Актуальность исследований. Способы предоставления пользователям услуг связи эволюционировали вместе с развитием телекоммуникационной и компьютерной техники. На современном этапе развития инфокоммуникационой сети — этапе конвергенцией фиксированной и мобильной связи (Fixed Mobile Convergence, FMC) [1−7], на основе существующих технологий проектируются и внедряются новые технологии, радикально отличающиеся от технологий прошлых лет. Отличие их заключается в том, что основной отправной точкой в предоставлении инфокоммуникационных услуг пользователю является уже не сеть, а сама услуга и предоставление абонентам всего перечня услуг независимо от их географического местоположения является первостепенной задачей.
Существующие сети связи способны стать базой для продвижения конвергентных услуг, основанных на объединении свойств различных сетей доступа: стандартов UTRAN, GERAN, Wi-Fi/WiMAX, DOCSIS, xDSL и др. [8−15]. На сегодняшний день вектором развития FMC стала платформа IMS (IP Multimedia Subsystem) [6, 16−21]. Однако используемые в IMS протоколы сейчас поддерживают далеко не все существующие сети доступа, и это создаёт затруднения в развитии FMC, так как переход из одной сети доступа в другую должен быть прозрачным, то есть незаметным для пользовательского устройства в процессе предоставления услуг. По этой причине остаётся нерешённой проблема высокотехнологичного доступа к конвергентным услугам [22−24], касающаяся архитектуры пользовательских терминалов и организации сетей доступа, что обосновывает актуальность данного диссертационного исследования в прикладном значении.
Создание единой инфраструктуры для всех сетей доступа и единого интерфейса доступа для всех пользовательских устройств на сегодняшний день весьма проблематично. Поэтому при решении озвученной выше проблемы следует учитывать уже имеющиеся технологии и сети доступа, в тоже время не привязываться к ним для возможности добавления новых стандартов.
Как возможный вариант такого решения учёными и специалистами широко исследуется идея адаптируемого к сетевым конфигурациям доступа, которая возникла ввиду необходимости расширения спектра предоставляемых услуг на начальном этапе цифровизации сетей связи, использующих систему сигнализации SS7 [25−28]. Полномасштабной трактовкой этой идеи сегодня в инфокоммуникационной среде стала концепция постоянного наилучшего соединения (Always Best Connected, ABC), находящаяся в стадии разработки и до сих пор не имеющая принятого стандарта [29−31].
Существенный вклад в исследование обозначенной проблемы внесли учёные нашей страны: Аджемов A.C., Башарин Г. П., Берлин А. Н., Васильев А. Б., Вишневский В. М., Волков А. Н., Гольдштейн Б. С., Гольдштейн А. Б., Гургенидзе А. Т., Данилов В. И., Дымарский Я. С., Ершов В. А., Костин A.A., Кучерявый А. Е., Кучерявый Е. А., Назаров А. Н., Нейман В. И., Олифер В. Г., Пшеничников А. П., Росляков A.B., Самуйлов К. Е., Сивере М. А., Соколов H.A., Степанов С. Н., Цитович И. И., Шнепс-Шнеппе М.А., Яновский Г. Г. и другие, а также зарубежные учёные: Chebrolu К., Fodor G., Furuskar A., Gomes J., Gustafsson E., Iversen V., Kleinrock L., Mishra R., Rao R., Venkatausbramanian N., Xing Bo.
Согласно концепции, сеть, поддерживающая постоянное наилучшее соединение — это совокупность разнородных сетей доступа, которая позволяет обеспечить доступ к услугам из любой точки мира через любую доступную сеть доступа и через любое доступное оборудование. С развитием сетей постоянного наилучшего соединения (сетей ABC) появится единая сетевая инфраструктура, представляющая собой один из решающих факторов модернизации отрасли телекоммуникаций и интеграции услуг. Потенциальная востребованность в исследовании доступа к инфокоммуникационным услугам посредством сетей постоянного наилучшего соединения очевидна и обосновывает актуальность диссертационного исследования в научном значении.
