Расчет структурно-сетевых параметров мультисервисных сетей телекоммуникаций

 

 

 

 

 

 

 

2.2 СПОСОБ И СРЕДСТВА ОРГАНИЗАЦИИ TCP/IP

 

Для проверки возможности создания сети передачи речи через протокол IP требуется проанализировать структуру существующей сети. Сеть должна отвечать следующим требованиям: 

1. Управляемая сеть. Сеть передачи речи через протокол IP должна быть реализована на базе управляемой IP-сети, например, на базе Frame Relay, арендованных линий или IP-VPN (виртуальной частной сети). Неуправляемая сеть, например, Интернет (включая Интернет-VPN), не должна использоваться для создания сети передачи речи через протокол IP, поскольку задержки и потери при передаче данных могут привести к значительному ухудшению качества речи.
2. Статическая IP-адресация. IP-телефоны, установленные в сети, всегда осуществляют VoIP-связь через АТС. Следовательно, этой АТС должен быть назначен статический IP-адрес, который необходимо запрограммировать на каждом IP-телефоне в сети. Если DHCP-сервер (позволяющий автоматизировать IP-адресацию устройств в сети) не используется, статическая IP-адресация также должна быть активизирована для всех IP-телефонов.
3. Доступ к IP-сети только одним маршрутизатором. В качестве точки доступа к сети может использоваться только один маршрутизатор. Следовательно, если в сети два маршрутизатора (А и В), при отказе маршрутизатора A, IP-адрес которого назначен в качестве IP-адреса шлюза по умолчанию АТС и IP-телефона, VoIP-связь больше не обеспечивается, поскольку переключение шлюза по умолчанию от маршрутизатора A к маршрутизатору B для получения доступа к IP-сети невозможно.
4. Трансляция сетевых адресов (NAT/NAPT). При использовании маршрутизатором трансляции адресов (например, NAT/NAPT) в целях преобразования глобальных IP-адресов в локальные, эффективная VoIP-связь не гарантируется. Следовательно, маршрутизаторы, применяемые для получения доступа к IP-сети, не должны использовать NAT/NAPT. Как правило, функции NAT и NAPT поддерживаются маршрутизаторами.
5. Одна IP сеть между двумя сторонами. Выполнение вызовов через несколько IP-сетей, приведет к значительному ухудшению качества речи; поэтому создавать сеть передачи речи через протокол IP в такой конфигурации не рекомендуется

Будем называть некоторую  вершину неориентированного графа  точкой сочленения, если при удалении ее и всех инцидентных ей ребер  в графе увеличивается количество компонент связности. Эквивалентным  определением является следующее: вершина u является точкой сочленения тогда  и только тогда, когда в графе  существуют две вершины v и w, отличные от u и принадлежащие одной компоненте связности, такие, что любой путь из v в w проходит через u.

Будем называть граф двусвязным, если он не содержит точек сочленения. Всякий максимальный двусвязный подграф  графа будем называть двусвязной компонентой. Другими словами, двусвязная компонента графа — это любой  его подграф, в котором удаление произвольной вершины и инцидентных  ей ребер не влечет потерю связности  этого подграфа, и к этому подграфу нельзя добавить ни одной вершины, сохранив это свойство. На рисунке в графе  выделены точки сочленения (вершины 2 и 4) и указаны двусвязные компоненты ({1, 2, 4}, {4, 6, 7}, {2, 3}, {5, 8}):

 

 

 

Рис. 7 – пример двусвязного  графа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАСЧЕТ СРЕДНЕГО ВРЕМЕНИ  ДОСТАВКИ ПАКЕТА ДЛЯ КАЖДОГО  ВИДА ИНФОРМАЦИИ

Пусть информация передается по сети без относительного приоритета:

