистральных участков сети доступа и секторов обслуживания системы беспроводного доступа, число которых равно 
, как правило, не совпадают – девятый рисунок.
Рис. 9. Пример резервирования транспортных ресурсов
На практике справедливо такое неравенство: 
. Это означает, что в границах каждого сектора "размещается" несколько магистральных участков. Их целесообразно ранжировать для каждого из 
секторов 
, выделив по два магистральных участка, которые требуют максимальных транспортных ресурсов – 
и 
. Время восстановления магистрального кабеля весьма существенно. По этой причине нельзя игнорировать ситуации, при которых система беспроводного доступа будет обслуживать терминалы, включенные в два магистральных кабеля. Вероятностью отказа трех и более магистральных участков можно пренебречь. Значение пропускной способности 
сектора – 
вычисляется по такой формуле:
. (21)
Возможность модернизации коммутируемой сети также ограничена из-за решений, принятых при построении сетей доступа, которые ориентировались на потребности ТФОП. Задачи по размещению выносных модулей (например, мультисервисных абонентских концентраторов) могут быть решены методом перебора всех возможных вариантов. Это допустимо, поскольку количество возможных вариантов – 
сравнительно невелико (
). Как правило, выносные модули будут размещаться в тех местах, где ранее располагались распределительные шкафы.
В диссертации разработаны алгоритмы для планирования транспортной и коммутируемой сетей доступа. Эти алгоритмы позволяют упростить процесс планирования NGN. Их цель заключается в том, чтобы предоставить лицу, принимающему решение, набор приемлемых вариантов модернизации сети доступа вместе с анализом их основных технико-экономических характеристик.
Четвертая глава написана на основании публикаций автора [22, 23, 30, 31, 32, 43, 49, 50, 52, 53, 60, 61, 63].
Пятая глава диссертационной работы посвящена исследованию стратегий и сценариев модернизации местных телефонных сетей, которые приводят к формированию NGN. Вопросы, касающиеся сетей доступа, рассмотрены в предыдущей главе. По этой причине основное внимание уделяется аспектам межстанционной связи.
Выбор сценария модернизации ГТС или СТС осуществляется с учетом допустимой задержки при обмене IP пакетами. В пределах одной местной сети следует ограничить число переходов с одной технологии коммутации на другую. Это ограничение целесообразно сформулировать как возможность использования только одного IP домена в составе местной сети. На десятом рисунке показаны принципы реализации такого решения при модернизации районированной ГТС. В верхней плоскости иллюстрируются изменения в сети сигнализации. Процессы замены АТС отображены в нижней плоскости.
Рис. 10. Формирование NGN при модернизации районированной ГТС
Четыре мультисервисных абонентских концентратора (МАК), заменившие АТС3 и АТС4, включены в сеть IP, которая поддерживает заданные показатели качества обслуживания – QoS (Quality of Service). Между терминалами, которые включены в любой из четырех МАК, информация передается в форме пакетов без преобразования технологии коммутации. Терминалы, включенные во все АТС, которые остались в эксплуатации, также обмениваются информацией без преобразования технологии коммутации. Шлюз MG (Media Gateway) необходим для преобразования информационных потоков при взаимодействии терминалов, подключенных к устройствам распределения информации, которые используют разные технологии коммутации.
Любая АТС может рассматриваться как пункт сигнализации – SP (Signalling Point). В левой части верхней плоскости девятого рисунка показаны связи всех SP по принципу "каждый с каждым". В правой части отражены изменения для первого этапа создания NGN. Функции управления в NGN выполняет коммутатор Softswitch. Он взаимодействует с SP непосредственно, если тот поддерживает систему общеканальной сигнализации. В противном случае (для связи с SP1) необходим шлюз сигнализации – SG (Signalling Gateway).
