Планирование сети доступа NGN для новых групп пользователей

Для расчёта числа пакетов в час наибольшей нагрузки необходимо задаться объёмом переданных данных. Предположим, что абоненты второй группы относятся к интернет-сёрферам, т.е. в основном просматривают веб-страницы. Средний объём данных, переданных за час при таком способе подключения, составит около V2 = 10 Мбайт = 80 Мбит. Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

N2_д = p2· N ·V2/h     (4.5)

где

• N2_д – количество пакетов, генерируемых в час наибольшей нагрузки абонентами второй группы при использовании сервисов передачи данных;
• p2 – доля пользователей группы 2 в общей структуре абонентов;
• h – размер поля данных пакета;
• N – общее число пользователей.

Суммарное число пакетов, генерируемых второй группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N2 = N2_т + N2_д                               (4.6)

 

3. Расчёт числа пакетов от третьей группы абонентов (triple play)

Все рассуждения, проведённые относительно первых двух групп, остаются в силе и для третьей группы, применительно к сервисам передачи голоса, а именно:

N3_т = n1· t3_т· f3· p3· N     (4.7)

где:

• N3_т – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании голосовых сервисов;
• n1 – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании кодека G.711;
• t3 – средняя длительность разговора в секундах;
• f3 – число вызовов в час наибольшей нагрузки;
• p3 – доля пользователей группы 3 в общей структуре абонентов;
• N – общее число пользователей.

Предположим, что абоненты третьей группы относятся к «активным» пользователям интернета, т.е., используют не только http, но и ftp, а также прибегают к услугам пиринговых сетей. Объём переданных и принятых данных данных при таком использовании интернета составляет до V3 = 100 Мбайт = 800 Мбит.

Число пакетов, переданных в ЧНН, будет равно

N3_д = p3· N · V3/h        (4.8)

Для расчёта числа пакетов, генерируемых пользователями видео-услуг, воспользуемся соображениями относительно размера пакета, приведёнными в предыдущем пункте. Размер пакета не должен превосходить 200 байт (вместе с накладными расходами).

Одной из наиболее перспективных и динамически развивающихся услуг является IPTV – передача каналов телевещания с помощью протокола IP. При организации данного сервиса для каждого пользователя в транзитной сети доступа не требуется выделения индивидуальной полосы пропускания. До мультисервисного узла доходит определённое количество каналов, которые распределяются между заказчиками услуги, причём существует возможность организации широковещательной рассылки. Допустим, что в мультисервисной сети предоставляется возможность просмотра K_tv = 40 каналов вещания. Для обеспечения удовлетворительного качества скорость кодирования должна быть порядка 2 Мбит/с.

Итак, при скорости передачи v = 2048000 бит/с и размере полезной нагрузки пакета h = 160 байт = 1280 бит число пакетов, возникающих при трансляции одного канала, равно:

n3 = v/h      (4.9)

n3 = 2048000/1280 = 1600 (пакетов в секунду)

Количество пакетов, генерируемых 40 каналами в ЧНН, составит

N3_В = K_tv · n3 · t3_В · 60    (4.10)

Где:

• N3_В – число пакетов, генерируемое третьей группой пользователей в час наибольшей нагрузки при использовании видео-сервисов сервисов;
• n3 – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании просмотре видео, сжатого по стандарту MPEG2;
• K_tv – число каналов вещания, организуемых в мультисервисной сети.
• t3_В – среднее время просмотра каналов в ЧНН, мин.

Суммарное число пакетов, генерируемых третьей группой пользователей в сеть в час наибольшей нагрузке, будет равно

N3 = N3_т + N3_д + N3_В    (4.11)

4. Требования к производительности мультисервисного узла доступа

Мультисервисный узел доступа должен обслуживать трафик от всех трёх групп пользователей. Кроме того, именно узел доступа должен обеспечить поддержку качества обслуживания путем приоритезации трафика, которая должна осуществляться независимо от используемой технологии транспортной сети доступа.

Суммарное число пакетов, которое должен обработать мультисервисный узел доступа, будет равно:

 

NΣ = N1 + N2 + N3 =  n1· t1·f1·p1·N + (n1· t2· f2· p2· N + p2· N · V2/h) +  
+ (n1· t3·f3·p3· N + p3·N ·V3/h + K_tv·n3 · t3_В· 60)   (4.12)

 

Учитывая, что:

t1 = t2 = t3 = t – средняя длительность разговора в секундах;

f3 =  f2 = f1 = f – число вызовов в ЧНН;

Получим

NΣ = n1 · t · f ·N · (p1 + p2 + p3) + N/h · ( p2·V2 +  p3·V3) + K_tv· n3 · t3_В· 60  (4.13)

Учитывая, что  p1 + p2 + p3 = 1, получим

NΣ = N · (n1 · tТ · f  + ( p2·V2 +  p3·V3)/h) + K_tv· n3 · t3_В · 60  (4.14)

 

При N = 4000 абонентов, n1 = 50 пакетов в секунду, t =120 секунд, f = 5 вызовов в час, V2 = 10 Мбайт, V3 = 100 Мбайт, t3_В = 60 минут, n3 = 1600, p1 = 80%, p2 = 15%, p3 = 5% получим:

 

NΣ = 4000 · (50·120· 5+ (0,15· 107+0,05·108)/160) + 40·1600· 60· 60 = 
= 5,129·108(пакетов в час)  (4.16)

Среднее число пакетов в секунду равно

NΣ_сек = NΣ/3600

NΣ_сек = 142472(пакетов/сек).

