4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи

4.2. Аналитическое описание сетей связи на основе теории систем и графов. Морфологическая модель сети связи

4.3. Качество телекоммуникационных услуг. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания

4.3.1. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания сетей связи на основе международных стандартов

4.3.2. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания сетей связи специального назначения. Методология оценивания эффективности функционирования сетей связи

4.3.3. Качество телекоммуникационных услуг мультисервисных сетей связи

4.4. Многокритериальный метод проектирования мультисервисных сетей связи

4.1. Цели, задачи и принципы проектирования сетей связи

Проектирование сетей связи – это процесс разработки системно-технических решений по их построению при краткосрочном, среднесрочном и перспективном развитии (планировании). Процесс проектирования является сложной научно-технической задачей, которая основывается на использовании результатов теории систем, графов, эффективности, массового обслуживания, математического программирования и предполагает решение комплекса взаимоувязанных задач [6–8, 28–33]:

• оценки эффективности функционирования действующих сетей связи и формулирование выводов о направлениях их развития;
• обоснования применяемых при развитии телекоммуникационных технологий;
• обоснования требований по обеспечению информационной безопасности (разработка политики информационной безопасности);
• оптимизации структуры перспективной сети связи при обеспечении требований устойчивости (надёжности, живучести);
• маршрутизации и распределения потоков в сети;
• разработки математических моделей процессов функционирования узлов коммутации и сетей связи, адекватных применяемым телекоммуникационным технологиям;
• оптимизации пропускной способности перспективной сети связи;
• анализа показателей качества функционирования перспективной сети связи, а также их технико-экономических показателей;
• обоснования способов управления доступом и передачей (табл. 2.1) и определение параметров управления;
• построения обеспечивающих систем (управления, обеспечения информационной безопасности, тактовой сетевой синхронизации, резервирования и др.).

Как показывает практика в виду сложности и большой размерности представленный комплекс задач проектирования, как правило, адаптирован к конкретным сетевым приложениям. Вместе с тем в этом процессе можно выделить общие принципы, инвариантные к проектированию сложных сетей связи различного назначения [6, 8, 28, 30–33]. Рассмотрим основные из них.

1. Принцип декомпозиции. Невозможность постановки и решения в рамках одной математической задачи всего комплекса задач проектирования обуславливает использование метода декомпозиции. При этом декомпозиция (при четком соблюдении условий разграничения) обеспечивает независимое проектирование:

• сети связи как совокупности подсистем информационного обмена, управления и обеспечивающих подсистем (синхронизации, резервирования и др.);
• структуры и параметров как сети связи в целом, так и отдельных её элементов (магистральной сети и сетей доступа или их отдельных зон (подсетей));
• различных этапов построения и развития сети связи.

В результате использование принципа декомпозиции позволяет перейти от решения задачи большой размерности к взаимосвязанной последовательности задач меньшей размерности, увязанных по входным и выходным данным.

2. Принцип итерационности. Наличие трудно формализуемых ограничений, приближенность некоторых исходных данных, многокритериальный характер задачи проектирования обуславливает применение итерационных методов и алгоритмов. Это позволяет объединить математические методы и алгоритмы оптимизации с опытом и интуицией проектировщиков для контролируемого на всех этапах решения задачи проектирования.

3. Принцип системности. Средством решения общей задачи проектирования является разработка комплекса математических моделей, методик и программ. При этом качество проектирования может быть достигнуто только на основе применения системного подхода, при объединении отдельных моделей и методик в единую многоуровневую иерархическую систему проектирования.

4. Принцип экономичности. В качестве критерия при проектировании сетей связи, как правило, выбирают технико-эксплуатационные затраты, включающие стоимость аренды каналов передачи и приведенную стоимость вновь устанавливаемого оборудования при ограничениях на показатели качества функционирования.

5. Принцип развития. Большая размерность сетей связи обуславливает их проектирование как развивающихся систем. Это предполагает:

• определение этапов развития сети связи, как оптимальную по некоторому критерию траекторию движения (развития) из начального состояния в конечное, а также синтез структуры сети связи на каждом этапе;
• применение набора математических моделей различной сложности, а также проведение проектирования при изменяющихся исходных данных.

В соответствии с общими целями, задачами и принципами проектирования последовательно рассмотрим вопросы:

• аналитического описания сетей связи с позиции теории систем и графов;
• качества телекоммуникационных услуг;
• многокритериального проектирования МСС.