В диссертации исследованы все типовые структуры ГТС и СТС. Для них предложены сценарии развития, приводящие к построению NGN. Эти решения развивают идеи стратегии "наложенная сеть", которые были апробированы при цифровизации ГТС и СТС. Анализ этого процесса выявил сложную проблему, которая связана с быстрым формированием платежеспособного спроса на новые виды обслуживания у малочисленных групп потенциальных клиентов. Обычно такие группы размещаются неравномерно по территории города, но они возникают в зоне действия практически всех АТС местной телефонной сети.
Для удовлетворения спроса малочисленных групп предложен подход к модернизации ГТС, который назван прагматическим. Пример его реализации показан на одиннадцатом рисунке.
Рис. 11. Прагматический подход к построению NGN
Рядом с каждой АТС устанавливается один концентратор МАК. Его сопряжение с цифровой коммутационной станцией (в частности, с АТС1) осуществляется по стандартному интерфейсу V5.2. Для взаимодействия с АТС2 (предполагается, что она относится к поколению аналоговых коммутационных станций) должен устанавливаться конвертор. Каждый МАК является и выносным модулем АТС, и компонентом NGN. С этой целью он включается, помимо АТС, в сеть IP, которая обеспечивает поддержку заданных показателей качества обслуживания для мультисервисного трафика.
На начальном этапе реализации прагматического подхода к созданию NGN (момент времени 
) справедливо следующее неравенство: 
. Для современной АТС при достижении некоторого момента времени 
следует ожидать стабилизацию соотношения численности абонентов, включенных в АТС и в МАК. Вероятно, неравенство, приведенное выше, изменится так: 
. К моменту времени 
АТС придется вывести из эксплуатации из-за их морального или физического старения. Тогда величина 
скачком увеличится до значения 
. Эта емкость может быть распределена по нескольким концентраторам в соответствии с принципами планирования сети доступа, изложенными в четвертой главе диссертационной работы.
Выбор сценария для построения NGN может осуществляться различными способами. Один из эффективных методов выбора – анализ ряда кривых чистой текущей стоимости (
), сопровождаемый исследованием многоугольников конкурентоспособности. В диссертации этот метод дополнен учетом важной характеристики многих исследуемых параметров – дисперсией их оценок. При наличии достоверных данных целесообразно анализировать также и размах распределения. На двенадцатом рисунке показаны два многоугольника конкурентоспособности, для которых оцениваются четыре параметра, обозначенные как 
.
Рис. 12. Пример построения многоугольников конкурентоспособности
Для первого многоугольника существенный разброс свойственен параметру 
, а для второго – 
. Все линии, инцидентные соответствующим вершинам обоих многоугольников, изображены пунктиром. Средняя площадь многоугольников (
и 
) обычно служит критерием выбора оптимального решения: чем она больше, тем вариант лучше. Значение 
можно (в редких случаях) присвоить перспективному уровню 
показателя. Обычно справедливо неравенство 
.
В результате анализа сценариев развития инфокоммуникационной системы, образующих множество 
, выбирается решение – 
, для которого площадь многоугольника – 
максимальна:
. (22)
Для ряда показателей (
и 
на одиннадцатом рисунке), которые могут варьироваться, целесообразно определять размах – 
и дисперсию – 
. Площадь многоугольников должна вычисляться с учетом размаха 
. Это означает, что для каждого 
многоугольника целесообразно вычислить несколько значений – 
. Для рассматриваемого примера 
. Не исключено, что ранжирование значений 
приведет к тому, что критерий (22) не будет полезным. Например, при 
сложно определить предпочтения следующих видов:
, 
. (23)
Выбор должен быть сделан лицом, принимающим решение. Для упрощения принятия решения целесообразно – в дополнение к определению значений 
– вычислить дисперсию исследуемой величины – 
, учитывая все оцениваемые показатели, которые образуют множество 
:
. (24)
Тогда при равенстве или близости величин 
предпочтительнее становится тот сценарий, для которого характерна минимальная дисперсия оцениваемого показателя – 
:
. (25)
Кроме построения многоугольников конкурентоспособности исследование различных сценариев или вариантов перехода к NGN может быть основано на экспертных оценках. Опрос, проведенный по методу Делфи, показал, что большинство экспертов отдают преимущество прагматическому подходу к созданию NGN. Такое решение хорошо согласуется с выводами, которые определяются историей цифровизации местных телефонных сетей.
