Введение в разработку телетрафика

Сети связи

Существуют различные виды систем телекоммуникаций: телефонные сети, сети передачи данных, Интернет и т.д.Сегодня доминирует телефонная сеть, и другие сети будут часто объединяться физически с телефонной сетью. В будущих цифровых сетях планируется объединить большое количество услуг в одну сеть ( цифровая сеть интегрального обслуживания, широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания ).

Телефонная сеть

Телефонная сеть традиционно была создана как иерархическая система. Отдельные абоненты связаны с абонентской подстанцией или иногда местной станцией, эта часть сети называется сетью доступа. Абонентская подстанция подключена к центральной местной станции, которая снова связана с транзитной станцией, по крайней мере, один для каждого номерной зоны. Транзитные станции обычно объединяются в сеть (рис. 1.5). Кроме того, могут существовать соединения между двумя местными станциями (или абонентскими подстанциями), принадлежащими различным транзитным станциям (местным станциям), если имеется трафик для такой связи.

Рис. 1.5. Есть три основных структуры сетей: сеть типа "каждый с каждым", сеть типа "звезда", кольцевая сеть. Кольцевые сети применимы, когда есть немного больших станций (верхняя часть иерархии сети, также называемая сетью многоугольника), тогда как звездчатые сети ["звездные" сети] - когда есть много маленьких станций (нижняя часть иерархии сети). Кольцевые сети используются, например, в волоконно-оптических системах

Соединение между двумя абонентами в различных транзитных зонах обычно проходит следующие станции:

абонент - местная станция - транзитная станция - местная станция - абонент.

Транзитные группы магистралей могут использовать либо аналоговые, либо цифровые системы передачи и оборудование и часто применяют мультиплексирование.

Двенадцать аналоговых каналов, 3 кГц каждый, комплектуются в одну систему частотного уплотнения первого порядка (частотное уплотнение), в то время как 32 цифровых канала, 64 Кбит/с каждый, комплектуются в одну систему импульсно-кодовой модуляции первого порядка ( систему ИКМ-30 - PCM) 2,048 Мбит/с (импульсно-кодовое мультиплексирование, временное уплотнение).

Каналы 64 Кбит/с работают при дискретизации аналогового сигнала на скорости 8 кГц и точности амплитуды 8 битов ( шагов квантования). Два из этих 32-х каналов в ИКМ-системе используются для передачи сигналов и управления.

Для надежности и безопасности должны почти всегда существовать по крайней мере два несовпадающих пути между любыми двумя станциями. Стратегия выбора путей должна сначала использовать самые дешевые соединения.

В телефонной сети, прежде чем любые два абонента смогут обмениваться информацией, должно быть создано полное двухстороннее (или двойное) соединение, которое существует в течение всей продолжительности связи. Такая телефонная сеть определяется как сеть, ориентируемая на соединение, в отличие, например, от сети Интернет, которая является сетью без установления соединения. Любая сеть, применяющая коммутаторы, - это сеть коммутации, ориентированная на соединение. Сеть пакетной коммутации может быть ориентирована на любой вариант (например, виртуальные соединения в ATM). Цель дисциплины планирования сети состоит в том, чтобы оптимизировать структуру сети и маршрутизацию трафика с учетом требований трафика, предоставления услуг, надежности и т.д.

Рис. 1.6. В телекоммуникационных сетях все станции, как правило, располагаются на трех уровнях иерархии. Местные станции, или абонентские станции (L), связывают абонентов с главными станциями (T), которые в свою очередь связаны с междугородными станциями (I). Городская зона компонуется в "звездную" сеть. Междугородные станции связаны в сети "каждый с каждым". На практике эти две сетевые структуры применяются совместно, потому что, когда имеется достаточный трафик, возможна прокладка группы прямых магистралей между любыми двумя станциями.

