Введение в разработку телетрафика

Теория телетрафика может быть определена как приложение теории вероятностей к решению проблем планирования, оценки рабочих характеристик, качества работы и обслуживания телекоммуникационных систем.

Более широко теория телетрафика может рассматриваться как дисциплина планирования, где инструментальные средства (стохастические процессы, теория организации очереди и числовое моделирование) заимствованы из дисциплины "исследование операций".

Термин телетрафик обозначает все виды трафика передачи данных и телекоммуникационного трафика. Теория, в первую очередь, будет проиллюстрирована примерами систем передачи данных и телефонными системами. Разработанные инструментальные средства, однако, независимы от технологии и применимы в пределах других областей производства и жизнедеятельности, таких как дорожный трафик, воздушное движение, производственные и сборочные конвейеры, распределение товаров, цеха и склады и все виды систем обслуживания. Задача теории телетрафика может быть сформулирована следующим образом:

обеспечить измерение трафика в хорошо определенных единицах с помощью математической модели и получить соотношение между уровенем обслуживания и емкостью системы, чтобы запланировать и оптимизировать инвестиции.

Когда известны будущий трафик и емкость системных элементов, практическая работа по теории телетрафика состоит в том, чтобы проектировать системы насколько возможно рентабельно при заранее заданном уровне обслуживания. Кроме того, решение задач разработки телетрафика позволяет определить методы, для того чтобы управлять фактическим уровнем обслуживания и выполнить заданные требования, а также определить аварийные действия, если система перегружена или возникли технические ошибки. Теория телетрафика позволяет определить потребности (например, на основе размеров трафика) и вычислить емкость системы и спецификации количественных характеристик для обеспечения заданного класса обслуживания.

Таким образом, теория позволяет решать на практике ряд краткосрочных и долгосрочных проблем, возникающих в процессе эксплуатации.

Краткосрочные задачи включают в себя, например, определение числа комплектов в группе, составляющей пучок в определенном направлении, числа коммутационных элементов в полях коммутации, числа линеек обслуживания в универсаме, распределение приоритетов доступа к ресурсам в компьютерной системе.

Долгосрочные задачи включают в себя решения относительно развития и дополнения сетей передачи данных и телекоммуникационных сетей, закупки кабельного оборудования, систем передачи, введения нового сервиса и т.д. Приложение теории к проектированию новых систем может помочь сравнить различные решения и на раннем этапе, без создания макетов и прототипов, устранить неоптимальные решения при построении сетей

Моделирование телекоммуникационных систем

• Для анализа телекоммуникационной системы должна быть установлена модель для описания всей системы или её части. Это фундаментально важный процесс моделирования, особенно для новых приложений теории телетрафика; он требует хорошего знания технической системы и математических инструментальных средств для реализации модели на компьютере. Такая модель содержит три главных элемента (рис. 1.1):
• системная структура;
• стратегия работы;
• статистические свойства трафика.

Рис. 1.1. Телекоммуникационные системы - сложные системы человек/машина. Задача теории телетрафика состоит в том, чтобы конфигурировать оптимальные системы, исходя из знания пользовательских требований и привычек

Структура системы

Эта часть определяется технической стороной, и, в принципе, можно ее описать с любым уровнем детализации - например, на уровне принципиальной схемы. Конечно, аспекты надежности отображаются как случайные величины (стохастически), так как ошибки возникают случайно, и они могут быть представлены как трафик с высоким приоритетом. Системная структура дается с физической или логической точки зрения, детально отображается в руководствах. Например, технические средства, система дорог, описание движения на дорогах, дороги, светофоры, объездные пути и т.д. характеризуют структуру системы.

Стратегия работы

Данная физическая система (например, объездной путь в дорожной схеме движения) может использоваться различными способами, чтобы приспособить систему движения к потребностям. пользователя. При дорожном движении все эти потоки реализуются согласно дорожным правилам и стратегиям, которые могут быть различными в течение суток (утром и вечером). В компьютере процесс регулируется посредством взаимодействия операционной системы и интерфейса с оператором. В телекоммуникационной системе стратегии применяются, чтобы дать приоритет тому или иному вызову и чтобы направить трафик к пункту назначения по оптимальному пути. В телефонной станции с программным управлением задачи, возложенные на центральный процессор, разделены на классы с различными приоритетами. Самый высокий приоритет дается новым принятым вызовам, тогда как стандартное управление оборудованием имеет более низкий приоритет.

Статистические свойства трафика

Пользовательские требования моделируются статистическими свойствами трафика. Измерениями на реальных системах можно подтвердить, что теоретическая модель согласуется с действительностью. Этот процесс должен обязательно иметь итерационную природу (рис.1.2), а математическая модель - строиться только при полном знании трафика. Свойства трафика, получаемые из модели, должны сравниваться с измеренными данными. Если они не находятся в удовлетворительном соответствии друг с другом, должна быть проведена новая итерация процесса.

