Планирование сети доступа NGN для новых групп пользователей

Для расчёта числа пакетов, генерируемых второй группой пользователей при использовании сервисов передачи данных, необходимо задаться размером пакетов.  При построении сети NGN, как правило, на одном или нескольких участках сети на уровне звена данных используется та или иная разновидность технологии Ethernet, поэтому использовать пакеты, превышающие максимальную длину поля данных Ethernet, не имеет смысла. Очень длинный пакет рано или поздно будет фрагментирован, что приведёт, во-первых, к излишней нагрузке на коммутаторы, и, во-вторых, к возможным перезапросам в случае потерь. Кроме того, использование пакетов большого размера затрудняет обеспечение качества обслуживания и на магистральной сети, и в сети доступа. Более того, как правило, корпоративные пользователи устанавливают на границе своей сети файервол, который, иногда, ограничивает максимальный размер кадра. Поэтому для расчёта выберем одинаковые размеры пакетов и при передаче данных, и при передаче голосового трафика – полезная нагрузка 160 байт. При передаче данных вместо протоколов RTP и UDP используется TCP, вносящий точно такую же избыточность (20 байт).

Для расчёта числа пакетов в  час наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмом переданных данных. Предположим, что абоненты второй группы относятся к интернет-сёрферам, т.е. в основном просматривают веб-страницы. Средний объём данных, переданных за час при таком способе подключения, составит около V₂ = 10 Мбайт = 80 Мбит. Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

N_{2_д} = p₂· N ·V₂/h     (4.5)

где

• N_{2_д} – количество пакетов, генерируемых в час наибольшей нагрузки абонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;
• p₂ – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;
• h – размер поля данных пакета;
• N – общее число пользователей.

Суммарное число пакетов, генерируемых второй группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N₂ = N_{2_т} + N_{2_д}                               (4.6)

3. Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play)

Все рассуждения, проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьей группы, применительно  к сервисам передачи голоса, а именно:

N_{3_т} = n₁· t_{3_т}· f₃· p₃· N     (4.7)

где:

• N_{3_т} – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;
• n₁ – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании кодека G.711;
• t₃ – средняя длительность разговора в секундах;
• f₃ – число вызовов в час наибольшей нагрузки;
• p₃ – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;
• N – общее число пользователей.

Предположим, что абоненты третьей  группы относятся к «активным» пользователям  интернета, т.е., используют не только http, но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговых сетей. Объём переданных и принятых данных данных при таком использовании интернета составляет до V₃ = 100 Мбайт = 800 Мбит.

Число пакетов, переданных в ЧНН, будет  равно

N_{3_д} = p₃· N · V₃/h        (4.8)

Для расчёта числа пакетов, генерируемых пользователями видео-услуг, воспользуемся соображениями относительно размера пакета, приведёнными в предыдущем пункте. Размер пакета не должен превосходить 200 байт (вместе с накладными расходами).

Одной из наиболее перспективных и  динамически развивающихся услуг является IPTV – передача каналов телевещания с помощью протокола IP. При организации данного сервиса для каждого пользователя в транзитной сети доступа не требуется выделения индивидуальной полосы пропускания. До мультисервисного узла доходит определённое количество каналов, которые распределяются между заказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательной рассылки. Допустим, что в мультисервисной сети предоставляется возможность просмотра K_tv = 40 каналов вещания. Для обеспечения удовлетворительного качества скорость кодирования должна быть порядка 2 Мбит/с.

Итак, при скорости передачи v = 2048000 бит/с и размере полезной нагрузки пакета h = 160 байт = 1280 бит число пакетов, возникающих при трансляции одного канала, равно:

n₃ = v/h      (4.9)

n₃ = 2048000/1280 = 1600 (пакетов в секунду)

Количество пакетов, генерируемых 40 каналами в ЧНН, составит

N_{3_В} = K_tv · n₃ · t_{3_В} · 60    (4.10)

Где:

• N_{3_В} – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;
• n₃ – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG2;
• K_tv – число каналов вещания, организуемых в мультисервисной сети.
• t_{3_В} – среднее время просмотра каналов в ЧНН, мин.