Пример 1.3.1: VSAT-сети

VSAT-сети (Maral, 1995 [76]) используются, например, многонациональными организациями для передачи речи и данных между различными частями широковещательной системы передачи новостей, в катастрофических ситуациях, и т.д. Это могут быть и соединения "точка-точка" и соединение "точка - много точек" (распределение и передача). Сокращение VSAT - Very Small Aperture^{1Aperture (апертура) - характеристика, которая определяет размеры излучающей поверхности антенны} Terminal - означает "терминал (спутниковый) с очень маленькой апертурой антенны (наземная станция)", этот терминал является спутниковой наземной станцией глобальной спутниковой сети с антенной диаметра 1,6-1,8 метра. Терминал здесь используется дешевый и мобильный. С его помощью можно обойтись без телефонной сети общего пользования. Сигналы передаются от VSAT -терминала через спутник к другому VSAT -терминалу. Спутник находится в фиксированной позиции на 35 786 км выше эква тора, и сигналы поэтому распространяются с задержкой приблизительно 125 мс на один участок (пролет). Доступная полоса частот разделяется на каналы 64 Кбит/с, и соединения могут быть односторонними или двусторонними (с двумя путями).

В самой простой версии все терминалы передают непосредственно для всех других, и в результате образуется сеть "каждый с каждым". Доступная полоса частот может быть назначена заранее (фиксированное назначение) или динамически (назначение по запросу). Динамическое назначение дает лучшее использование каналов, но требует более сложного управления. Из-за маленькой параболы (антенны) ослабление составляет 200 децибелов в каждом направлении. Поэтому фактически при передаче невозможно избежать ошибки, и применяются коды, исправляющие ошибки, и всевозможные схемы повторной передачи. Более устойчивая система получается, если ввести главный терминал (концентратор) с антенной 4-11 метров в диаметре. Тогда связь проходит через концентратор:

VSAT - концентратор - концентратор - VSAT

и становится более достоверной, так как концентратор способен получить слабые сигналы и усилить их, чтобы VSAT получил более сильный сигнал. Цена, которая будет заплачена за это, - увеличение задержки распространения, которая теперь будет составлять 500 мс. Установка концентратора также допускает централизованное управление и контроль системы. Так как вся связь проходит через концентратор, сетевая структура имеет "звездную" топологию.

Сети передачи данных

Сеть передачи данных иногда проектируется согласно тому же принципу, что и телефонная сеть, за исключением того, что продолжительность фазы установления соединения намного короче. Другой вид сети передачи данных применяется в так называемой сети распределения пакетов, которая работает с промежуточным накоплением (см. рис. 1.7). Данные не передаются непосредственно с передатчика на приемник за один шаг, а требуется несколько шагов, чтобы обменяться информацией. Это может создать задержки на станциях, которые являются компьютерами и работают как системы с ожиданием (передача без установления соединения). Если пакет имеет ограничение по максимальной длине (например, протокол пакетной коммутации X.25), то сообщение сегментируется на множество пакетов, которые не обязательно следуют через сеть тем же самым путем. Заголовок пакета содержит порядковый номер, который позволяет разместить пакеты в правильном порядке в приемнике. Кроме того, используются коды коррекции ошибки, и правильность каждого пакета проверена в приемнике. Если пакет правилен, подтверждение передают назад предыдущему узлу, который теперь может удалить его копию пакета. Если предыдущий узел не получает подтверждение в течение заданного временного интервала, тогда повторно передаётся новая копия пакета (или целая последовательность пакетов).

Рис. 1.7. Дейтаграммная сеть передачи данных по принципу "с промежуточным накоплением" (store - and - forward switching)

Наконец, существует управление сообщением от передатчика до приемника. Этот способ предоставляет очень достоверную передачу. Если целое сообщение передают в единственном пакете, это называется коммутация сообщений. Они используются крайне редко. Так как станции в сети передачи данных - это компьютеры, то можно применить расширенные стратегии для маршрутизации трафика.