Пятая глава диссертационной работы написана на основании публикаций автора [3, 4, 6, 24, 25, 26, 27, 34, 34, 35, 36, 37, 38, 46, 54].
В заключении сформулированы основные результаты, которые получены в процессе проведенных исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующим положениям.
1. При модернизации российской телефонной сети был допущен ряд ошибок, самой существенной из которых следует считать отказ от использования коммутационных станций большой емкости. Применение коммутационных станций малой и средней емкости увеличило капитальные затраты и эксплуатационные расходы Оператора. Одна из основных причин отказа от применения цифровых коммутационных станций большой емкости – отсутствие научно обоснованной методики расчета местных телефонных сетей. Задача перехода к NGN сформулирована как минимизация ошибок, которые были накоплены на предшествующих этапах модернизации системы телефонной связи. Оценка ошибок основана на расчете величины дополнительных затрат или их доли относительно оптимального варианта построения сети.
2. Для решения практических задач по модернизации эксплуатируемых телефонных сетей предложен методологический подход, который базируется на понимании конечной цели формирования NGN. Он основан на иерархической цепочке: стратегия – сценарий – вариант. Переход к NGN рассматривается как возможность существенного сокращения отставания от уровня развитых стран в области построения инфокоммуникационной системы. Эту возможность предложено реализовать за счет "преимущества отстающего". С этой целью определены принципы создания NGN, которые основаны на замене АТС электромеханического типа оборудованием пакетной коммутации.
3. Предложен ряд сценариев по формированию NGN как результат модернизации местной телефонной сети. Показано, что развитие системы телефонной связи необходимо осуществлять таким образом, чтобы обеспечивалась возможность поддержки обслуживания вида "Triple-play services" – речь, данные и видео. Разработаны модели для модернизации существующей системы телефонной связи в виде двух плоскостей – сигнализации и коммутации. Применение таких моделей позволяет разделить задачи исследования IP сети и системы сигнализации, что упрощает анализ характеристик NGN.
4. Показано, что выбор рационального сценария модернизации местной телефонной сети предполагает анализ кривых чистой текущей стоимости – 
или им подобных характеристик. При исследовании многоугольников конкурентоспособности предложено учитывать не только средние значения основных показателей предлагаемых решений, но и их дисперсии. Анализ подобных характеристик – необходимый этап подготовки полноценной информации для лица, принимающего решение. Разработана прагматическая стратегия перехода к NGN, позволяющая предоставить современные виды обслуживания тем пользователям местной телефонной сети, которые готовы оплачивать новые функциональные возможности. При реализации такой стратегии перехода к NGN минимизируется риск Оператора, связанный с потерей той части клиентов, которые приносят ему существенные доходы.
5. Разработан метод прогнозирования основных требований к NGN. Рекомендуется сочетание двух формализованных и одного интуитивного методов. Первый из них основан на выборе прогностической кривой с помощью метода наименьших квадратов. При этом желательно проверить свойства выбранной кривой "прогнозированием прошлого". Второй метод основан на мониторинге исследуемого процесса, что позволяет установить возможное изменение характера тренда, выявленного с помощью первого метода. Подобные изменения обусловлены современными тенденциями развития инфокоммуникационного рынка. В качестве интуитивного метода для исследуемого процесса предложен способ, основанный на анализе аналогичных тенденций, которые известны для развитых стран. Такой подход был апробирован при разработке ряда прогнозов и доказал свою эффективность. Он базируется на гипотезе о том, что в каждой сети исследуемый процесс повторяется с теми отличиями, которые можно выразить с помощью трех терминов: "амплитуда" (уровень насыщения), "частота" (скорость развития) и "фаза" (задержка начала предоставления услуги или внедрения технологии).
