Введение в теорию телетрафика

Общий обзор

Моделирование телекоммуникационных систем

Традиционные телекоммуникационные системы

Мобильные коммуникационные системы

Структура сети

Стратегия обслуживания

Цифровая мобильная сотовая связь

Общий обзор

Общая цель теории телетрафика может быть сформулирована так:

Построение математических моделей отображающих реальные процессы в системах распределения информации, и разработка методов оценки качества их функционирования.

Математическая модель системы включает в себя следующие элементы:

• Модель потоков поступающих сообщений (входящий поток вызовов)

Информация о параметрах и свойствах потока вызовов (или требований на обслуживание), а также виде передаваемых сообщений и форме их представления

• Модель системы обслуживания поступающих сообщений (система коммутации)

Характеризуется структурой построения (полнодоступная или неполнодоступная, однозвенная или многозвенная и др.) и набором структурных параметров (количество входов, выходов, промежуточных линий и др.)

• Модель дисциплины обслуживания поступающих сообщений

Способ обслуживания (без потерь, с явными потерями, с ожиданием, с повторением или комбинированный)

Порядок обслуживания (в порядке очередности, в случайном порядке или с приоритетом)

В целом теория телетрафика рассматривает следующие задачи:

1) Задача анализа:

Определение характеристик качества обслуживания по известным параметрам входящего потока, структуры системы обслуживания и дисциплины обслуживания.

2) Задача синтеза:

Минимизация стоимости коммутационной системы при известных (оцененных) параметрах потока сообщений, дисциплине и качестве обслуживания, минимизация потерь вызовов при известной стоимости системы (поиск экономичных структур коммутационных сетей)

3) Задачи оптимизации:

Управление потоками вызовов или структурой сети для повышения качества обслуживания.

Использование теории может также помочь при проектировании новых систем: позволяет сравнивать различные модели систем и на ранних этапах исключать заведомо не оптимальные решения.

Основными требованиями к математической модели телекоммуникационной системы является возможность определения ее параметров по реальным данным, а также ее пригодность к использованию в практических целях.

Моделирование телекоммуникационных систем

Модель телекоммуникационной системы включает в себя три основных элемента:

• Структура системы (сети)

• Операционная стратегия (стратегия обслуживания)

• Статистические свойства трафика

Структура системы определяет технические характеристики. Например, топологией сети, пропускной способностью и т.д.

Операционная стратегия определяется приоритетами и позволяет направить вызов по каналам сети к нужному абоненту.

Статистические свойства трафика.

Запросы пользователей на обслуживание возникают в случайные моменты времени.

Моменты возникновения запросов и длительность обслуживания носят случайный характер.

Теория вероятностей и математическая статистика дает гибкий аппарат для исследования статистических свойств телетрафика.

Кажется естественным разделить описание параметров трафика связанного с поступлением заявки на обслуживание и процесс, описывающий время обслуживания.

Процесс поступления и процесс обслуживания разделяются и обычно предполагаются независимыми.

Например, в телефонной системе продолжительность звонка не зависит от времени, когда звонок поступил.

На рисунке ниже показано время поступления и обслуживания вызовов.

Рис 1. Основные термины, использующиеся в системе обслуживания

От того, насколько верно построена модель поведения абонентов зависит правильность определения нагрузки телекоммуникационной системы.

Чаще всего только с помощью измерений параметров на реальной системе можно точно определить, соответствует ли модель поведения абонентов реальной ситуации.

Основные этапы в построении модели следующие:

Рис. 2 Основные этапы построения моделей

Кроме математической модели для исследования коммуникационных систем используется имитационные модели (или физическая модель – прототип).

При имитационном моделировании на компьютере для сложных систем приходится упрощать описание процессов, что приводит к погрешностям при получении результатов.

При этом основная сложность заключается в наиболее точной имитации поведения системы программными средствами.

Создания прототипа, возможно, позволяет получить более точные результаты, но требует больших временных и материальных затрат, чем статистические модели.