Суммарное число пакетов, генерируемых третьей группой пользователей  в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N₃ = N_{3_т} + N_{3_д} + N_{3_В}    (4.11)

4. Требования к производительности мультисервисного узла доступа

Мультисервисный узел доступа должен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживания путем приоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо от используемой технологии транспортной сети доступа.

Суммарное число пакетов, которое  должен обработать мультисервисный  узел доступа, будет равно:

 

N_Σ = N₁ + N₂ + N₃ =  n₁· t₁·f₁·p₁·N + (n₁· t₂· f₂· p₂· N + p₂· N · V₂/h) +  
+ (n₁· t₃·f3·p₃· N + p₃·N ·V₃/h + K_tv·n₃ · t_{3_В}· 60)   (4.12)

 

Учитывая, что:

t₁ = t₂ = t₃ = t – средняя длительность разговора в секундах;

f₃ =  f₂ = f₁ = f – число вызовов в ЧНН;

Получим

N_Σ = n₁ · t · f ·N · (p₁ + p₂ + p₃) + N/h · ( p₂·V₂ +  p₃·V₃) + K_tv· n₃ · t_{3_В}· 60  (4.13)

Учитывая, что  p₁ + p₂ + p₃ = 1, получим

N_Σ = N · (n₁ · t_Т · f  + ( p₂·V₂ +  p₃·V₃)/h) + K_tv· n₃ · t_{3_В} · 60  (4.14)

 

При N = 4000 абонентов, n₁ = 50 пакетов в секунду, t =120 секунд, f = 5 вызовов в час, V₂ = 10 Мбайт, V₃ = 100 Мбайт, t_{3_В} = 60 минут, n₃ = 1600, p₁ = 80%, p₂ = 15%, p₃ = 5% получим:

 

N_Σ = 4000 · (50·120· 5+ (0,15· 10⁷+0,05·10⁸)/160) + 40·1600· 60· 60 = 
= 5,129·10⁸(пакетов в час)  (4.16)

Среднее число пакетов в секунду  равно 

N_{Σ_сек} = N_Σ/3600

N_{Σ_сек} = 142472(пакетов/сек).

Данный показатель позволяет оценить  требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN. Анализ приложения 1 показывает, что выбор такого маршрутизатора осуществляется из весьма ограниченного количества вариантов.

2. Требования к полосе пропускания.

Требования к полосе пропускания  определяются гарантиями качества обслуживания, предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y.1541. В частности, задержка распространения из конца в конец при передачи речи не должна превышать 100 мс, а вероятность превышения задержки порога в 50 мс не должна превосходить 0,001, т.е.

мс

p{t_p > 50 мс} ≤ 0.001

Задержка из конца в конец  складывается из следующих составляющих:

t_p = t_пакет +  t_ад + t_core + t_ад + t_буф    (4.17)

Где    t_p – время передачи пакета из конца в конец;

t_пакет – время пакетизации (зависит от типа трафика и кодека);

t_ад – время задержки при транспортировке в сети доступа;

t_core – время задержки при распространении в транзитной сети;

t_буф – время задержки в приёмном буфере.

Из таблицы 4-1 видно, что применение низкоскоростных кодеков «съедает»  основную часть бюджета задержки. Задержка в приёмном буфере также  велика, поэтому на сеть доступа  и транспортная сеть должны обеспечивать минимальную задержку.

Допустим, что задержка сети доступа  не должна превышать 5 мс. Время обработки  заголовка IP-пакета близко к постоянному. Распределение интервалов между поступлениями пакетов соответствует экспоненциальному закону. Поэтому для описания процесса, происходящего на агрегирующем маршрутизаторе, можно воспользоваться моделью M/G/1.

Для данной модели известна формула, определяющая среднее время вызова в системе (формула Полячека –  Хинчина) [21].

      (4.18)

где   – средняя длительность обслуживания одного пакета;

 – квадрат коэффициента  вариации, 0,2;

 – параметр потока, = 142472;

 – среднее время задержки  пакета в сети доступа,  = 0,005 с.

