Одним из ключевых факторов ускоренного развития современного общества является технологический прогресс в области цифровых телекоммуникационных систем и компьютерных сетей.
Как отмечалось в [1], «Растущая производительность микропроцессоров, появление мощных сигнальных процессоров, создание высокоэффективных методов компрессии и транспортировки информации — это только часть списка технологических инноваций, ведущих к ускорению развития сетевых технологий, к увеличению числа услуг связи и снижению их стоимости».
Наиболее общую форму оценки впечатляющего прогресса в области микроэлектроники дает лозунг компании Intel, что «Компьютер (микропроцессор) — это средство связи», который привел к браку телекоммуникаций и компьютеров. Этому браку способствовал также закон Мура [1, 2], что «Производительность интегральных схем, измеряемая количеством операций в секунду, и объемом памяти, размещаемой на единице площади, удваиваются каждые 18 месяцев, а стоимость микросхем при этом уменьшается на 50%».
Очень точно роль информационных технологий (ИТ) в развитии нашего общества подмечена главным исполнительным директором фирмы Intel Крей-гом Барретом во время его последнего визита в нашу страну (17−18 июня 2004 года), что «ИТ, наряду с огромными сырьевыми и большими интеллектуальными ресурсами, должны стать еще одним ресурсом России» [3].
ИТ, по словам главы Intel, становятся одним из основных средств обеспечения конкурентоспособности компаний, регионов и стран! Многие правительства начинают это понимать. В мире нет ни одной крупной компании, которая не понимала бы, что современные ИТ являются инструментом опережающего роста бизнеса, внутреннего валового продукта, сохранения устойчивости их развития. Это справедливо не только для крупного бизнеса, но и для отдельных регионов, стран и континентов.
Параметры развития инфраструктуры страны и эффективность ее трудовых ресурсов — вещи взаимосвязанные, — утверждает Крейг Баррет. — Сегодня на одного работника в России приходится валового продукта на 20 тысяч долларов в год, а в США — на 80 тысяч долларов. Это прямое следствие развития инфраструктуры".
В тезисах Президента России В. В. Путина о развитии ИТ содержатся следующие ключевые положения [126]:
1. Необходимо увеличение вклада ИТ в ВВП России.
2. Необходимо обеспечение равного доступа всех граждан к ИТ.
3. Все школы должны быть обеспечены. доступом в Интернет (к концу 2008 года.).
4. Радиочастотный спектр для гражданских нужд может быть расширен за счет военных.
5. Необходимо повысить уровень информатизации органов государственного и муниципального управления.
В Послании Президента 2005 года также выделяются направления государственной политики в развитии средств массовых коммуникаций:
— сохранение и развитие единого информационного пространства;
— совершенствование системы образования;
— законодательное обеспечение данного направления государственной политики;
— интеграция России в мировое информационное пространство.
В настоящее время Интернет сообщество находится на пороге качественного скачка в направлении полноценных мультисервисных приложений, то есть услуг «triple play» (данные, голос, видео). Эти услуги, наряду с высокоскоростным доступом в Интернет и передачей цифровых данных, включают необходимость высококачественной передачи трафика цифровой телефонии, радио, телевидения, причем не только в корпоративных или локальных сетях, но и в региональных сетях обмена информацией.
Существенно расширить и ускорить реализацию доступа широких слоев населения России к сети Интернет, к услугам телефонии, цифровому телерадиовещанию при одновременном снижении стоимости подключения, позволяют беспроводные (Wireless) и смешанные широкополосные технологии городского и регионального MAN (Metropolitan Area Network) уровня.
Сеть Интернет Российской Федерации является одним из самых быстрорастущих сегментов WWW. Ее развитие, количество и качество предоставляемых ею услуг имеют важнейшее значение для развития экономики и социальной сферы. Число пользователей Интернет в РФ составляет уже около 20%, в крупных городах достигает 40%, но в «глубинке» составляет несколько процентов. И этот разрыв сохраняется, т.к. без телефонизации регионов и без преодоления ограничений «последней мили» доступ к ИТ ресурсам невозможен.
Мультисервисные системы обмена информацией (МСОИ) ориентированы на передачу цифровых данных, аудио и видео информации и должны обеспечивать подключение большого числа пользователей, обслуживаемых с более высоким качеством (КО), чем в традиционных системах передачи данных (СПД). Под КО здесь понимается полезная гарантированная или лимитированная скорость обслуживания сообщений.
В связи с огромными территориями узким местом отечественной СПД в регионах остается именно «последняя миля», точнее ее «протяженность», а также ограничения, связанные с преодолением естественных препятствий, рас-средоточенность и низкая плотность населения при общем большом числе абонентов. Следовательно, необходимо создание МСОИ, которые эффективны, быстро развертываются, охватывают большие территории, имеют большую емкость и обеспечивают решение ограничений проблемы «последней мили» в РФ.
Разработка и реализация МСОИ в нашей стране позволит сделать вклад в решение проблемы создания единого информационного пространства и среды обмена трафиком, обеспечения равного доступа всех граждан к мультисервис-ным возможностям ИТ.