Телефонная сеть, использующая средства передачи и коммутации (соединения), организуется по иерархическому принципу.

Традиционные телекоммуникационные системы

Упрощенная структура традиционной телефонной сети представлена на рисунке.

На нижнем уровне иерархии находятся абонентские терминалы, расположенные в домах и офисах.

Посредством абонентской линии каждый абонентский терминал соединяется с локальной (местной) коммутационной станцией (local exchange (LEX)).

Абоненты связываются друг с другом через местную коммутационную станцию, к которой они подсоединены.

Рис. 3 Структура телефонных сетей

Местные станции могут соединяться между собой либо непосредственно, либо через станцию верхнего уровня, которая может быть как транзитной (узловой) (transit exchange (TEX)), так и междугороднойстанцией (inter – urban exchange (IUE)).

В первом случае средства передачи, связывающие две местные станции друг с другом, используются лишь для их непосредственного соединения и не могут быть использованы для связи с другими местными станциями.

Во втором случае достигается большая степень распределения средств передачи, так как они могут использоваться более чем двумя местными станциями.

Технически соединение абонентов в телефонной сети можно описать следующим образом.

Пусть абонент А набирает номер абонента В.

В результате последовательного воздействия сигналов набора номера на управляющие устройства образуется электрическая цепь, соединяющая абонента А с локальной станцией, в которую он включен.

На этой станции, посредством управляющего устройства (регистра) производится проверка состояния абонентской линии абонента В и, если линия свободна, ему посылается сигнал вызова.

Микропроцессор анализирует цифровые данные и с помощью селектора группы (group selector) устанавливает соединение между данными абонентами.

Это может быть соединение через локальную станцию или дистанционный обмен (через TEX).

Обычно для различия уровней соединения проверяется наличие прямой ссылки между абонентами.

Если она не находится, то проверяется наличие прямой ссылки на более высоком уровне в иерархии.

Соединение считается осуществленным, как только абонент В снял трубку с рычажного переключателя.

Далее следует разговор.

Телефонная сеть имеет иерархическую структуру.

Иерархическое построение телефонной сети позволяет эффективно распределить ресурсы, следовательно, дать высокое качество связи.

Чем выше уровень иерархии сети, тем большим числом абонентов используются ресурсы этого уровня.

С другой стороны, невысокая вероятность использования услуг междугородной и международной связи позволяет на этих уровнях иерархии сети использовать гораздо меньший объем ресурсов, приходящихся на одного абонента.

Телефонная сеть традиционно было устроена как иерархическая система.

Абоненты подключены либо к коммутатору или иногда локальному коммутатору (local exchanges - LEX) напрямую.

Эта часть сети называется сетью доступа.

Коммутатор подключен к главному локальному коммутатору, который опять таки подключен к транзитному коммутатору (transit exchanges - TEX).

Далее транзитные коммутаторы образуют сеть.

Эти соединения между транзитными коммутаторами называются иерархическими транзитными сетями.

Если необходимо, может существовать несколько соединений между двумя локальными коммутаторами (или коммутаторами абонента) принадлежащих к разным транзитным коммутаторам.

Рис. 4 Различные виды построения телефонной сети

Полные сети используются при малом количестве вершин, между которыми могут осуществляться большие по объему передачи данных.

Сети «звезда» используются при малом объеме трафика между вершинами.

Кольцевые сети применяются в оптоволоконных сетях.

Соединение между двумя абонентами происходит по принципу:

АБОНЕНТ А -> LEX -> TEX -> TEX-> LEX -> АБОНЕНТ B

Передача данных между узловыми станциями осуществляется либо через аналоговые, либо через цифровые системы передачи сигналов.

Часто используются мультиплексные системы (системы, позволяющие передавать по одной коммуникационной линии одновременно несколько различных потоков данных).