Естественно разбить описание свойств трафика на стохастические процессы - поступления заявок и обслуживание. Эти два процесса обычно считаются взаимно независимыми, другими словами, продолжительность обслуживания вызова независима от момента поступления вызова. Модели также описывают поведение заблокированных пользователей (абонентов) - тех, которым отказывают в обслуживании, что вынуждает их повторить попытку вызова немного позже (повторные попытки вызова). Рис. 1.3 иллюстрирует терминологию, обычно применяемую в теории телетрафика.

Рис. 1.2. Теория телетрафика - индуктивная (с обратной связью) дисциплина. Из наблюдений над реальными системами мы устанавливаем теоретические модели, с помощью которых получаем параметры и сравниваем с соответствующими наблюдениями реальной системы. Если есть совпадение, модель утверждается. В противном случае мы должны рассматривать модель далее. Этот научный способ работы назван исследовательской спиралью.

Рис. 1.3. Иллюстрация терминологии, применяемой в процессе изучения трафика.

Обратите внимание на различие между временными интервалами и моментами времени. Мы принимаем момент поступления вызова и вызов как синонимы. Временной интервал прибытия вызовов (соответственно, временной интервал окончания вызова) и есть разность моментов поступления (соответственно окончания) текущего и поступление (соответственно, окончание) последующего вызова.

Модели

Общие требования к модели.

1. Модель должна позволять проводить простую проверку своих параметров и сравнение их с данными наблюдения.
2. Модель должна гарантировать проведение практической проверки данных измерений.

Например, нам надо описать варианты наблюдения числа установленных вызовов на телефонной станции. Это число постоянно изменяется, поскольку вызовы поступают и заканчиваются. Даже при том, что у абонентов могут быть свои привычки, которым они следуют ежедневно, на основании этих выборок невозможно предсказать отдельные моменты поступления вызовов или их продолжительность. Поэтому для описания этого процесса необходимо использовать статистические методы. Мы говорим, что событие поступления вызова происходит согласно стохастическому процессу, и время между поступлениями вызовов подчиняется распределениям вероятностей, которые характеризуют данный стохастический процесс.

Альтернатива математической модели - имитационная модель или физическая модель (прототип).

В компьютерной имитационной модели обычно используют непосредственно собранные данные или искусственные данные статистических распределений. Последние обычно предъявляют больше требований к вычислительным ресурсам.

При работе с имитационным вариантом каждая модель не является общей. Любой отдельный случай должен имитироваться. Разработка физического прототипа занимает даже больше времени и ресурсов, чем применение самой имитационной модели.

Поэтому зачастую предпочтение отдается математической модели, но часто необходимо применить имитацию, чтобы эту математическую модель разработать. Иногда прототипы создаются для окончательного испытания.

Обычные телефонные системы

Эта секция дает короткое описание того, что происходит, когда вызов прибывает на телефонную станцию. Мы делим описание на три части: структура, стратегия и трафик. Подчеркнем различие между локальными станциями (станции доступа, местные станции, точки привязки) и транзитными станциями, из которых состоят иерархические структуры большинства национальных телефонных сетей. Абоненты связаны с местными станциями или концентраторами, которые, в свою очередь, связаны с местными станциями.

Наконец, транзитные стации используются для того, чтобы связать местные станции или увеличить коэффициент готовности и надежность.

Структура системы

Здесь мы рассматриваем телефонную станцию координатного типа. Хотя этот тип в настоящее время снимается с обслуживания, описание его функциональных возможностей дает хорошую иллюстрацию задач, которые должны быть решены цифровой станцией. Оборудование обычной телефонной станции состоит из речевых трактов и трактов управления. (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Типовая структура системы коммутации

Речевые тракты заняты в течение всего времени вызова (математическое ожидание три минуты), в то время как тракты управления заняты только в течение фазы установления вызова (в диапазоне от 0,1 до 1 с). Число речевых трактов поэтому значительно больше, чем число трактов управления. Речевой тракт подключает данный вход (абонента) к данному выходу.

В системе с пространственным разделением речевые тракты состоят из пассивных компонентов (таких, как реле, диоды или интегральные схемы). В системе с временным разделением речевые тракты строятся из заданных временных интервалов в пределах кадра.

Тракты управления отвечают за установление соединения. Обычно оно происходит через много каскадов, где каждый каскад оборудован устройством управления: процессором или регистром.

Задачи устройства управления:

• определение номера вызывающего абонента (входа);
• прием цифровой информации (номера вызываемого абонента, адреса, выхода);
• поиск (без соединения) между входом и выходом;
• установление соединения;
• освобождение соединения (выполняемое часто самим трактом обмена).

Для того чтобы обслужить вызов, управляющее устройство должно выполнить ряд логических действий. В старых станциях тракт управления реализован на реле и/или электронных устройствах, логические операции выполняются замонтированной логикой. Изменения в функциях требуют физических изменений, и эти изменения трудны и дороги.