Данный показатель позволяет оценить требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик мультисервисной сети доступа NGN. Анализ приложения 1 показывает, что выбор такого маршрутизатора осуществляется из весьма ограниченного количества вариантов.

2. Требования к полосе пропускания.

Требования к полосе пропускания определяются гарантиями качества обслуживания, предоставляемыми оператором пользователю. Параметры QoS описаны в рекомендации ITU Y.1541. В частности, задержка распространения из конца в конец при передачи речи не должна превышать 100 мс, а вероятность превышения задержки порога в 50 мс не должна превосходить 0,001, т.е.

мс

p{tp > 50 мс} ≤ 0.001

Задержка из конца в конец складывается из следующих составляющих:

tp = tпакет +  tад + tcore + tад + tбуф    (4.17)

Где    tp – время передачи пакета из конца в конец;

tпакет – время пакетизации (зависит от типа трафика и кодека);

tад – время задержки при транспортировке в сети доступа;

tcore – время задержки при распространении в транзитной сети;

tбуф – время задержки в приёмном буфере.

Из таблицы 4-1 видно, что применение низкоскоростных кодеков «съедает» основную часть бюджета задержки. Задержка в приёмном буфере также велика, поэтому на сеть доступа и транспортная сеть должны обеспечивать минимальную задержку.

Допустим, что задержка сети доступа не должна превышать 5 мс. Время обработки заголовка IP-пакета близко к постоянному. Распределение интервалов между поступлениями пакетов соответствует экспоненциальному закону. Поэтому для описания процесса, происходящего на агрегирующем маршрутизаторе, можно воспользоваться моделью M/G/1.

Для данной модели известна формула, определяющая среднее время вызова в системе (формула Полячека – Хинчина) [21].

      (4.18)

где   – средняя длительность обслуживания одного пакета;

 – квадрат коэффициента  вариации, 0,2;

 – параметр потока, = 142472;

 – среднее время задержки  пакета в сети доступа, = 0,005 с.

Ненулевой коэффициент вариации учитывает возможные отклонения при использовании  в заголовках IP полей ToS. Кроме того, время обработки IP-пакета в значительной мере зависит от используемых на маршрутизаторе правил обработки.

Из формулы (4.1.1) следует зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

       (4.19)

Данная зависимость представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4. Зависимость максимальной величины для средней длительности обслуживания одного пакета от среднего времени задержки в сети доступа.

 

Интенсивность обслуживания связана со средним временем задержки пакета в сети доступа обратно пропорционально:

       (4.20)

Графически данная зависимость представлена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5. Зависимость интенсивности обслуживания от времени задержки в сети доступа

 

При норме задержки = 5 мс среднее время обслуживания пакета (для рассчитанной выше пропускной способности) будет равно

(секунд)

Время t должно выбираться как минимальное из двух возможных значений. Первое значение – величина, полученная из последней формулы. Второе значение – та величина, которая определяется из условия ограничения загрузки системы – r. Обычно эта величина не должна превышать 0,5.

При среднем значении задержки в сети доступа 5 мс коэффициент использования равен:

     (4.21)

При таком высоком использовании малейшие флуктуации параметров могут привести к нестабильной работе системы. Определим параметры системы при её использовании на 50%. Средняя длительность обслуживания будет равна 

      (4.22)

(секунд)

Интенсивность обслуживания при этом

    (4.23)

А задержка в сети доступа

(секунд)

Рассчитывать вероятность s(t)= при известных λ и τ нецелесообразно, т.к. в Y.1541 вероятность P{t>50мс} < 0.001 определена для передачи из конца в конец.

При известном среднем размере пакета h = 200 байт получаем требуемую полосу пропускания

φ = β×h = 2.849×105× 200= 5.699·107 (байт/с) = 4.559 · 108 (бит/с)  (4.25)

Данная пропускная способность обеспечивается системами передач не ниже STM-4.

Предположим, что в структурном составе абонентов отсутствуют «новые» группы пользователей. При этом в  вышеприведённом анализе следует опустить расчёт числа пакетов, возникающих при использовании сервисов высокоскоростной передачи данных и видеоуслуг.

Число пакетов, возникающих в ЧНН, будет равно

Ntel = n· t ·f ·N     (4.24)

где:

• Ntel – число пакетов, генерируемое всеми абонентами в час наибольшей нагрузки;
• n – число пакетов, генерируемых в секунду одним абонентом при использовании кодека G.711;
• t – средняя длительность разговора в секундах;
• f – число вызовов в час наибольшей нагрузки;
• N – общее число пользователей.