6. Установлена цикличность появления новых технологий, радикально меняющих облик всей инфокоммуникационной системы. Показано, что эти циклы подобны "длинным волнам" Н.Д. Кондратьева. С этой точки зрения концепцию NGN следует рассматривать как важное направление модернизации телефонной сети, рассчитанное на длительный период.
7. Проанализированы принципы модернизации сетей доступа. Разработаны рекомендации, которые позволяют эффективно модернизировать сети доступа вне зависимости от используемых технологий обмена информацией. Разработаны методы расчета транспортной сети, ориентированные на решение проектных задач. Показано, что для решения подобных задач могут быть использованы алгоритмы перебора всех возможных вариантов. В ряде случаев разумные ограничения вводятся за счет применения эвристических методов. Разработан алгоритм выбора кольца транспортной сети, к которому следует подключать новых пользователей. Место и время их появления, как правило, невозможно определить заранее.
8. Предложен метод расчета резервных транспортных ресурсов, которые предоставляются системой беспроводного доступа для пользователей, готовых заключить с Оператором соглашение об уровне обслуживания. Метод расчета позволяет определить необходимую пропускную способность для системы беспроводного доступа в зависимости от характера размещения пользователей в границах пристанционного участка, а также вероятности отказа основного и резервного пути обмена информацией.
9. Разработан метод декомпозиции показателей качества обслуживания по фрагментам и элементам NGN. Результаты этой декомпозиции позволяют провести исследование вероятностно-временных характеристик фрагментов и элементов IP сети. Полученные численные значения показателей качества обслуживания по фрагментам и элементам NGN могут использоваться для составления технических требований к оборудованию пакетной коммутации.
10. Предложена и обоснована математическая модель тракта обмена IP пакетами в NGN. Установлено, что гипотеза о пуассоновском входящем потоке заявок для трафика речи подтверждается теоретическими выкладками и результатами измерений. Предположение о бесконечной емкости буферного накопителя в области реальных величин загрузки системы приводит к малым ошибкам в расчете вероятности потери заявок, заметно упрощая исследование вероятностно-временных характеристик NGN.
11. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать функции распределения длительности задержки IP пакетов при различных дисциплинах их обслуживания (без преимущества и с приоритетами). Для больших значений времени предложены приближенные выражения, для которых ошибка в расчете искомых функций не превышает нескольких процентов. Получены аналитические соотношения для анализа систем массового обслуживания общего вида, в которых законы распределения времени обработки заявок и интервалов между заявками представимы ступенчатыми функциями. Показано, что использование этого метода позволяет существенно повысить точность вычисления всех вероятностно-временных характеристик в системах массового обслуживания. Проведена оценка тех ошибок в расчете искомых характеристик, которые обусловлены заменой ступенчатых функций непрерывными. Разработан метод получения функции распределения длительности задержки пакетов в IP сети, состоящей из любого числа коммутаторов. Ошибки в оценке функции распределения не превышают десяти процентов, что вполне приемлемо для решения большинства задач, которые относятся к планированию сети. Полученные результаты применимы к ряду сетей массового обслуживания, для которых справедливы предположения о пуассоновских потоках на входе каждой системы.
12. Исследовано влияние фрактальных свойств трафика данных на характеристики качества обслуживания телефонной нагрузки. Для данного исследования была предложена модель с бункером на входе, что позволяет оценить максимальное ухудшение характеристик качества обслуживания телефонного трафика. Показано, что при введении ограничений на длину IP пакета, влияние фрактальных свойств, присущих трафику данных, на качество телефонной связи не представляется существенным.
Таким образом, в результате проведенных в диссертации исследований решена важная научно-техническая проблема, которая заключается в разработке новых методов планирования сети связи следующего поколения и расчета характеристик качества обслуживания для трафика речи.
Список публикаций, в которых отражено основное содержание работы.
Монографии
- Соколов Н.А. Эволюция местных телефонных сетей. – Издательство "Типография Книга", Пермь, 1994, 375 с.