Применение технологий — это один из путей решения указанной проблемы, который относится к стадии рабочего функционирования системы. Дополнительно на стадии создания или модернизации систем необходим учет предполагаемой нагрузки, предварительный расчет и анализ производительности базовой станции (БС) МСОИ, обоснование эффективности принимаемых технических решений.
На практике решение проблемы КО при передаче трафика через МСОИ основывалось на прямом добавлении ресурсов (дополнительных каналов, узлов, элементов). Однако создание МСОИ должно обосновываться расчетами, сопровождаться оценкой производительности и выбором параметров базовой станции (БС) МСОИ с определением и обоснованием ее эффективности. Для создания эффективных БС МСОИ необходима оценка и обоснованный выбор параметров каналов с учетом видов услуг и кодеков, используемых для передачи голосовой и видео информации, обеспечения КО передаваемого трафика.
Выбор параметров необходим в сочетании с оценкой вариантов структуры БС по стоимости и производительности, т. е. по эффективности МСОИ.
Значительный вклад в разработку моделей и методов оценки производительности коммуникационных систем и компьютерных сетей внесли отечественные ученые Л. И. Абросимов, В. М. Вишневский, Г. П. Захаров, В. П. Климанов, а также ряд западных исследователей: Б. Байцер (B.Beizer), К. Вейцман (C.Weitzman), Л. Клейнрок (L.Kleinrok), Ф. Куо (F.Kuo), В. Столлингс (W.Stallings), Э. Таненбаум (A.Tanenbaum), Д. Феррари (D.Ferrari), Д. Флинт (D.Flint) и др.
Задачи, которые решаются в этих работах, связаны, в основном, с рассмотрением ограничений глобальных, корпоративных и локальных сетей обработки данных, с исследованием и анализом вычислительных систем и сетей.
Таким образом, тематика проводимых в диссертации исследований, обеспечивающих разработку моделей и методов для оценки и выбора параметров каналов МСОИ является актуальной. s.
Объектом исследования в работе являются региональные МСОИ, которые охватывают большую территорию (тысячи квадратных км), обеспечивая высокую емкость за счет одновременной пакетной передачи цифровых данных, голоса и видео многим тысячам абонентов. Такие многофункциональные системы предоставляют несколько видов мультисервисных услуг, а именно: высокоскоростную передачу цифровых данных, доступ в Интернет, услуги цифровой телефонии, живое видео/аудио вещание в реальном масштабе времени (РМВ).
Предметом исследования работы являются анализ и оценка параметров производительности создаваемых и модернизируемых БС МСОИ.
Цель работы заключается в создании моделей и методов для исследования, расчета, оценки и анализа параметров производительности МСОИ, которые позволяют выполнять аналитический расчет параметров и анализ нагрузочных возможностей каналов БС МСОИ при передаче комплексного РМВ трафика в режиме рабочего функционирования системы. Достижение поставленной цели, ориентированной на ускоренное развертывание эффективных систем класса МСОИ, ведет к решению проблемы создания единой транспортной среды для обмена мультисервисной информацией в РФ, стирания информационного неравенства центра и регионов, равного доступа всех граждан к ИТ.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие основные задачи:
— исследовать организацию и функционирование МСОИ и разработать ее функциональную модель;
— проанализировать параметры, влияющие на производительность МСОИ и разработать систему расчетных соотношений, составляющих ее математическую модель;
— разработать методику обоснованного выбора параметров МСОИ на основе функциональной и математической модели.
Методы исследования. При выполнении работы и для решения поставленных задач использовались методы теории информации, теории множеств, теории графов, метод контуров, методы теории систем и сетей массового обслуживания, математические методы, информационные технологии, программное обеспечение, стандарты компьютерных сетей и коммуникационных систем.
Научная новизна.
— Функциональная модель МСОИ, разработанная на основе формализованного описания объекта.
— Математическая модель, включающая расчетные соотношения сложных взаимосвязей параметров МСОИ.
— Алгоритмы для расчета параметров нагрузки и производительности МСОИ.
— Методика получения исходных данных, оценки, анализа и выбора пропускных способностей, параметров и структуры направленных каналов эффективной базовой станции (БС) МСОИ.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов работы подтверждается опытом практического применения методики, методов получения и расчета параметров производительности МСОИ при создании новых мультисервисных систем, модернизации существующих СПД, опытом успешного бесперебойного функционирования разработанных МСОИ.