В цифровых станциях устройства управления - это процессоры. Логические функции проводятся с помощью программного обеспечения, и сделать изменения значительно легче. Логические возможности менее ограничены, поскольку возможности логических операций процессора гораздо больше по сравнению с замонтированной логикой. Такое управление называется управлением с помощью программного обеспечения станциями, или SPC-СИСТЕМАМИ (системами управления с помощью накопленной программы).

Поведение пользователя

Мы рассматриваем обычную телефонную систему. Когда A-абонент посылает вызов (подымает трубку) и замыкается абонентский шлейф. В результате на станции срабатывает реле. Станция опознаёт номер вызывающего абонента, и процессор абонентской ступени выбирает свободный комплект ( шнур ). Абонент и комплект связаны через каскад коммутации. Термин "шнур" остался с того времени, когда "живой" оператор посредством шнура вручную подключался к абоненту. Теперь роль оператора играет регистр. Комплект имеет три выхода.

Регистр через ступень коммутации (ступень регистрового искания) подключается к комплекту. Таким образом, абонент подключается к регистру через комплект. Эта фаза занимает менее одной секунды. Регистр передает сигнал "ответ станции" абоненту, набиравшему номер вызываемого абонента (телефона B-абонента ), который принимается и обслуживается регистром. Продолжительность этой фазы зависит от абонента.

Процессор анализирует цифровую информацию и с помощью ступени группового искания устанавливает соединение к вызывающему абоненту. Это может быть абонент той же самой станции, соседней станции или удаленной станции. Иногда между станциями существует прямая линия связи, но обычно дело обстоит не так. Чаще всего соединение должно пройти станции на более высоком уровне иерархии. При этом цифровую информацию (адрес) передают с помощью кодового приемопередатчика вызываемой станции, которая записывает эту информацию в свой регистр. Регистр вместе с процессором теперь выполняет свои обычные функции для обслуживания этой попытки вызова. Процессоры работают очень быстро (приблизительно 1-10 мс) и независимо от абонентов. Комплект занят в течение всего вызова и берет управление вызовом, когда отключается регистр. Регистр обеспечивает обмен различными типами сигналов (занятие, переадресация и т.д.), освобождение соединения, если вызов прекращен, и т.д. Это случается в аварийных ситуациях, когда вызов не переходит по з апланированному алгоритму. Например, абонент может неожиданно повесить трубку и т.д. Кроме того, система имеет ограниченную пропускную способность. Об этом мы будем говорить в лекции 2.

Входящие вызовы к абоненту обслуживаются приблизительно тем же самым способом. Кодовый приемник на станции B-абонента получает цифры и устанавливает соединение через групповые и абонентские каскады к B-абоненту с использованием регистров станции.

Стратегия функционирования

Речевой тракт обычно работает как система с потерями, тракт управления работает как система с ожиданием (Лекция 2).

Если нет свободного шнура и свободного регистра, тогда абонент не получает сигнала "ответ станции" независимо от того, как долго он будет его ожидать. Если нет свободного выхода станции вызываемому B-абоненту, вызывающему A-абоненту будет передан сигнал занятости и независимо от любого дополнительного времени ожидания соединение не будет установлено. Если процессор (или все процессоры, когда их несколько) заняты, то вызов будет ждать, пока процессор не освободится. Из-за очень короткого времени занятости время ожидания часто настолько незначительно, что абоненты не замечают этой задержки. Если несколько абонентов ждут одного и того же процессора, они обычно обслуживаются в случайном порядке, независимо от времени прибытия.

Пути, которые выбирают устройства управления и комплекты одного типа, часто выбираются циклически, так что они получают приблизительно одно и тоже число вызовов. Это преимущество, поскольку гарантируется, что все приборы будут обслуживать одно и то же количество вызовов и абонент в нормальной ситуации не будет повторно получать дефектный комплект или тракт при повторной попытке вызова.

Если тракт управления занят больше заданного времени, произойдет принудительное разъединение. Это исключает возможность для отдельных вызовов блокировать жизненно важные части станции, например регистр. Также возможно генерировать информирующий акустический сигнал для ограничения продолжительности времени установления соединения с B-абонентом и таким образом ограничить время блокировки этого телефона при каждой попытке вызова. Станция должна работать и функционировать независимо от поведения абонента. Взаимодействие между различными частями станции и абонентом проходит в соответствии со строго и хорошо определенными правилами, называемыми протоколами, которые в старых системах определены замонтированной логикой, а в системах с программным управлением - программной логикой.

Цифровые системы, например ISDN - Цифровая сеть интегрального обслуживания, где информация передается в цифровом виде от абонента к абоненту ( 2 * B + D = 2 * 64 + 16 Кбит на абонента), конечно, работают с помощью других методов и тем отличаются от обычных систем, описанных выше. Однако фундаментальные инструментальные средства расчета телетрафика подходят для оценки обеих систем. Эти же средства применяются и к широкополосным системам B-ISDN, которые базируются на ATM (асинхронном режиме передачи).