Моделирование инфокоммуникационных систем и сетей связи

1.

Моделирование
инфокоммуникационных
систем и сетей связи
(ИССС)
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 1

2.

Основные понятия
о структуре ИССС
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 2

3. Схема инфокоммуникационной сети

Инфокоммуникационная сеть это:
Телекоммуникаци
онная сеть +
средства обработки,
хранения и поиска
информации
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Всемирная сеть
Internet объединяет
Страниц
сотни тысяч ИК-сетей
а 3

4. Структура телефонной сети общего пользования

Международная телефонная сеть
Междугородная телефонная сеть РФ
ЗУС
СТС
ГТС
ЗУС
СТС
СТС
ГТС
СТС
ГТС
СТС
ГТС
Зона семизначной нумерации
Административное образование
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 4

5. Структурная схема сотовой сети стандарта GSM

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 5

6.

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 6

7.

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 7

8.

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 8

9. Виды сетей в Internet

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 9

10. Объёмы основных видов трафика в Internet

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 10

11. Основные телекоммуникационные системы

Телефо
нная
Сеть
Общего
Пользо
вания
Internet
Системы
мобильной
связи
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 11

12. Варианты конфигурации сетей

n = v+1
n = v+1
n=v
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
n = v+1
n = v+1
v = n(n-1)/2
Страниц
а 12

13. ЛВС среднего предприятия

Internet
192.168.1.1
192.168.1.2
192.168.1.5
192.168.1.3
192.168.1.4
192.168.1.0
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
192.168.1.12
192.168.1.23 192.168.1.44
Страниц
а 13
192.168.1.75
192.168.1.123

14.

Основные виды сред,
проводящих ЭМВ
в телекоммуникационных сетях:
- э ф и р,
- м е д ь,
- о п т и к а.
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 14

15. Коммутационные устройства в компьютерных сетях

Концентратор – позволяет соединять
подключённые к нему устройства на уровне физических каналов (1-й
уровень модели
ВОС) без
анализа
Коммутатор
соединяет
подключённые
к
адресов.
Производится
передача
нему
устройства
на канальном
уровне
символов.
(2-й
уровень модели ВОС) в
соответствии с адресами устройств
канального уровня (МАС-адреса).
Производится производит передачу
Маршрутизатор
передача кадров.
Возможна
поступающих
к нему
пакетов
на
индивидуальная
или
широковещательсетевом
уровне (3-й
уровень
модели
ная адресация.
ВОС)
в соответствии с сетевыми
Шлюз может
производить
передачу
адресами
получателей
(IP-адреса).
информационных блоков между сетями
с различными формами представления
информации, различными системами
сигнализации и адресации. Например,
шлюз между телефонной сетью общего
Страниц
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
пользования
и сетью Internet. Часто
такие
а 15

16. Схема коммутатора (маршрутизатора)

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 16

17.

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 17

18.

Способ коммутации каналов
Все каналы в соединении
одинаковой скорости
Инициатором разъединения
может быть любой АП
АП
АП
Фазы информационного обмена при коммутации каналов
Установление соединения
Информац. обмен
Разъединение
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 18

19.

Процесс передачи пакетов по IP-сети
Маршрутизаторы
Память
Память
п
п
РС
РС
IP-сеть
- Коммутационная часть маршрутизатора
- Последовательность IP-пакетов
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 19

20.

Способ коммутации пакетов. Дейтаграммный режим
Все узлы имеют память для промежуточного хранения пакетов
Каналы в соединении могут иметь различные скрости
Сообщение
Сообщение
РС
РС
Предварительное установ. соединения на сетевом уровне не производится
Страниц
HUAWEI TECHNOLOGIES
CO., LTD.адресами РС-отправителя
IP-пакеты
с сетевыми
и РС-получателя
а 20

21.

Способ коммутации пакетов. Режим виртуального канала
Соединение устанавливается
по таблице маршрутизации
Пакеты передаются по
Таблице коммутации
Сообщение
Сообщение
РС
РС
Установление соединения
Разъединение
Страниц
IP-пакеты сс идентификаторами
путипути
IP-пакеты
идентификаторами
а 21
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.

22.