Локальные вычислительные сети (LAN)

Локальные вычислительные сети - очень специфичный, но очень важный тип сети передачи данных, где все пользователи через компьютер подключены к одной цифровой системе передачи, например, коаксиальному кабелю. Обычно использовать среду одновременно и передать некоторые данные другому пользователю может только один пользователь. Так как система передачи имеет большую емкость по сравнению с потребностью отдельных абонентов, каждый пользователь работает с системой, как будто он - единственный. Существует несколько типов локальных вычислительных сетей, которые применяют адекватные стратегии для управления доступом к среде ( MAC - Medium Access Control - управление доступом к среде ). Они задают принципы предоставления ресурса в случае, когда много пользователей конкурируют за доступ к среде. Существует два главных типа локальных вычислительных сетей: множественный доступ с контролем несущей и разрешением конфликтов CSMA/CD (локальная сеть Ethernet) и маркерные сети.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов CSMA/CD - наиболее широко используемый метод.

Все терминалы все время "слушают" среду передачи и знают, когда она свободна и когда занята. В то же самое время терминал может установить, какие пакеты поступили и должны быть накоплены. Терминал, желающий передать пакет, передает его, если среда свободна. Если среда занята, терминал ждет случайное время перед повторной попыткой. Из-за конечной скорости распространения возможно, что два (или даже больше) терминала начнут передачу в пределах короткого временного интервала, тогда два или больше сообщения столкнутся в среде. Такое явление названо конфликт. Так как все терминалы "слушают" все время среду, они могут немедленно обнаружить, что переданная информация отличается от того, что они получают, - и тогда они делают вывод, что возник конфликт. Терминалы, вовлеченные в конфликт, немедленно останавливают передачу и повторяют попытку снова через случайное время.

В локальной вычислительной сети маркерного типа терминал, который может передать информацию, теперь должен обладать маркером. Маркер передается между терминалами согласно заранее заданным правилам.

В настоящее время работают локальные вычислительные сети, основанные на методике ATM. Кроме того, входят в обиход LAN на основе радио. Из-за небольшого географического расстояния между пользователями в локальных вычислительных сетях время распространения незначительно.

В спутниковой сети передачи данных задержка распространения является большой по сравнению с длиной сообщений, и в этих приложениях используются иные стратегии, чем в локальных вычислительных сетях.

Мобильные системы связи

Огромное развитие в эти годы получили мобильные системы связи, где среда передачи - это либо аналоговые, либо цифровые радиоканалы (радио). Спектр частот разделен на различные частотные полосы, определенные для заданных целей. Для мобильной связи поднабор этих частотных полос зарезервирован. Каждая частотная полоса соответствует ограниченному числу каналов радиотелефона, и для мобильных систем связи в целом это ограничивающий ресурс. Оптимальное его использование - главная проблема в сотовой технологии. В следующем подразделе мы рассмотрим этот вопрос.

Сотовые системы

Структура. Когда некоторая географическая область должна быть снабжена мобильной телефонной связью, на ее территории должно быть размещено некоторое количество базовых станций. Базовая станция - антенна с оборудованием передачи/получения или радиосоединением со станцией мобильного телефона ( MTX ), которые являются частью традиционной телефонной сети. У каждого абонента должна быть мобильная телефонная станция, которая должна обслуживаться всеми базовыми станциями в данной области трафика. При распространении в атмосфере радиоволны затухают, поэтому базовая станция способна покрыть только ограниченную географическую область, которая называется ячейкой (не путать с ATM -ячейкой). Невозможно использовать одну и ту же радиочастоту в двух соседних базовых станциях, но та же частота может использоваться в двух базовых станциях, не имеющих общей границы. Таким образом, допускается повторное использование частот.

На рис.1.8 показан пример. Число каналов на одну ячейку соответствует данному объему трафика. Размер ячейки будет зависеть от объема трафика. В плотно заполненных областях, таких как центр города, ячейки будут маленькие, в то время как в редко заполненных областях ячейки будут большие.