- Соколов Н.А. Сети абонентского доступа. Принципы построения. – Пермь, "Энтер-профи", 1999, 254 с.
- Соколов Н.А. Телекоммуникационные сети. – М.: Альварес Паблишинг, 2004, 534 с.
Обзоры
- N. Sokolov. Telecommunications in Russia. – IEEE Communications Magazine, July, 1992, pp. 66 – 70.
- Dokuchaev V.A., Pshenichnikov A.P., Sokolov N.A. Digitalization of the Urban and Rural Telecommunication Networks in Russia. – IEEE Journal on Selected Areas in Communications, September 1994, Vol. 12, Number 7, pp. 1180 – 1186.
- Berlin B.Z., Sokolov N.A. Development of the Urban and Rural Transmission Networks in Russia. – IEEE Journal on Selected Areas in Communications, September 1994, Vol. 12, Number 7, pp. 1156 – 1160.
- Mikov A., Sokolov N. Evolution of telecommunications in Russia. – IEEE Communications Magazine, July, 1995, pp. 78 – 85.
- Крупнов А.Е., Соколов Н.А. Новые телекоммуникационные технологии в отрасли связи. – Электросвязь, 1995, № 11, с. 2 – 5.
- Варакин Л.Е., Соколов Н.А. Универсальная Персональная Связь. – Электросвязь, 1993, № 7, с. 4 – 6.
- Goldstain B., Sokolov N. Telecommunications in Russia. – IEEE Communications Magazine, August, 2000, pp. 106 – 111.
- Sokolov N. Some Aspects of Russian Telecommunications. – IEEE Communications Magazine, January, 2006, pp. 23 – 26.
Статьи в отраслевых научных журналах
- Соколов Н.А. Оценка пропускной способности системы общеканальной сигнализации. – Электросвязь, 1986, № 3, с. 23 – 26.
- Соколов Н.А. Оценка длительности задержки сигнальных сообщений при реализации дополнительных функций системы ОКС. – Электросвязь, 1987, № 4, с. 9 – 12.
- Соколов Н.А. Анализ звена сигнализации как приоритетной системы массового обслуживания. – В кн. "Модели систем информатики". М.: Наука, 1987, с. 107 – 113.
- Соколов Н.А. Однолинейная система массового обслуживания с равномерно распределенной длительностью обслуживания заявок. – В кн. "Модели систем информатики". М.: Наука, 1987, с. 114 – 116.
- Семенов Ю.В., Соколов Н.А. Инженерный метод оценки пропускной способности однолинейных систем. – Сборник научных трудов учебных институтов связи. Л.: ЛЭИС, 1987, с. 26 – 30.
- Соколов Н.А. Выбор структуры городской первичной сети. – Электросвязь, 1990, № 8, с. 38 – 40.
- Соколов Н.А., Ехриель И.М. Анализ однолинейной системы с ожиданием типа HD/HD/1. – В кн. "Модели и методы информационных сетей". М.: Наука, 1990, с. 10 – 13.
- Соколов Н.А. Ехриель И.М. Функция распределения длительности ожидания в системе HD/HD/1. – В кн. "Анализ систем информатики". М.: Наука, 1991, с. 27 – 30.
- Соколов Н.А. Применение цифровых коммутационных станций на СТС. – Электросвязь, 1993, № 6, с. 11 – 15.
- Sokolov N., Ekhriel I., Rerle R., Brusilovsky S. On some teletraffic model simplification. – Computer Networks and ISDN Systems, 1993, Vol. 25, №10, pp. 1165 – 1173.
- Соколов Н.А. Сети абонентского доступа: перспективы развития. – Электросвязь, 1997, №11, с. 8 –12.
- Крендзель А.В., Соколов Н.А. Сети абонентского доступа: структурные характеристики. – Электросвязь, 1997, №11, с. 13 – 15.
- Kuentzel D., Sloutski L., Sokolov N. Evolution of Telecommunication in Eastern Europe. – IEEE Communications Magazine, December, 2000, pp. 143 – 149.