Современное оборудование и технологии транспортного участка сети Internet, такие, например, как технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy), без проблем справляются с транспортировкой данных между узлами сети, в то же время узким местом по-прежнему остаются конечные участки сети, которыми являются сети абонентского доступа. В связи с большим ростом услуг, разворачиваемых в сети Интернет, и их востребованностью нагрузка на сети доступа растёт. Как следствие, необходимым является использование сетевых ресурсов, запрашиваемых пользовательскими устройствами, поскольку это позволяет повысить суммарный объём одновременно предоставляемых услуг посредством имеющихся в наличии сетей доступа. Однако разнородная структура и разрозненность самих сетей доступа являются препятствиями на пути к эффективному и качественному предоставлению услуги. По этой причине представляется актуальным исследование моделей и методов доступа к инфокоммуникационным услугам с точки зрения эффективного использования ресурсов разнородных сетей доступа, в совокупности образующих сеть постоянного наилучшего соединения.
Состояние вопроса. Предметно о концепции постоянного наилучшего соединения впервые было сказано на Форуме Intel разработчиков и специалистов электроники, который проходил в конце февраля 2003 года в Сан-Хосе (США, Калифорния), там же прозвучало и ее англоязычное наименование — Always Best Connected (ABC) [29].
Собственные исследования, проведённые ранее и представленные в [42], подтвердили реальность идеи поддержания постоянного наилучшего соединения. Проделанный процесс разработки универсального интерфейса доступа к конвергентным услугам продемонстрировал примерный путь реализации концепции ABC в качестве технологии выбора и переключения соединений в сетях доступа. Сценарии, наглядно представляющие работу интерфейса [6, 42−43], основаны на принципах взаимодействия реальных сетевых элементов с использованием стека протоколов TCP/IP, а также специфичных для телефонии протоколов SIP-T и RTP. Это показало возможность реализации взаимодействия пользовательских терминалов с сетями ABC в рамках телефонии.
В [44−46] рассматриваются задачи управления ресурсами сетей доступа, однако по-прежнему остаются актуальными вопросы перехода пользовательского терминала из одной сети доступа в другую, сопровождающегося как сменой протоколов уровней L1-L3 (согласно модели OSI), так и сменой сетевой конфигурации, предоставляемой оператором.
В трудах [30, 31, 33−41, 44−48] представлены исследования идеи поддержания постоянного наилучшего соединения с целью эффективного и качественного предоставления инфокоммуникационных услуг.
Наиболее интересными из них являются решения о выделении ресурса сетей доступа, базирующиеся на алгоритме First Fit Decreasing (FFD) [33, 41]. Согласно [41] эксперименты показывают, что предлагаемые варианты алгоритмов выдают наиболее близкие к оптимальным результаты по энергопотреблению и пользовательским предпочтениям. Однако использование ресурсов полосы пропускания в этом решении не является лучшим, так как выделенная по запросу пользовательского устройства полоса пропускания не может быть всегда использована эффективно, то есть быть постоянно нагружена полезным трафиком на весь период её использования. В [37, 41, 47−49] и всех вышеупомянутых работах в основном акцент делается на доступ к услугам либо с позиций множества критериев пользовательских приложений и качества услуг, либо с позиций фиксированной полосы пропускания сети доступа и энергозатрат. Исследований, рассматривающих распределение ресурсов сетей доступа с позиций, учитывающих характер услуг (классы услуг), создающих соответствующую нагрузку на сеть доступа на сегодняшний день в научных публикациях нет, несмотря на то, что именно нагрузка является важнейшим показателем при решении задач управления сетью и защиты её от перегрузок, что в свою очередь и есть основополагающее в организации поддержания постоянного наилучшего соединения.