Рис. 1.8. Сотовая мобильная система связи. Как показано на рисунке, с помощью разделения на 3 группы (A, B и C) частоты могут повторно использоваться

Распределение каналов - очень сложная проблема. В дополнение к ограничениям, приведенным выше, существует множество других ограничений. Например, должно быть некоторое частотное расстояние (число каналов) между двумя каналами на одной базовой станции (соседнее ограничение канала), чтобы избежать интерференции.

Стратегия. В системах мобильного связи должна существовать база данных с информацией обо всех абонентах. Любой абонент является либо активным, либо пассивным, в зависимости от того, включен или выключен его радиотелефон. Когда абонент включает телефон, это автоматически означает, что активизируется так называемый канал управления и происходит идентификация абонента.

Канал управления - радиоканал, используемый базовой станцией для управления. Остальные каналы - каналы трафика.

Для вызова другого мобильного абонента (B-абонент) нужны следующие действия: станция мобильного телефона получает вызов от другого абонента (A-абонент, фиксированный или мобильный).

Если B-абонент пассивен (выключенная телефонная трубка), A-абонент информируется о том, что B-абонент не доступен. Если B-абонент активен, его номер воспроизводится на всех каналах управления в области трафика. B-абонент опознаёт собственный номер и сообщает через канал управления, в какой ячейке (базовой станции) он находится. Если существует свободный канал трафика, сообщения распределены и центр коммутации мобильной связи принимает вызов, то заявка на соединение от мобильного абонента (A-абонент) переходит с канала управления на канал трафика, где вызов установлен. Первая фаза - прием цифр и определение состояния (проба) B-абонента - в некоторых случаях выполняется каналом управления (сигнализация по общему каналу), абонент способен передвигаться свободно в пределах собственной области трафика. Когда он удаляется от базовой станции, это обнаруживает центр коммутации мобильной связи, который постоянно контролирует отношение сигнал/шум. Тогда мобильный терминал перемещает вызов на другую базовую станцию и на другой канал трафика с лучшим качеством. Это проводится автоматически при взаимодействии между центром коммутации мобильной связи и абонентским оборудованием и обычно не замечается абонентом. Эта операция названа хэндовер - передача вызова ( handover ) и, конечно, требует существования свободного канала трафика в новой ячейке. Чтобы не прерывать существующие вызовы, вызовам хэндовера предоставляются более высокие приоритеты, чем новым вызовам. Эта стратегия может быть реализована с помощью резервирования одного или двух свободных каналов для вызова хэндовера. Когда абонент покидает свою область трафика, начинается процесс, называемый роуминг. Центр коммутации мобильной связи в новой области, получив идентификационный номер абонента, может определить местонахождение домашнего центра коммутации мобильной связи абонента и отправить сообщение с информацией о новом местонахождении к домашнему центру коммутации мобильной связи. Входящие вызовы абоненту бу дут всегда идти к домашней центру коммутации мобильной связи, который затем направит вызов к новому центру коммутации мобильной связи. Исходящие вызовы будут приняты обычным образом.

Для мобильной связи используются различные системы.

Широко распространенная цифровая беспроводная система - GSM, которая применяется всюду в Западной Европе.

Международный союз электросвязи работает над мобильной глобальной системой. Универсальная персональная связь (UPT - Universal Personal Telecommunication) - ее абоненты могут быть "обнаружены" во всем мире. Широковещательно оповещающие системы - примитивные односторонние системы.

Цифровой европейский переносной телефон ( DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunications ) является стандартом для беспроводных телефонов. Он может быть применен в местном масштабе в компаниях, деловых центрах и т.д. В будущем будет разработано оборудование, которое может использоваться и для DECT, и для GSM. Здесь DECT соответствует системе с очень маленькими ячейками, в то время как GSM - система с большими ячейками.

Планируются также спутниковые системы связи, в которых спутниковая станция соответствует базовой станции. Первая такая система, Иридий, состояла из 66 спутников. При таком количестве всегда был доступен в любом данном местоположении более чем один спутник в пределах географического диапазона системы. Спутники имеют невысокие орбиты - высотой только несколько сотен километров. Система "Иридий" была неудачной, но теперь есть более новые системы, такие как Инмарсат (INMARSAT - International Marine Satellite Telecommunication Organization).