- Гольдштейн Б.С., Орлов О.П., Ошев А.Т., Соколов Н.А. Цифровизация ГТС и построение мультисервисной сети. – Вестник связи, 2003, № 4, с. 58 – 62.
- Гольдштейн Б.С., Орлов О.П., Ошев А.Т., Соколов Н.А. Модернизация сетей доступа в эпоху NGN. – Вестник связи, 2003, № 6, с. 51 – 57.
- Гольдштейн Б.С., Орлов О.П., Ошев А.Т., Соколов Н.А. Эволюция услуг в сетях следующего поколения. – Вестник связи, 2003, №7, с. 48 – 53.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Мультисервисные концентраторы в сетях сельской связи. – Вестник связи, 2003, №12, с. 26 – 32.
- Соколов. Н.А. Выбор технологии коммутации для сетей следующего поколения. – Мобильные системы, №7, 2004, с. 7 – 11.
- Витченко А.И., Соколов Н.А. Оценка экономической эффективности мультисервисных абонентских концентраторов. – Вестник связи, 2004, №10, с. 38 – 43.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Мультисервисные абонентские концентраторы для функциональных возможностей "Triple-Play Services". – Вестник связи, 2005, №6, с. 42 – 48.
- Витченко А.И., Пинчук А.В., Соколов Н.А. Опыт создания NGN в ОАО "Ленсвязь". – Вестник связи, 2005, №10, с. 32 – 36.
- Соколов Н.А. Семь аспектов развития сетей доступа. – Технологии и средства связи. Специальный выпуск "Системы абонентского доступа", 2005, с. 14 – 23.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Модернизация ГТС без узлов. – Вестник связи, 2005, №12, с. 64 – 68.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Модернизация ГТС с узлами входящего сообщения. – Вестник связи, 2006, №1, с. 50 – 53.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Модернизация ГТС с узлами исходящего и входящего сообщения. – Вестник связи, 2006, №3, с. 18 – 23.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Модернизация сельских телефонных сетей. – Вестник связи, 2006, №4, с. 124 – 127.
- Пинчук А.В., Соколов Н.А. Прагматическая стратегия перехода к NGN. – Вестник связи, 2006, №6, с. 66 – 72.
Статьи в сборниках научных трудов и в трудах конференций
- Соколов Н.А. Распределение длительности задержки заявок в однолинейных системах массового обслуживания. – В кн. "Модели распределения информации и методы их анализа" (Труды Десятой Всесоюзной школы-семинара по теории телетрафика – ШСТТ-10). М.: 1988, с. 15 – 20.
- Sokolov N.A., Sokolov V.A. Application of the digital transmission and switching systems at the metropolitan area networks. Proceedings of the International Conference TELEKOMUNIKACE-88, Czechoslovakia, 1988, pp. 91 – 100.
- Соколов Н.А. Использование ступенчатых функций для анализа однолинейных систем массового обслуживания с ожиданием. – Международный семинар по теории телетрафика и компьютерному моделированию, Болгария, София, 1988, с. 76 – 87.
- Соколов Н.А. Кроссовая коммутация в цифровой телефонной сети. – Второй международный семинар по теории телетрафика и компьютерному моделированию (МСТТКМ-2). Труды семинара, Часть 2. М.: 1989, ИППИ АН СССР, с. 121 – 124.
- Sokolov N. Digital Cross Connects Application for the Future Subscriber Network. – ITC Specialists Seminar/Cracow, Poland, 1991, April 22 - 27, Vol. 2, pp. 215 – 218.
- Sokolov N. B-ISDN Network Structure Control. – Proceedings of the 7th ITC Seminar, USA, 1990, 8 p.
- Sokolov N.A. Analyza variant rozsirovani integrovanyvh digitalnich siti ISDN. Proceedings of the International Conference Telekomunikace-90, Czechoslovakia, 1990, pp. 190 – 198.
- Соколов Н.А. Перспективы развития местных телефонных сетей. – В трудах Международной научно-технической конференции "Проблемы функционирования информационных сетей", Новосибирск, 1991, с. 283 – 291.