Предлагаемые исследователями модели и методы доступа к услугам посредством сетей ABC рассматривают проблему высокотехнологичного доступа односторонне [31−41, 52, 53−56]: либо всё внимание сконцентрировано на сетях доступа, либо на пользовательских устройствах и приложениях. Моделей и методов, учитывающих оба названных аспекта нет.
Не освещены также вопросы миграции абонента между сетями доступа и балансировки ресурсов сетей доступа, которые являются необходимыми в поддержании постоянного наилучшего соединения.
Всё это очевидным образом приводит к актуальности проведения научных исследований в этой области и говорит об актуальности данного диссертационного исследования.
Цель и задачи исследования
Цель диссертационного исследования состоит в разработке и анализе моделей и методов эффективного доступа к инфокоммуникационным услугам, учитывающих взаимодействие разнородных сетей доступа, которые в совокупности образуют сеть постоянного наилучшего соединения. Эти модели и методы должны обеспечивать эффективное обслуживание потоков заявок разных классов услуг разнородными сетями доступа благодаря сбалансированному распределению ресурсов этих сетей.
Поставленная цель определила необходимость решения следующих задач:
1. Анализ моделей реализации ABC, предлагаемых исследователями, и формулирование концептуальной модели, воплощающей идею наилучшего доступа к инфокоммуникационным услугам.
2. Анализ решений и методов по распределению ресурсов сетей доступа, с целью определения нового критерия оптимизации.
3. Разработка модели наилучшего доступа к услугам.
4. Оптимизация доступа к услугам на основе нового критерия.
5. Разработка механизма балансировки используемых ресурсов сетей доступа.
6. Программное моделирование ранее известных алгоритмов распределения ресурсов сетей доступа и алгоритмов, разработанных в ходе диссертационного исследования, с целью сравнения их эффективности.
7. Формирование рекомендаций по проектированию и развитию сетей ABC. Объект и предмет исследования. Объект исследования: сети постоянного наилучшего соединения, предоставляющие доступ к инфокоммуникационным услугам.
Предмет исследования: методы, критерии и модели развития и совершенствования архитектуры сетей постоянного наилучшего соединения (п.З Паспорта специальности 05.12.13), позволяющие эффективно управлять информационными потоками (п. 4 Паспорта специальности 05.12.13) и организовывать дифференцированный доступ абонентов к инфокоммуникационным услугам (п. 5 Паспорта специальности 05.12.13).
Научная новизна исследования состоит в следующем: продемонстрирован эффективный доступ к услугам, базирующийся на методе, который впервые не только распределяет, но и балансирует ресурсы разнородных сетей доступа, в совокупности образующих сеть ABC, основываясь на нагрузке, создаваемой услугами на эти сети доступа.
При этом, научную новизну представляют следующие результаты, полученные в процессе диссертационного исследования.
• Разработан универсальный метод выбора наилучшей сети доступа для запрашиваемой услуги определённого класса на основе идеи минимизации потерь общего ресурса сетей доступа. Новизна метода заключается в универсальном механизме оценки эффективности распределения ресурса сети доступа, учитывающем наличие взаимозависимостей между услугами определённых классов, что позволяет решать задачи по эффективному распределению общего ресурса сетей доступа, базируясь на различных критериях.
• Получена оценочная функция эффективности распределения ресурса сети доступа, базирующаяся на нагрузке, создаваемой услугами на сеть доступа, которая позволила сформулировать функцию оценки нового критерия оптимизации (целевую функцию). Новизна этой функции в том, что она учитывает количество и классы используемых услуг в сети доступа, при этом удовлетворяет всем положениям основной теоремы математического программирования (ОТМП). Сформулированная целевая функция представляет собой суперпозицию оценочных функций и также удовлетворяет ОТМП. Решение задачи получено алгоритмическим способом.