Рекомендации ITU по разработке трафика

Следующая секция содержит краткий обзор рекомендаций E.490. IEEE, ( Международный союз электросвязи ) - организация, спонсируемая Организацией Объединенных Наций, для того чтобы развивать международную связь (см. также Villen, 2002 [99]). Она разделяется на три сектора:

• телекоммуникационный сектор стандартизации ( ITU -T );
• сектор радиосвязи ( ITU-R );
• телекоммуникационный сектор развития ( ITU-D ).

Первичная функция ITU-T - разработка международных эталонов и стандартов для телесвязи. Стандарты публикуются как рекомендации. Первоначальная задача ITU-T ограничивалась только задачами обеспечения взаимодействия международных сетей. Потом область его влияния была расширена на построение национальных сетей. В настоящее время рекомендации ITU-T широко используются как фактические национальные стандарты.

Цель большинства рекомендаций состоит в том, чтобы гарантировать совместимость и взаимодействие телекоммуникационного оборудования в среде мультиоператоров и мультипродавцов. Но есть также рекомендации, которые относятся к оптимальным методам функционирования сетей. Рекомендации по разработке трафика входят в эту группу.

ITU-T разделен на исследовательские группы ( SD-Study Group ). Исследовательская группа 2 ( SD2 ) отвечает за аспекты работы сервисных сетей, условия и рабочие характеристики. Каждая исследовательская группа разделена на рабочие группы. Рабочая группа 3 из исследовательской группы 2 ( WP 3/2 ) отвечает за разработку трафика.

Разработка трафика в ITU

Хотя рабочая группа 3/2 несет полную ответственность за разработку трафика, некоторые рекомендации по разработке трафика или связанные с этим вопросом были предложены другими группами.

Исследовательская группа 7 (серия X ) выпустила ряд рекомендаций по разработке трафика для сетей передачи данных, исследовательская группа 11 - некоторые рекомендации по цифровой коммутации и передаче сигналов, и некоторые рекомендации серии I подготовлены исследовательской группой 13. Они касаются аспектов трафика, которые связаны с архитектурой сети N - и B-ISDN ( цифровой сети интегрального обслуживания ) и сети, основанной на IP . В пределах исследовательской группы 2 рабочая группа 1 отвечает за рекомендации по маршрутизации и рабочая группа 2 - за рекомендации сетевого управления трафиком.

Мы рассмотрим рекомендации, выпущенные рабочей группой 3/2. Они находятся в серии E (номера от E.490 до E.799) и составляют главную часть рекомендаций ITU-T по разработке трафика. Рекомендации по разработке трафика могут быть классифицированы согласно четырем главным техническим задачам трафика:

• характеристики трафика;
• цели уровня обслуживания ( GoS );
• управление и определение объема трафика;
• управление рабочими характеристиками.

Взаимосвязь между этими четырьмя задачами проиллюстрирована на рис.1.9. Начальные задачи при разработке трафика состоят в том, чтобы характеризовать поступление трафика и определить уровень обслуживания - GoS (или рабочие характеристики). Результатом становятся начальные данные для выбора ресурсов сети, определения объема трафика и для того, чтобы установить соответствующий контроль трафика. Наконец, необходимо проверять, были ли достигнуты цели и при каких рабочих характеристиках - эти же данные используются как информация обратной связи всего процесса. Секции 1.5.2, 1.5.3, 1.5.4, 1.5.5 описывают каждую из вышеупомянутых четырех задач. Каждая секция содержит полную постановку соответствующей задачи и суммирует связанные рекомендации. Секция 1.5.6 дает несколько дополнительных рекомендаций, область действия которых не входит в перечисленные выше задачи. Секция 1.5.7 описывает текущую программу работы, и Секция 1.5.8 содержит некоторые выводы.