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 22

23. Основные параметры маршрутизатора пакетов (Р и t)

Задержки пакетов в маршрутизаторе на
время ожидания
t
Выходной
поток одного
из направлений
Очередь высшего
приоритета
Входные
потоки
пакетов
Очередь низшего
приоритета
Труднейшая
задача:
поиск оптимального соотношения
Потери пакетов
при отсутствии
мест в буфере
Р
Р
между
и
t
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
При увеличении объёма
буфера вероятность потерь
Р снижается, а длительность
задержки
t - увеличивается
Страниц
а 23

24. Определение оптимальной длины буфера

t(N)
P(N)
1
0.1
0.01
0
N
S
S(P)
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
N
0.00
1
0
N
N-объём
буфера в
маршрути
заторе
S(t
Р)
вероятно
сть
потери
N
Страниц
пакета
а 24

25. Сеть абонентского доступа

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 25

26.

Сетевое окончание ADCL (на стороне провайдера)
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 26

27. Варианты построения FTTx - доступа

Оптоволокно
Медные кабели
FTTN (Fiber to the
Node) — волокно до
узел связи
> 300 м
FTTN
жилой дом
сетевого узла
FTTC (Fiber to the
Curb) — волокно до
узел связи
< 300 м
FTTC
жилой дом
квартала
FTTB (Fiber to the
Building) — волокно
узел связи
FTTB
жилой дом
до здания
FTTH (Fiber to the
Home) — волокно до
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
узел связи
FTTH
жилой дом
жилища
Страниц
а 27

28. Спутники на геостационарной орбите (ГСО)

Высота 35850 км
Позиция спутника на ГСО
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 28

29. Схема организации спутникового доступа

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 29

30. Структурная схема сотовой сети стандарта GSM

ТфОП
Internet
Опорная
сеть
Мобильные центры
коммутации
MSC
MSC
Контроллеры
базовых станций
BSC
BSC
Базовые
станции
Радио
CO., LTD.
сетьHUAWEI TECHNOLOGIES
Моб.станции
handover
MS
MS
Страниц
а 30
MS
MS
MS

31.

Основные
принципы
моделирования
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 31

32. Основные элементы модели исследуемой системы

Выходные харак
Входные параметры
Обслужив
ающие
Х
устройст
(Потоки вызовов,ва
(каналы и
требуемое качество)
др.)
У
Потери, задерж
Основные виды моделирования
Методы моделирования телекоммуникационных систем
Натурное
Аналитическое
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Математическое
Имитационное
Страниц
а 32

33. Схема 2-х канальной телефонной сети

Телефонный
район А
- АТС
Телефонный
район В
- абоненты
Интенсивность вызовов из ТР-А в ТР-В: λ = N·λ0 выз/ед.вр
где: λ0 - средне статистическая интенсивность вызовов от одного
абонента; N – число абонентовСтраниц
в ТР-А
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
а 33

34. Фрагмент процесса натурного моделирования

Анализ системы с явными потерями
t
- принятые вызовы
- потерянные вызовы (отказы)
Вероятность потери вызова Р = n / N = 3 / 10 = 0.3
n – число потерянных вызовов
N – общее число вызо
Для проведения натурного моделирования на исследуемых объектах
(АТС, базовые станции сотовой сети и т.д.) необходимо иметь средства контроля (подсчёт значений n и N)
Современное оборудование (коммутаторы, маршрутизаторы и др.),
как правило, содержит встроенные агенты, которые информируют
пункты управления сетью (менеджеры) о проходящих в них процесСтраниц
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
а 34 адресации и пр.)
сах (вызовы, потери, отказы, пакеты, нарушение

35. Фрагмент процесса имитационого моделирования

Входной поток заявок в 2-х канальную систему с отказами (потерями)
t
1-й канал
2-й канал
- имитация занятого состояния канала
Вероятность потери вызова Р = n / N = 3 / 10 = 0.3
N – общее число вызовов
n – число потерянных вызовов
Для получения статистически достоверного результата число испытаний N должно быть достаточно большим (10000 и более)
Ниже приведена программа имитационного моделирования 2-х
канальной
системы на языке моделирования GPSS
Страниц
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
а 35

36.