4.2. Аналитическое описание сетей связи на основе теории систем и графов. Морфологическая модель сети связи

В соответствии с методологией теории систем для описания процессов функционирования сетей связи (в том числе и МССС) используем функциональное уравнение:

, (2.1)

где параметры, а G – её структура [30, 32, 35, 36]. При этом под параметром понимается величина, характеризующая свойства сети связи. Различают внутренние (параметры отдельных элементов), внешние (параметры внешней среды, оказывающие влияние на функционирование сети) и выходные (определяющие степень выполнения целевого предназначения) параметры.

В свою очередь структура сети (её морфологическая модель) задается неориентированным графом , где [32, 36–39, 94]:

– множество вершин (узлов связи – УС), декомпозируемых на совокупность узлов доступа и узлов магистральной сети и характеризуемых координатами их размещения, относительно которых определяются элементы матрицы расстояний между узлами связи ;

– множество ребер (сетка линий связи – ЛС), характеризуемых родом связи и вектором пропускных способностей ;

– множество элементов графа, где , , – число элементов (мощность) множеств N, M, D.

Каждому элементу графа ставится в соответствие количественный параметр , который обычно называют обобщённой стоимостью. При этом матрица стоимостей задается массивом [32, 36–39]. Каждый элемент графа статистически независимо отказывает с известными вероятностями отказа [28, 37].

Матрицы смежности и инциденций неориентированного графа задаются в следующем виде:

(2.2)

(2.3)

Матрица информационных тяготений , определяет интенсивность передаваемого потока r-го класса между i-м и j-м узлами графа .

4.3. Качество телекоммуникационных услуг. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания

Согласно теории систем сети связи обладают совокупностью свойств, каждое из которых может быть количественно описано с помощью некоторой переменной, характеризующей его качество относительно выбранного свойства. Эту переменную, означающую числовую характеристику или функцию, будем называть показателем качества. При этом показатель качества можно записать в виде функционала:

, (2.4)

где U – условия функционирования.

В соответствии международными (ITU-Т, ETSI, IETF, MMCF, ISO 9000, TL 9000) и российскими (ГОСТ Р ИСО 9000–2001, ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-2004, РД 45.004-2000, РД 45.128-2000) стандартами на основе показателей качества формируются системы показателей качества (СПК), которые характеризуют оценку всех существенных свойств (качеств) сетей связи, влияющих на результативность её применения по основному назначению. Рассмотрим данные СПК более подробно.

4.3.1. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания сетей связи на основе международных стандартов

В соответствии с рек. МСЭ-Т I.112 совокупность телекоммуникационных услуг разделена на два типа (приложение А): доставки (переноса) информации (реализуют функции трех нижних уровней модели взаимодействия открытых систем) (Bearer Service, BS) и предоставления связи (Teleservice, TS). При этом телекоммуникационные услуги классифицируется по виду передаваемой информации (телефония, передача данных и др.), важности (основные, дополнительные) и другим признакам.

Качество телекоммуникационных услуг – это совокупность свойств услуги, определённых качеством функционирования сети, которые характеризуют способность удовлетворять потребности пользователей. Обеспечение качества телекоммуникационных услуг является одной из важнейших задач проектирования сетей связи. В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т Е.800, Е.430, I.350 характеристики качества телекоммуникационных услуг можно разделить на две группы (рис. 2.1): характеристики, связанные с качеством обслуживания (Quality of Service, QoS), и характеристики, связанные с качеством функционирования сети (Network Performance, NP) [2, 40–42].

Качество обслуживания – это совокупность показателей, которые определяют степень удовлетворения пользователя предоставляемым ему обслуживанием. Качество обслуживания определяется в точке доступа к услуге и характеризуется свойствами удобства использования, обеспеченности, действенности (доступности, непрерывности, целостности) и безопасности обслуживания (приложение А). В свою очередь качество функционирования сети служит основой для качества обслуживания и определяет способность сети выполнять функции, обеспечивающие связь между абонентами. Качество функционирования сети характеризуется способностью к обработке трафика, ресурсами и возможностями сетевых объектов, а также надёжностью и качеством передачи (приложение А).