12 аналоговых каналов по 3 килогерца каждый составляют один первый уровень системы частотной подачи (frequency multiplex), когда как 32 цифровых канала по 64 Kbps каждые составляют первый уровень системы PCM (pulse-code-multiplexing, time-multiplexing), систем со скоростью 2.048 Mbps.

Число 64 Kbps получено из расчета аналогового сигнала на частоте 8 килогерц и амплитуды 8 бит.

Два из 32 каналов в системе PCM используются для регулирования и управления.

Рис. 5 Трехуровневая иерархия сети

В телекоммуникационной сети все передачи обычно осуществляются в системе, имеющей трехуровневую иерархию (см. рисунок 5).

Локальные станции (или просто коммутаторы абонента) (L), которые потом подключаются к узловым станциям (T), которые в свою очередь подключены к междугородному коммутатору (I).

Междугородная сеть имеет структуру «звезда».

Междугородные коммутаторы в свою очередь соединены в полную сеть.

Телефонная сеть имеет полное двухстороннее (дуплекс) соединение между двумя абонентам, и оно должно поддерживаться на протяжении всего разговора.

Это свойство в телефонных сетях называется oriented-connection (ориентированным соединением), в отличии, например, от Интернета - connectionless (неориентированное соединение).

Любая сеть использующая, например, сеть с коммутацией каналов (circuit-switching) является сетью с ориентированным соединением.

При ориентированном соединении сначала устанавливается связь между двумя точками, а потом осуществляется передача данных.

Таким образом, если соединение установлено, то пакет гарантированно дойдет до нужной точки.

Неориентированное соединение не требует предварительной установки связи с нужной точкой для получения, поэтому в этом случае нет уверенности в том, что пакет будет доставлен.

Мобильные коммуникационные системы

В связи с гигантским ростом в сфере систем мобильной связи, где, в отличие от традиционных кабельных систем, в качестве среды передачи данных используются цифровые или аналоговые беспроводные радиоканалы.

Спектр частот электромагнитных волн поделен на полосы частот, зарезервированные для определенных целей.

Часть таких полос зарезервирована для мобильной связи.

Каждая полоса соответствует ограниченному числу телефонных радиоканалов, и именно этот факт ограничивает ресурсы систем мобильной связи.

Оптимальное использование этого ресурса является основной задачей сотовой связи.

Рис. 6 Модель организации сот

Приведенный рисунок представляет собой модель организации сот.

Каждый цвет представляет собой определенный набор частот.

Соты расположены таким образом, что две соты с одинаковыми частотами не имеют общих границ, что позволяет избежать взаимодействия волн и использовать частоты повторно.

Структура сети

Если определенная географическая территория должна быть обеспечена мобильной связью, внутри этой территории должно быть оборудовано соответствующее количество базовых станций.

Базовая станция представляет собой антенну с приемно-передаточным оборудованием или радиоканал, связанный с мобильным телефонным коммутатором (МТК), который является частью традиционной телефонной сети.

Мобильный телефонный коммутатор общий для всех базовых станций в заданной области связи.

Радиоволны, распространяющиеся в атмосфере, затухают, поэтому базовые станции становятся единственной возможностью покрыть заданную географическую область, которая называется сотой.

Путем ретранслирования радиоволн с достаточной мощностью можно настроить зону покрытия таким образом, что все базовые станции покрывают именно заданную область связи, а размер зон перекрытия между двумя соседними станциями минимален.

Невозможно использовать одну и ту же частоту на двух соседствующих базовых станциях, но на двух базовых станциях, не имеющих общей границы, использование одинаковых частот возможно, что позволяет повторно использовать каналы.

Таким образом, становится возможным определить число каналов в расчете на соту, исходя из заданного объема передаваемых данных (трафика).

Размер соты будет зависеть от объема трафика.

В густонаселенных областях, например, в крупных городах, соты будут маленькими, тогда как в редконаселенных областях они будут большими.

Распределение каналов – очень сложная задача. В дополнение к вышеописанным ограничениям существует ряд других условий.