• Число речевых абонентов в каждом узле – 1000
• Коэффициент активности речи – 0,5
• Кодек - Рекомендация G.711
• Алгоритм предназначен для компрессии и передачи речевых данных со скоростью 64 кбит/с.
• Входной сигнал с частотой дискретизации 8кГц, компандированный по А- или µ-закону (G711), преобразуется для получения линейного кода. В алгоритме LD-CELP предполагается, что входной сигнал лежит в диапазоне от -4095 до +4095 (А-закон). В случае µ-закона линейный код будет лежать в диапазоне от -8031 до +8031, следовательно, входные величины должны быть дополнительно разделены на 2 перед началом кодирования.
• Единственная информация, передаваемая от кодера декодеру, - это индекс в кодовой книге квантованных векторов возбуждения. Другие 3 вида параметров будут периодически обновляться: коэффициент усиления для сигнала возбуждения, коэффициенты синтезирующего фильтра, коэффициенты взвешивающего фильтра. Эти параметры вычисляются адаптивным способом на основании сигнала, предшествующего текущему вектору. Коэффициент усиления сигнала возбуждения обновляется с каждым новым вектором, а коэффициенты синтезирующего и взвешивающего фильтров обновляются каждые 4 вектора (т.е. каждые 20 отсчетов = период адаптации 2.5 мс). Хотя цикл адаптации в алгоритме равен 4 векторам, размер буфера по-прежнему составляет 1 вектор (5 отсчетов). Такой размер буфера позволяет достичь величины end-to-end задержки менее чем 2 мс.
• Для вычисления коэффициентов линейного предсказания синтезирующего фильтра 50го порядка, взвешивающего фильтра 10го порядка и фильтра предсказателя коэффициента усиления 10го порядка используется процедура, реализующая метод Левинсона-Дарбина. Вызывается данная процедура на трех подфрагментах и в качестве параметров получает размерность фильтра и указатели на массив автокорреляционных коэффициентов и массив выходных данных (куда будут помещены вычисленные коэффициенты предсказания). Для уменьшения числа операций "окружения" (изменения указателей, переинициализаций переменных и.т.п.) вычисление коэффициентов производится сразу для пар (2й, 3й коэффициенты, 4й, 5й ....) за один шаг алгоритма.
• В анализаторе осуществляется поиск среди 1024 кодовых векторов в кодовой книге возбуждений квантованной речи и определяется индекс лучшего кодового вектора, который дает соответствующий квантованный речевой вектор, наиболее приближенный к вектору входной речи.
• Для снижения сложности поиска 10-битовая 1024-элементная кодовая книга разбивается на две меньшие кодовые книги: 7-битовую "книгу форм", состоящую из 128 независимых кодовых векторов, и 3-битовую "книгу коэффициентов усиления", состоящую из 8 скалярных величин, симметричных относительно нуля (т.е. 1 бит для знака и 2 бита для модуля). Окончательное значение кодового вектора представляет собой результат произведения лучшего вектора формы (из 7-битовой книги форм) и лучшего уровня коэффициента усиления.
• Как только лучшие индексы (книги форм и книги коэффициентов усиления) определены, их соединяют для формирования выходной величины модуля поиска в кодовой книге в один 10-битовый индекс.
• При получении из канала связи индекса возбуждения по адресу, указнному в индексе, восстанавливается вектор возбуждения, выбранный анализатором LD-CELP.
• Декодированный речевой вектор получается путем фильтрации масштабированного вектора возбуждения через синтезирующий фильтр.

Используем IP систему, где длина слова с выхода пакетизатора составляет 112 байт, из которых 72 байта - информационные и 40 - служебные. Разговорная нагрузка составляет 0,2 Эрл, при этом среднее время разговора 12 мин ( t_cp =12 мин). Как известно, во время разговора абонент говорит 50% времени, а остальное время уходит на слушание собеседника и паузы в беседе. Для упрощения вычислений введем коэффициент активности к_а=0,5 (т.е. 50% -разговор, 50 % - молчание). Для определения длины информационного блока воспользуемся следующей формулой:

L = t_cp*T

где L -- длина информационной части,

Т- период обмена речью, равный:

T = vk_a

где v - скорость вокодера

Найдем Т:

Т = 64*10³*0,5 = 32 кбит/с.

Длина информационной части:

L = 12_мин*60_с *32*10³ = 23,04*10⁶ бит=2880кбайт

Тогда число пакетов равно:

N_pp=L/L_n=(2880кбайт)/72=40000

По заданию курсового  проекта:

Речь: 1000 абонентов;

Количество пакетов от речевых абонентов:

N_pp*1000=40000*1000=40 000 000

По заданию курсового  проекта даны пропускные способности  и загрузки:

1. Приоритет: речь – 0,3с; q=0,1
2. Приоритет: данные – 3с; q=0,2
3. Приоритет: текст – 60с; q=0,3

Интенсивность обслуживания выражается формулой:

µ=с/(H+L),

где с – скорость на выходе кодера, она равна:

с=( N_pp*40+L)/720=(40000*40+23,04*10⁶ бит)/720=34,222 кбит/с

H+L=112*8=896 бит

Тогда:

µ=(34222 бит/с)/896 бит=38,19 с^-1

Для нахождения среднего времени  доставки пакета информации используем следующую формулу:

Речь:

Т_ср1=3*(0,1/38,19)/(2*(1-0,1))=0,004с=4 мс;

Т_ср2=3*(0,1/38,19)/(2*0,9*0,8)=0,005с=5 мс;

Т_ср3=3*(0,1/38,19)/(2*0,8*0,7)=0,007с=7 мс;

Данные:

Т_ср1=3*(0,2/38,19)/(2*(1-0,2))=0,010с=10 мс;