Рис. 2.1. Качество телекоммуникационных услуг

Для количественной характеристики большинства определённых в рекомендации Е.800 свойств качества телекоммуникационных услуг вводятся соответствующие показатели. При этом согласно рекомендации I.350, РД 45.128-2000, РД 45.004-2000 основными составными частями услуги являются три стадии её предоставления, качество выполнения которых дает суммарное качество услуги [2, 40, 43]:

• доступ к передаче информации (установление соединения);
• передача информации пользователя;
• завершение сеанса передачи информации (разъединение соединения).

Каждая из частей услуги в свою очередь характеризуется тремя основными показателями, образуя матрицу 3´3 (таблица 2.2):

Таблица 2.2 Классификация параметров качества обслуживания и регламентирующие их документы

Стадии предоставления услуги	Показатели качества
	Скорость	Рек. МСЭ-Т	Точность	Рек. МСЭ-Т	Гарантированность	Рек. МСЭ-Т
Доступ к передаче данных (установление соединения)	Задержка установления доступа	Е.431 Х.135 I.352 Е.422 Е.427 Е.721	Вероятность организации неправильного доступа	Е.845 Х.136 I.352 Е.422 Е.424 Е.425 Е.426 Е.427	Вероятность отказа в установлении доступа	Е.845 Е.846 Х.136 I.352
Передача информации	Скорость передачи данных пользователя   Задержка передачи данных пользователя   Вариация задержки	Е.432 Х.135 I.350	Вероятность возникновения ошибки в информации пользователя   Вероятность передачи лишней информации пользователя	G.821 Е.422 Е.424 Е.432 Е.855 Х.136 I.350	Вероятность потери информации пользователя	E.850 X.136 Е.428
Завершение сеанса передачи (освобождение)	Задержка разъединения	Е.431 Х.135 I.352 Е.721	Вероятность отказа в разъединения доступа	Х.136 I.352	Вероятность отказа в разъединении доступа	Х.136 I.352

• скорость (время установления соединения, время (скорость) передачи информации пользователя, вероятность своевременной доставки информации пользователя и время разъединения соединения);
• точность (точность установления соединения с указанными параметрами, точность передачи информации пользователя, точность разъединения соединения, характеризуемые вероятностью организации неправильного соединения, вероятностью возникновения ошибки в информации пользователя, вероятностью разъединения соединения и др.);
• гарантированность (гарантированность установления соединения, передачи данных и разъединения соединения, характеризуемые вероятностью отказа в установлении соединения, вероятностью потери информации пользователя, вероятностью отказа в разъединении соединения и др.).

В 2001 г. МСЭ-Т принята рекомендация G.1000, которая значительно расширила набор параметров качества обслуживания, предложив матрицу 11´7. Это позволяет оценить не только стадии предоставления услуги, но и функции характеризующие управление услугой, как со стороны оператора, так и стороны пользователя. Кроме того, возросло число этапов, на которых нормируется качество услуг. При этом они охватывают весь процесс связи, начиная от заключения контракта (соглашения) и заканчивая финансовыми расчётами.

4.3.2. Состав и взаимосвязь показателей качества обслуживания сетей связи специального назначения. Методология оценивания эффективности функционирования сетей связи

В сетях связи специального назначения качество обслуживания (связи) характеризуется свойствами своевременности, безопасности, достоверности. В свою очередь качество функционирования сетей связи специального назначения характеризуется свойствами пропускной способности, устойчивости, управляемости и др. Реализация мер, направленных на обеспечение качества обслуживания и качества функционирования определяют затраты на использование услуг специальной связи, а также на построение и эксплуатацию сетей связи специального назначения.

На основе свойств специальной связи и сетей связи специального назначения формируется иерархическая система показателей качества, состав и взаимосвязь которых представлены на рисунках 2.2, 2.3 [44–47].

Рис. 2.2. Состав системы показателей качества

При этом в соответствии с целевым предназначением по своевременной, безопасной и достоверной передаче сообщений формируется глобальная система показателей качества (ГСПК). Далее в общем процессе функционирования системы выделяются основной и вспомогательный подпроцессы. В качестве основного выступает процесс информационного обмена (ИО), который характеризуется своевременностью, безопасностью, достоверностью связи, а также затратами на предоставление услуг связи и обеспечение качества обслуживания [44–47]. В качестве вспомогательного подпроцесса, обеспечивающего информационный обмен, выступает процесс управления (У) связью, который, в свою очередь, характеризуется свойствами оперативности, непрерывности, устойчивости, безопасности, а также затратами на его организацию.