*анализ многоканальной системы с потерями на языке GPSS
ggg
met
storage
2
;установка числа каналов
generate
20,20
;генерация вызовов
gate snf
ggg,met
; устройство не заполнено?
enter
ggg
;Да. Занять канал
advance
18,10
;задержать транзакт
leave
ggg
;освободить канал
terminate
1
;вывести транзакт из системы
savevalue
ot+,1
;зафиксировать очередной отказ
terminate
1
;вывести транзакт из системы
Общее число вызовов N устанавливается при запуске программы.
ЧислоHUAWEI
потерянных
вызовов
выдано в
Страниц
TECHNOLOGIES
CO., LTD. в данном прогоне n будет
а 36

37. Аналитическая модель многоканальной системы с потерями

HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 37

38.

Понятие о
дисциплинах
обслуживания
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 38

39. Дисциплины обслуживания

Дисциплины обслуживания
Без потерь
С явными
потерями
С ожиданием
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
С условными
потерями
Комбинированные
дисциплины
С повторными вызовами
Страниц
а 39

40.

Дисциплина без потерь – поступивший вызов обслуживается в любом
случае и без задержки.
Дисциплина с потерями – при занятости всех обслуживающих устройств
вызов теряется и соответствующее ему сообщение больше в систему не
поступает.
Дисциплина с ожиданием – при занятости всех обслуживающих устройств
вызов устанавливается в очередь. Очередь предполагается бесконечной.
Дисциплина с повторными вызовами – при занятости всех
обслуживающих устройств вызов теряется, а источник вызовов делает
повторные вызовы для передачи того же самого сообщения.
Дисциплины с ожиданием и с повторными вызовами являются
дисциплинами с условными (не явными) потерями, т.е. с потерями
времени, а не самого сообщения.
Комбинированная система объединяет дисциплины с потерями и с
ожиданием. В системе имеется очередь ограниченной длины.
Три варианта обслуживания вызова:
- обслуживающее устройство свободно – вызов обслуживается сразу,
- обслуживающее устройство занято, а в буфере ожидания есть
свободные места. Вызов устанавливается в очередь,
- в буфере ожидания нет свободных мест. Вызов и соответствующее ему
сообщение
теряются безвозвратно.
Страниц
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
а 40

41. Дисциплины обслуживания в реальных системах

Дисциплина без потерь для случайных потоков может выполняться
только при условии, что число обслуживающих устройств (каналов) не
меньше числа источников вызовов (абонентов). Практически это может
наблюдаться для примитивного потока вызовов, например, в УАТС при
N < v. Напомним, что простейший (пуассоновский) поток возникает от
очень большого (теоретически бесконечного) числа источников
(абонентов). Для дисциплины без потерь нужно бескон. число каналов.
Обслуживание с потерями может наблюдаться только в тех редких
случаях, когда в системах без ожидания абоненты по каким-либо
причинам не идут на повторные вызовы.
Дисциплина с повторными вызовами наблюдается в очень многих
случаях, связанных с инициацией человеком телефонного соединения
(сотовые сети, фиксированная телефония и др.) при отсутствии
свободных каналов.
Комбинированная система обслуживания (сочетание потерь и ожидания)
наблюдается повсеместно для систем с очередями, поскольку для чистой
системы с ожиданием требуется возможность установления очереди
бесконечной длины. Реализуется во всех системах с коммутацией
пакетов, например, в маршрутизаторах Internet, в сотовых сетях с
HUAWEI TECHNOLOGIES
LTD.
пакетным
режимомCO.,
работы
(GPRS, LTE) и др. Страниц
а 41

42.

Задачи и принципы
имитационного
моделирования
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 42

43. Задачи моделирования инфокоммуникационных систем и сетей связи

В задачах моделирования ИССС изучаются процессы информ.
обмена и сервиса в инфокоммуникационных системах и
определяются качественные показатели этих процессов.
Решаются задачи анализа и синтеза.
В задачах анализа качества обслуживания информационных
потоков определяются такие выходные характеристики систем
как вероятность потери сообщения, длительность его
обслуживания и др. в зависимости от таких входных параметров
как интенсивность и характер входного потока (телефонные
вызовы, пакеты и т.п.), количество и пропускная способность
обслуживающих устройств (каналы, микропроцессоры, серверы
и т.п.), система приоритетов и др.
Задачи синтеза менее проработаны ввиду их большой сложности
и не ушли дальше таких простых случаев как определение
необходимого числа каналов при известной интенсивности
входного
потока и заданного качества (вероятности
потерь).
Страниц
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
а 43

44. Задачи дисциплины «Моделирование ИССС»