- Соколов Н.А. Модель процесса обработки сигнальных сообщений. – Proceedings of the "3th International Seminar of Teletraffic Theory and Computer Modelling", Bulgaria, Sofia, 1991, pp. 77 – 79.
- N. Sokolov. D-Channel Teletraffic Model for the ISDN. – Proceedings of 13th International Teletraffic Congress, Copenhagen, Denmark, 1991, 7 p.
- Соколов Н.А., Рерле Р.Д. Управление емкостью пучка в цифровых кроссовых узлах. – Четвертый международный семинар по теории телетрафика и компьютерному моделированию (МСТТКМ-4). Труды семинара, 1992, с. 148 – 154.
- Sokolov N. "Geometric Models of the Transmission Networks", Vol. "B", Proc. of Symp. Telecommunications-92, Poland, 1992, pp. 91 – 99.
- Sokolov N. Transmission Networks Structure for the B-ISDN. – St. Petersburg Regional International Teletraffic Seminar "Digital Communication Network Management", 1993, Proceedings, pp. 63 – 69.
- Sokolov N. Traffic Forecasting for the Digital Overlay Networks. – International Conference "Distributed Computer Communication Networks. Theory and Application", Proceedings, November 4 – 8, 1997, Tel-Aviv (Israel), pp. 200 – 204.
- Sokolov N. Traffic forecasting and access network planning. – Proceedings of International Teletraffic Seminar “Teletraffic theory as a base for QoS: monitoring, evaluation, decision”, St. Petersburg, 1998, pp. 55 – 62.
- Соколов Н.А., Крендзель А.В. Сети доступа в начале XXI века. – Материалы VII Всероссийского научно-технического семинара "Связь в деловой сфере. Новые информационные технологии", Москва, 17 – 20 октября 2000 г., с. 129 – 134.
Тезисы докладов на конференциях
- Соколов Н.А. Об аппроксимации совокупности входящих потоков пуассоновским потоком. – Тезисы докладов XXXVIII Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио. М.: 1983, с. 123 – 124.
- Соколов Н.А. Анализ системы массового обслуживания с равномерно распределенной длительностью занятия прибора. – Тезисы докладов XLI Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио, Часть 2. М.: 1986, с. 116 – 117.
- Ольконе В.О., Соколов Н.А. Оценка вероятностно-временных характеристик D-канала в цифровых сетях с интеграцией служб. – Тезисы докладов XLIII Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио, Часть 2. М.: 1988, с. 109 – 110.
- Соколов Н.А. Ехриель И.М. Проблемы нормирования качественных показателей коммутационных станций цифровой сети интегрального обслуживания. – Тезисы докладов, XLV Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио. М.: "Радио и связь", 1990, с. 80.
- Соколов Н.А., Мазин И.Г. Структурные характеристики цифровых сетей интегрального обслуживания. – Тезисы докладов, XLV Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню Радио. М.: "Радио и связь", 1990, с. 6.
- Sokolov N., Alter A. Broadband Wireless Access and Communications Reliability Provision. – Proceedings of the Moscow International Conference "Broadband Russia & CIS Summit", Moscow, 2004, p. 139.
- Витченко А.И., Соколов Н.А. Применение мультисервисных абонентских концентраторов в сетях ОАО "Ленсвязь". – Сборник трудов второй всероссийской конференции "Абонентский доступ в сетях следующего поколения", Санкт-Петербург, 2005, с. 10 – 11.
- Соколов. Н.А. Качество обслуживания трафика в сети NGN. – в трудах Международной конференции "Развитие NGN в России. Технологии и услуги", Санкт-Петербург, 20 – 21 апреля, 2006, 10 с.
- Соколов Н.А. Применение технологии WiMAX для развития местных сетей электросвязи. – Вторая Международная конференция и выставка по беспроводным широкополосным технологиям (Wireless Broadband), Москва, 17 – 18 апреля, 2006, 4 с.