Т_ср2=3*(0,2/38,19)/(2*0,8*0,6)=0,016с=16 мс;

Т_ср3=3*(0,2/38,19)/(2*0,6*0,4)=0,033с=33 мс;

Текст:

Т_ср1=3*(0,3/38,19)/(2*(1-0,3))=0,017с=17 мс;

Т_ср2=3*(0,3/38,19)/(2*0,7*0,4)=0,042с=42 мс;

Т_ср3=3*(0,3/38,19)/(2*0,4*0,1)=0,295с=295 мс;

 

Построим график зависимости  среднего времени доставки информации от загрузки

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8 – График зависимости  среднего времени доставки от пропускной способности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАСЧЕТ СТРУКТУРНЫХ  ПАРАМЕТРОВ

Топология иерархичечской связи  описывается контурно R-разделимым графом c простым подчинением, позволяющим представить иерархическую структуру композицией подграфов межступенчатых подсетей W_r;r+b r=1,R-1 b подсетей отдельных ступеней иерархии W_r, r=1,R (рисунок 8), которые в свою очередь, могут распадаться на зоновые подсети (см. рисунок 6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 – Контурно-разделимый граф

 

Спектр возможных топологий  дискретизируется некоторым набором  базовых, включающих КСС, РС, ПС_T, РШ, ПСС и равномерно k-связную сеть (РКС), (2<k<n-1).

Для базовых структур получены аналитические соотношения, связывающие  основные структурные параметры: диаметр  d, среднюю степень вершины k, среднюю длину маршрута π, число ребер m и число вершин n между собой (таблицы 1 и 2):

 

 

 

Таблица 1 – Аналитическое  соответствие связывающей структурных  параметров

Тип структуры	Диаметр графа, d	Степень вершины, к	Средняя длина маршрута, я	Доступное значение, п
PC	1	n	1	i+1
КСС	n-1	2(1-1/n)	(n+1)/3
ПСТ	(n-1)/2	2	(n+1)/4	2i+l
	n/2			2(i+l)
РШ	nv+ng-2			(i+1)(j+i)

 

Таблица 2

Тип труктуры	Число ребер, m	Средняя длина, l
PC	n-1
ксс	n-1
пст	n
РШ	(ng-l)nv+(nv-l)ng

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.СРАВНЕНИЕ ДВУХ СТРУКТУР

Информация передается по кратчайшему маршруту. Диаметр графа  определяет максимальный из кратчайших путей. Распределенная сеть к которой  подключается абонент А состоит  из 16 узлов. Сравнить две структуры: решетчатая структура (РШ) и двусвязная структура.

Сравнение данных базовых  структур осуществим по основным структурным  параметрам: диаметр графа d, средней длине маршрута l, средней степени вершины k.

Решетчатая структура:

n_v = 4; n_g=4

d= n_v+ n_g – 2=4+4-2=6

Двусвязная структура:

d=n-1=16-1=15

k=2(1-1/n)=2(1-1/16)=1,875

π=(n+1)/3=(16+1)/3=5,667

Рассчитав структурные параметры, мы видим, что диаметр графа и  средняя длина маршрута двухсвязной  структуры больше, чем решетчатой структуры, а степень вершины  решетчатой структуры больше, чем  двусвязной структуры. Так как диаметр  графа определяет максимальную задержку, a d₁=6, d₂=15, то T₁≤T₂ в 2,5 раза меньше, то есть задержки при передаче по сети двухсвязной структуры в 2,5 раза больше, чем по сети РШ структуры.Поэтому при заданном в курсовой работе количестве вершин n=16 наиболее приемлемой по структурно-сетевым параметрам является решетчатая структура (РШ), которая позволяет с достаточно высокой (в отличие от двусвязной структуры) скоростью доставлять пакеты в оконечные пункты (ОП).

Следовательно, общее быстродействие сети, построенной  по схеме РШ, значительно выше, чем  у сети, построенной по двусвязной структуре.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

В данной курсовой работе мы рассчитали среднее время доставки пакета для каждого вида информации и убедились, что среднее время  доставки не превышает пропускную способность, заданную для каждого приоритета.

Построив графики зависимости  среднего времени от загрузки, можно  проанализировать зависимость каждого  приоритета друг от друга.

Также мы произвели сравнение  двух структур по диаметру графа (d₁ > d₂) и по средней длине маршрута (π₁ > π₂)_. Эти параметры для 2 – связанной структуры в 1,25 раза больше, чем для 3 – связанной структуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

1.Лохмотко В.В., Пирогов  К.И. Анализ и оптимизация цифровых сетей интегрального обслуживания. – Мн.: Наука и техника, 1991

 

2.Назаров А.Н., Симонов М.В. Высокоскоростные асинхронные сети АТМ. - М.: Эко-Трендз, 1997