Практическая ценность. Представленные в диссертации результаты положены в основу инженерной методики, ее программной реализации для расчета, анализа параметров производительности МСОИ и могут быть использованы для:
— формулирования требований, которым должна удовлетворять МСОИ;
— расчета сбалансированной нагрузки и обоснованного выбора параметров каналов БС МСОИ;
— выполнения технико-экономических обоснований создания новых, модернизации существующих СПД определенной структуры в систему класса МСОИ;
— построения эффективных систем класса МСОИ уровня региона, охватывающего до нескольких тысяч пользователей-абонентов, обслуживаемых на базе кабельного, беспроводного или смешанного, эфирно-кабельного способа доступа;
— создания на базе типовых элементов, каналов и узлов БС новых региональных МСОИ для высокоскоростного обмена данными, доступа в Интернет, реализации телефонных услуг, видео/аудио трансляции, передачи транзакций, распределенной обработки данных, сбора телеметрии, наблюдения за объектами, организация корпоративной связи, в том числе в интересах образовательных, лечебных, муниципальных и государственных организаций;
— обеспечение на базе созданных МСОИ массовых универсальных услуг, организации электронного региона, обеспечения равного доступа всех граждан к возможностям ИТ.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 10 научно-практических отечественных и международных конференциях и симпозиумах. С использованием разработанной методики рассчитаны и обоснованы параметры каналов, спроектированы и функционируют 13 системы класса МСОИ, в том числе 11 региональных беспроводных мультисервисных систем MMDS и 2 кабельные мультисервисные HFC в масштабе среднего города.
Публикации. Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 20 печатных работах, в том числе получено три авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Основная часть, без учета приложений, изложена на 169 страницах машинописного текста, включая список использованной литературы из 127 наименований, размещенный на 5 страницах.
Выводы по четвертой главе.
1. Методика работоспособна, т. е. по заданным исходным данным можно получить все требуемые расчетные параметры, к которым в первую очередь следует отнести:
— максимальную нагрузку по передаче данных, телефонии, видео/аудио трафика, то есть пиковое число одновременных телефонных разговоров п*, одновременных видео/аудио сессий nv *, Интернет пользователей *;
— предельное количество Интернет абонентов Nd*, телефонных Nt*, видео/аудио абонентов Nv*, которое может быть подключено к системе;
— предельные нагрузочные возможности системы, т. е. общее число Ns* абонентов, которое суммарно может быть подключено и обслужено системой в зависимости от настройки параметров каналов МСОИ;
— стоимость {D (Sh}} в зависимости от структуры базовой станции системы.
2. Спроектированные с использованием результатов разработки системы МСОИ успешно выполняют требуемые функции, т. е. показатели производительности, рассчитанные при разработке всех систем, согласуются с фактическими показателями функционирующих МСОИ.
3. Для автоматизированного вычисления параметров МСОИ реальной размерности (диапазон от 10 до 50 тысяч абонентов) при использовании разработанного алгоритмического и программного обеспечения, требуется не более 8 часов работы на PC класса Pentium 3−4 в интерактивном режиме.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
На основе анализа и исследований объектов класса МСОИ поставлены и решены необходимые задачи, выполнены разработки адекватных моделей и методов, осуществлены внедрения МСОИ. Результатом проведенных исследований и разработок являются следующие выводы:
1) Адекватные исследуемому объекту МСОИ модели и методы, обеспечивающие получение нормативных значений интенсивностей /л, расчет параметров нагрузки Л, выбор пропускной способности С каналов, оценку параметров структуры Sh БС, определение производительности W МСОИ, имеющей большое число параметров и большую размерность.
2) Модели функционирования МСОИ, позволяющие адекватно описать систему, учесть многокритериальность при решении задач расчета нагрузки Л, выбора пропускных способностей С, параметров настройки и числа К направленных каналов.
3) Математические модели нагрузки Л и производительности W (n, г) МСОИ, а именно: математические соотношения, связывающие параметры нагрузки с параметрами каналов, учитывающие фактические интенсивности /л обработки трафика, реальную пропускную способность С и параметры каналов, периоды следования to пакетов, их длину Ь, активность трафика и абонентов, то есть учитывающие все фактические ограничения на сеть.
4) Методика получения нормативных значений интенсивностей р базовых обслуживающих узлов (AM и ГМ) и пропускной способности С направленных каналов МСОИ, прямых и обратных.
5) Алгоритмы расчета временных задержек трафика, реального использования пропускной способности (загрузки направленных каналов), фактических показателей производительности БС МСОИ.
6) Автоматизированная методика оценки и выбора параметров МСОИ, обеспечивающая сходимость и сбалансированный выбор параметров каналов и вариантов структуры Sh БС по их стоимости и производительности.
7) Созданные эффективные системы класса МСОИ, спроектированные и построенные с использованием разработанных моделей и методов, решают проблему «длинной последней мили» на уровне большого города с помощью одной макросоты, обеспечивают единую среду для информационного обмена сообщениями, созданиея «электронного» региона, предоставление универсальных услуг, устраняют неравенство доступа граждан к возможностям ИТ в центре и регионах.
8) Разработанные методики используются при решении задач оценки параметров производительности и стоимости БС создаваемых МСОИ на ранних стадиях проектирования и при модернизации БС. Методики прошли проверку при проектировании более 10 региональных беспроводных мульти-сервисных систем MMDS, а также нескольких городских кабельных систем класса МСОИ на базе гибридных HFC сетей. Практика подтвердила работоспособность методик: все разработанные системы устойчиво функционируют. Внедрение результатов диссертационной работы и достигнутый при этом эффект подтверждены соответствующими актами.