Ненулевой коэффициент вариации учитывает  возможные отклонения при использовании  в заголовках IP полей ToS. Кроме того, время обработки IP-пакета в значительной мере зависит от используемых на маршрутизаторе правил обработки.

Из формулы (4.1.1) следует зависимость  максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

       (4.19)

Данная зависимость представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4. Зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

 

Интенсивность обслуживания связана  со средним временем задержки пакета в сети доступа обратно пропорционально:

       (4.20)

Графически данная зависимость  представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Зависимость интенсивности обслуживания от времени задержки в сети доступа

 

При норме задержки = 5 мс среднее время обслуживания пакета (для рассчитанной выше пропускной способности) будет равно

(секунд)

Время t должно выбираться как минимальное из двух возможных значений. Первое значение – величина, полученная из последней формулы. Второе значение – та величина, которая определяется из условия ограничения загрузки системы – r. Обычно эта величина не должна превышать 0,5.

При среднем значении задержки в  сети доступа 5 мс коэффициент использования  равен:

     (4.21)

При таком высоком использовании  малейшие флуктуации параметров могут  привести к нестабильной работе системы. Определим параметры системы при её использовании на 50%. Средняя длительность обслуживания будет равна 

      (4.22)

(секунд)

Интенсивность обслуживания при этом

    (4.23)

А задержка в сети доступа 

(секунд)

Рассчитывать вероятность s(t)= при известных λ и τ нецелесообразно, т.к. в Y.1541 вероятность P{t>50мс} < 0.001 определена для передачи из конца в конец.

При известном среднем размере  пакета h = 200 байт получаем требуемую  полосу пропускания 

φ = β×h = 2.849×10⁵× 200= 5.699·10⁷ (байт/с) = 4.559 · 10⁸ (бит/с)  (4.25)

Данная пропускная способность  обеспечивается системами передач  не ниже STM-4.

Предположим, что в структурном составе абонентов отсутствуют «новые» группы пользователей. При этом в  вышеприведённом анализе следует опустить расчёт числа пакетов, возникающих при использовании сервисов высокоскоростной передачи данных и видеоуслуг.

Число пакетов, возникающих в ЧНН, будет равно

N_tel = n· t ·f ·N     (4.24)

где:

• N_tel – число пакетов, генерируемое всеми абонентами в час наибольшей нагрузки;
• n – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании кодека G.711;
• t – средняя длительность разговора в секундах;
• f – число вызовов в час наибольшей нагрузки;
• N – общее число пользователей.

Число пакетов в секунду:

N_{tel_сек} = N_tel/3600 = n· t ·f ·N/3600

N_{tel_сек} = 50 · 120 · 5 · 4000/3600 = 33333 (пакетов/с)

Среднее время обслуживания одного пакета при норме задержки 5 мс:

Коэффициент использования:

 

При использовании системы на 50%:

(секунд)

Требуемая пропускная способность:

φ = β×h = 6,667×10⁵×200= 1,33·10⁷ (байт/с) = 1,07·10⁸ (бит/с)

Такой концентратор можно подключать по интерфейсу 100BaseTX.

3. Выводы по главе 4

1. При планировании сети доступа необходимо учитывать «расслоение» абонентской базы.
2. При анализе сети доступа целесообразно использовать модель M/G/1.
3. В сети доступа NGN основная нагрузка создаётся пользователями услуг «triple play services». Число этих пользователей невелико, однако они приносят оператору значительный доход.

 

Заключение

В ходе дипломной работы были получены следующие основные результаты:

• Проанализированы основные модели NGN.
• Выявлены недостатки сетей следующего поколения и определены препятствия на пути к повсеместному внедрению NGN.
• Произведён анализ принципов построения сетей доступа следующего поколения.
• Разработан метод расчета пропускной способности перспективной сети доступа, поддерживающей услуги "triple-play services".
• Определены требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик сети доступа.
• Оценена пропускная способность, необходимая для удовлетворения потребностей группы абонентов, использующих услуги «triple play services».