Моделирование представляет собой
метод научного познания, при
использовании которого исследуемый
объект заменяется более простым
объектом, называемым моделью. В
процессе моделирования ИССС
изучаются процессы функционирования
инфокоммуникационных систем с
определением таких качественных
показателей этих процессов, как:
Параметры объекта заявки на
- Время выполнения
обслуживание;
- Вероятность обслуживания заявки;
Входной
- Влияние
различных
Модель параметров
поток
объекта
(производительность
хостов и
Входной
Исследуемые
Исследуемые
событийпропускная способность
серверов,
поток
характеристикихарактерист
исследуемого
каналов и др.) на характеристики
ики
событий
модели
модели
объекта
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 44

45. Генерация равномерно распределённых случайных чисел (ПСЧ)

1. Метод середины квадратов. Предложен Фон Нейманом в 1946 году. Алгоритм
очевиден:
Х0 = 4567
(Х0)2 = 20857489
Х1 = 8574
(Х1)2 = 73513476
Х2 = 5134
(Х2)2 = 26357956
Х3 = 3579
и т.д.
Полученную последовательность ПСЧ можно выстроить в ряд:
4567857451343579.....................
Начальное значение в этом ряде ПСЧ (в данном случае Х0 = 4567) выбирается
произвольно, но при желании повторить прогон с тем же рядом случайных
воздействий нужно начинать с одного и того же числа.
2. Смешанный конгруэнтный метод, являющийся в настоящее время наиболее
популярным
Xi+1 = (aXi + c) mod m .
Операция mod m означает получение остатка от деления некоторого числа (в данном
случае
содержимого скобок) на m.
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Страниц
а 45

46. Механизм системного времени с шагом до события

Модель двухканальной системы
телефонных вызовов с потерями
λ
*
*
*
t6
t0 t1 t2 t4
t3
t12
t7 t9 t10
t11
t
t16
t14
t17
t13
Кан 1
t
t15
t8
t5
Кан 2
t
Содержимое Буфера Будущих
Событий
(ББС)
ББС-0ББС-1 ББС-2
ББС-4 ББС-5
ББС-6 ББС-3ББС-7
t-1
t-4
t-5
HUAWEI TECHNOLOGIESt-3
CO., LTD.
t-2
t-3
t-5
t-6
t-3
t-6
t-3
t-3
t-7
t-7
t-8
Страниц
t-8
а 46
t-9
t-11
t-8

47. Механизм системного времени с фиксированным шагом

Вся временная ось разделяется на интервалы времени Δt.
Счётчик времени после каждого интервала увеличивается на Δt.
Определяются все возможные состояния системы и вероятности
переходов между этими состояниями.
Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt Δt
t
Например, двухканальная система с потерями может находиться в
одном из трёх состояний S0, S1 и S2 (по числу занятых каналов)
Р01
S0
Р10
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Р02
Р12
S1
Р21
Р20
Страниц
а 47
S2

48. Матричная форма переходов между состояниями S0, S1 и S2

Р =
Р00
Р01
Р02
Р10
Р11
Р12
Р20
Р21
Р22
Для случая пуассоновского входного потока λ и экспоненциальной
длительности обслуживания µ = 1/tобсл эта матрица принимает
вполне конкретные значения
‒λΔt
е
Р =
‒µΔt
1̶ е
0
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
‒λΔt
1̶ е
‒(λ+µ)Δt
е
0
‒λΔt
1̶е
‒2µΔt
1̶ е
Страниц
а 48
‒2µΔt
е

49. Процедура розыгрыша переходов в марковской цепи

Выбирается случайное равномернораспределённое число в
интервале 0 – 1. По состоянию системы (S0,
S1, S2) определяется
одна из 3-х шкал,
а по значению 1‒ е‒λΔt
е‒λΔt
случайного числа – интервал в этой
S0
шкале
и соответствующий
переход
0
S0→S0
S0→S1в 1
новое состояние
1‒ е‒µΔt
е‒(λ+µ)Δt
1‒ е‒λΔt
S1
0 S1→S0
1‒ е‒2µΔt
S1→S1
S1→S2
1
е‒2µΔt
S2
0HUAWEIS2→S1
TECHNOLOGIES CO., LTD.
S2→S2
Страниц
а 49
1

50. Расчёт параметров маршрутизатора в системе М/G/1/∞

Средняя длина очереди