• Впервые разработан алгоритм эффективного распределения общего ресурса сетей доступа с перекрывающимися зонами покрытия — алгоритм ANRA (Access Network Resource Allocation), в основе которого лежит метод максимального элемента (ММЭ). Алгоритм отличается тем, что при распределении сетевого ресурса учитывается нагрузка, создаваемая на сети доступа, а не запрашиваемая услугой ширина полосы пропускания. Показано, что алгоритм повышает эффективность доступа к услугам в среднем более чем на 45% по разным показателям, нежели учитывающий ширину полосы пропускания алгоритм «выбор первого подходящего с подменой» в методе динамического выбора доступа к услугам с учётом множественных ограничений;
• Предложен новый метод распределения сетевого ресурса, базовую реализацию которого представляет разработанный алгоритм ANRA. В отличие от известных методов он учитывает нагрузку, создаваемую на сети доступа, а не запрашиваемую услугой ширину полосы пропускания.
• Впервые разработан алгоритм балансировки используемых ресурсов сетей доступа с перекрывающимися зонами покрытия — алгоритм ANRB (Access Network Resource Balancing), обеспечивающий равномерное перераспределение ресурсов сетей доступа, занятых услугами, и не имеющий аналога в исследованиях, связанных с ABC;
• Для достижения цели диссертации разработан алгоритм эффективного распределения и балансировки ресурсов сетей доступа (Effective Resource Allocation and Balancing, ERAB), не имеющий аналога в исследованиях, связанных с ABC. Сочетая работу алгоритмов ANRA и ANRB, он представляет собой оптимизированный вариант реализации предложенного нового метода распределения сетевого ресурса.
• Разработана сетевая модель наилучшего доступа к услугам, которая в отличие от моделей, предлагаемых исследователями, рассматривает идею постоянного наилучшего соединения одновременно в двух аспектах: как со стороны сетей доступа, так и со стороны пользовательских устройств и приложений.
Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание данной работы получены автором лично. В работе [57], выполненной в соавторстве, автору принадлежит модель и клиентская часть её реализации.
Теоретическая и практическая ценность результатов работы. Результаты работы могут быть применены в Санкт-Петербургском государственном университете им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при создании прототипа системы, совместимой с постоянным наилучшим соединением. Результаты работы использованы:
• в НТЦ «ПРОТЕЙ»:
— при разработке систем Bulk SMS/MMS, XVLR, Bulk SMS XVLR в части управления нагрузкой на полосу пропускания для каждого пользователя системы при организации массовых рассылок SMS и MMS;
— при разработке системы WIX в части организации наиболее эффективного доступа абонентов в сеть Internet путём объединения множества точек доступа сетей Wi-Fi в единую организованную сеть;
• в ОАО «Завод Красная Заря. Системы цифровой связи» для усовершенствования механизмов обмена данными по внутреннему протоколу HDLC в целях оптимального распределения нагрузки между сетевыми элементами (СЭ) сети станций ЦАТС «КРАЗАР». Использование результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Методы исследования. В процессе исследования использованы методы теории случайных процессов, методы теории телетрафика, алгоритмического моделирования и оптимизации систем с использованием основной теоремы математического программирования (ОТМП), метода максимального элемента (ММЭ), языка SDL.
Публикации. По материалам данной диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных научных конференций опубликовано 11 печатных работ, одна из которых написана в соавторстве.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений. Объем пояснительной записки 139 страниц, 41 иллюстрация, список литературы насчитывает 147 наименований, объём приложения 1 составляет 7 страниц программного текста, в приложении 2 приведены документы о внедрении материалов диссертационной работы.
Заключение
.
В диссертационной работе достигнута цель диссертационного исследования, решены все поставленные задачи.
Продемонстрирован эффективный доступ к услугам, базирующийся на методе, который впервые распределяет и балансирует ресурсы разнородных сетей доступа, в совокупности образующих сеть ABC, основываясь на нагрузке, создаваемой услугами на эти сети доступа.