Например, для того, чтобы избежать интерференции необходимо выполнение ряда условий, в частности, между двумя каналами одной базовой станции должно быть определенное расстояние.

Стратегия обслуживания

В системах мобильной связи должна существовать база данных с информацией обо всех абонентах.

Каждый абонент активен или пассивен в зависимости от того, включен или выключен его мобильный телефон.

Когда абонент включает телефон, он автоматически приписывается к так называемому каналу управления и происходит идентификация абонента.

Управляющий канал это радиоканал, который используется базовой станцией для управления.

Оставшиеся каналы называются каналами передачи данных (каналами трафика).

Звонок мобильному абоненту (абоненту В) происходит следующим образом.

Коммутатор (МТК) принимает звонок от другого абонента (абонента А, мобильного или фиксированного).

Если абонент В пассивен (телефон выключен), абонент А информируется о том, что абонент В недоступен.

Если абонент В активен, его номер выводится из всех каналов управления в область передачи информации.

Абонент В распознает свой собственный номер и по каналу управления передает информацию о том, в какой соте (базовой станции) он находится.

Если в этот момент существует свободный канал трафика, он занимается и коммутатор устанавливает соединение.

Звонок от мобильного абонента (абонента А) осуществляется путем перехода с канала управления на канал трафика, по которому и осуществляется соединение.

Первый этап, включающий в себя считывание цифр и проверку доступности абонента В, в некоторых случаях осуществляется управляющим каналом (сигнализация по общему каналу).

Абонент может свободно перемещаться внутри зоны покрытия.

Когда он удаляется от базовой станции, это фиксируется коммутатором, который постоянно проверяет отношение сигнала к шуму, и коммутатор, если это необходимо, перемещает звонок на другую базовую станцию и другой канал трафика с лучшим качеством связи.

Этот процесс происходит автоматически, путем взаимодействия коммутатора и телефонного аппарата абонента, таким образом, что обычно абонент не замечает смены базовой станции.

Операция называется «из рук в руки» и, естественно, требует наличия свободных каналов трафика в новой соте. Так как прерывание существующих звонков недопустимо, переданные звонки имеют более высокий приоритет по сравнению с новыми.

Эта методика может быть воплощена в жизнь путем резервирования одного или двух свободных каналов для переданных звонков.

Когда абонент покидает свою зону связи, имеет место так называемый роуминг.

Коммутатор в новой зоне связи, исходя из идентификаторов абонента, может определить домашний коммутатор абонента.

Домашнему коммутатору пересылается сообщение о новом местоположении абонента. Входящие звонки абонента всегда поступают на его домашний коммутатор, который затем переправляет звонок на коммутатор в новой зоне связи.

Исходящие звонки обрабатываются обычным способом.

Цифровая мобильная сотовая связь

Самый распространенный цифровой беспроводной стандарт связи GSM используется по всей Западной Европе.

Международный Телекоммуникационный Союз (ITU) работает над глобальной системой мобильной связи UPC (Универсальная личная связь), в которой абоненты смогут использовать свои телефоны по всему миру (IMT2000).

Пейджинговые системы это примитивные односторонние системы.

DECT (Цифровой Европейский Беспроводной Телефон) - это стандарт связи для беспроводных телефонов.

Они могут использоваться локально в компаниях, бизнес-центрах и т.п.

В будущем появится оборудование, которое будет работать с обоими (GSM и DECT) стандартами.

В этом смысле DECT соответствует системе с очень маленькими сотами, в то время как GSM – система с сотами существенно большего размера.

Спутниковые системы связи также разрабатываются. В таких системах базовой станции соответствует спутниковая.

Первой такой системой была система Iridium, состоявшая из 66 спутников.

Система организована таким образом, что в любой точке покрытия в любой момент времени были доступны несколько спутников.

Такие спутники имеют очень низкие орбиты порядка нескольких сотен километров над поверхностью Земли.

Iridium не была успешной, но более новые системы, такие как Inmarsat, сейчас используются.

В начало

Содержание портала