Число пакетов в секунду:

Ntel_сек = Ntel/3600 = n· t ·f ·N/3600

Ntel_сек = 50 · 120 · 5 · 4000/3600 = 33333 (пакетов/с)

Среднее время обслуживания одного пакета при норме задержки 5 мс:

Коэффициент использования:

 

При использовании системы на 50%:

(секунд)

Требуемая пропускная способность:

φ = β×h = 6,667×105×200= 1,33·107 (байт/с) = 1,07·108 (бит/с)

Такой концентратор можно подключать по интерфейсу 100BaseTX.

3. Выводы по главе 4

1. При планировании сети доступа необходимо учитывать «расслоение» абонентской базы.
2. При анализе сети доступа целесообразно использовать модель M/G/1.
3. В сети доступа NGN основная нагрузка создаётся пользователями услуг «triple play services». Число этих пользователей невелико, однако они приносят оператору значительный доход.

 

Заключение

В ходе дипломной работы были получены следующие основные результаты:

• Проанализированы основные модели NGN.
• Выявлены недостатки сетей следующего поколения и определены препятствия на пути к повсеместному внедрению NGN.
• Произведён анализ принципов построения сетей доступа следующего поколения.
• Разработан метод расчета пропускной способности перспективной сети доступа, поддерживающей услуги "triple-play services".
• Определены требования к производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик сети доступа.
• Оценена пропускная способность, необходимая для удовлетворения потребностей группы абонентов, использующих услуги «triple play services».

Полученные результаты позволяют судить о том, что при востребованности мультимедийных услуг даже небольшой группой абонентов требования к полосе пропускания изменяются радикально. Поэтому при планировании сети доступа NGN необходимо, во-первых, провести тщательный анализ потребностей абонентов, и, во-вторых, предусмотреть значительный запас полосы пропускания на случай изменения абонентского состава сети доступа.

 

Приложение 1. Данные о производительности маршрутизаторов CISCO.

Модель	Process Switching  (использование классической маршрутизации)		Fast/CEF switching  (использование экспресс-маршрутизации)
	пакеты/с	Мбит/с	пакеты/с	Мбит/с
14xx	600	0,3072	4000	2,05
160x (-R)	600	0,3072	4000	2,05
1701	1700	0,8704	12000	6,14
1710	1300	0,6656	7000	3,58
1711/1712	1700	0,8704	13500	6,91
1720	1400	0,7168	8500	4,35
1721	1700	0,8704	12000	6,14
1750	1400	0,7168	8500	4,35
1751	1500	0,768	12000	6,14
1760	1700	0,8704	16000	8,19
1841	_	_	75000	38,40
2500	800	0,4096	4400	2,25
261x	1500	0,768	15000	7,68
262x	800	0,768	25000	12,80
265x	2000	1,024	37000	18,94
261xXM	1500	0,768	20000	10,24
262xXM	1500	0,769	30000	15,36
265xXM	2000	1,024	40000	20,48
2691	7400	3,788	70000	35,84
2801	_	_	90000	46,08
2811	_	_	120000	61,44
2821	_	_	170000	87,04
2851	_	_	220000	112,64
3620	2000	1,024	20000-40000	10-20
3640/3640A	4000	2,048	50000-70000	25,6-36
3660	12000	6,144	100-120000	51,2-61,4
3631	4000	2,048	50-70000	115,2-128
3725	_	_	100-120000	51,2-61,4
3745	_	_	225-250000	115,2-128
MC3810	2000	1,024	8000	4,10
MC3810-V3	3000	1,536	15000	7,68
3825	_	_	350000	179,20
3845	_	_	500000	256,00
IAD2400	3000	1,536	15000	7,68
4000	1800	0,9216	14000	7,17
4500	3500	1,792	45000	23,04
4700	4600	2,3552	75000	38,40
7120	13000	6,656	175000	89,60
7140	20000	10,24	300000	153,60
7200-NPE100	7000	3,584	100000	51,10
7200-NPE150	10000	5,12	150000	76,80
7200-NPE175	9000	4,608	177848	91,06
7200-NPE200	13000	6,656	200000	102,40
7200-NPE225	13000	6,656	233170	119,38
7200-NPE300	20000	10,24	353000	180,74
7200-NPE400	20000	10,24	420000	215,04
7200-NPE-G1	79000	40,448	1018000	521,22
7200-NSE-1	20000	10,24	300000	153,60
7200-NSE-100	_	_	450000	230,4
7200-NPE-G100	_	_	1099000	562,69
7301	79000	40,448	1018000	521,22
7401	20000	10,24	300000	153,6
7000-RP	2500	1,28	30000	15,36
7500-RSP2	5000	2,56	220000	112,64
7500-RSP4/4+	8000	4,096	345000	176,64
7500-RSP8	22000	11,264	470000	240,64
7500-RSP16	29000	14,848	530000	271,36