Для каждого из указанных выше подпроцессов разрабатывается иерархически связанная система показателей качества (СПК): процесса информационного обмена (связи), процесса управления, системы информационного обмена (СПК СИО) и системы управления (СПК СУ) (рис. 2.2, 2.3). Причем СПК СИО и СУ детализируют внутренние свойства системы связи (управления) пропускную способность, устойчивость (надёжность, живучесть, помехоустойчивость) и являются материальной основой процессов информационного обмена и управления [45, 46]. Представленная иерархическая СПК (рис. 2.2, 2.3) позволяет агрегировано рассматривать особенности функционирования каждой из подсистем и их вклад в общую эффективность функционирования.

Для количественной характеристики свойств качества услуг специальной связи вводятся соответствующие показатели. В соответствии с этим ГСПК включает векторные показатели качества, характеризующие оценку наиболее существенных свойств процесса информационного обмена и управления , а также системы информационного обмена и системы управления [45, 46]:

. (2.5)

Здесь , – среднее время и вероятность своевременной доставки (ВСД) сообщений;

– достоверность передачи сообщений;

– показатель, характеризующий выполнение требований информационной безопасности в течение заданного времени;

– вектор затрат ресурсов на доставку сообщений (использование услуг связи).

При этом составляющие (2.5) СПК имеют следующий вид.

а) СПК процессов информационного обмена:

, (2.6)

где – приоритет сообщений (данных), назначаемый по классам качества (видам) услуг и категориям пользователей, включая сообщения (данные) подсистем управления и обеспечения информационной безопасности и др.;

, – среднее время и вероятность своевременной доставки сообщений (данных) различных приоритетов в нормальных условиях функционирования;

– достоверность информационного обмена (по видам услуг);

– показатель, характеризующий выполнение требований информационной безопасности при обеспечении ИО (по видам услуг);

– вектор затрат ресурсов на обеспечение информационного обмена.

б) СПК процессов управления:

, (2.7)

где – средняя длительность цикла управления параметрами сети связи (измеряется от момента возникновения управляющего сообщения до момента изменения состояния сети), осуществляемого при нарушении нормального режима её функционирования (определяет оперативность, непрерывность и устойчивость управления);

– ВСД сообщений управления;

– показатель, характеризующий выполнение требований информационной безопасности при обеспечении управления;

– вектор затрат ресурсов на обеспечение управления.

в) СПК систем информационного обмена и управления:

, (2.8)

, (2.9)

где и – вектор пропускных способностей (производительности) элементов СИО и СУ;

и – вектор показателей устойчивости (надёжности, живучести, помехоустойчивости) элементов СИО и СУ;

и – вектор затрат ресурсов на построение и эксплуатацию систем связи и управления.

Согласно введенных систем показателей качества (рис. 2.2, 2.3, (2.5)–(2.9)), показатели своевременности ИО (2.6) являются ведущими и зависят от совокупности внутренних свойств сети связи. Количественной мерой, характеризующей свойство своевременности ИО, являются показатели среднего времени ожидания обслуживания, среднего времени доставки сообщения, ВСД сообщений и др. При этом ВСД сообщений является комплексным показателем (целевой функцией), зависящим от совокупности внутренних свойств сети связи (рис. 2.3) и определяемым в соответствии с вероятностным критерием:

(2.10)

где – среднее время доставки сообщений r-го приоритета; – требуемое (нормативное) время доставки сообщения r-го приоритета; – требуемое (нормативное) значение ВСД сообщений r-го приоритета.

Выбор вероятностного подхода к формулировке целевой функции процессов функционирования сетей связи (2.10) обусловлен рядом причин. Во-первых, изменения показателей качества функционирования сетей связи носят, в основном, вероятностный характер. Во-вторых, при использовании вероятностного подхода к формулировке целевой функции вопросы нормализации и свертки компонент СПК (рис. 2.3) решаются автоматически [44–47] на основе получения совместной вероятности выполнения требований к качеству функционирования сетей связи. В-третьих, обеспечивается гибкость и чувствительность к изменению отдельных показателей.

ВСД сообщений различных приоритетов может рассчитываться как для конкретных информационных направлений связи (ИНС) и трактов связи – , так и в среднем за сеть:

, , , (2.11)

где – вероятность попадания сообщения r-го приоритета в i-й тракт связи.

При этом среднесетевая ВСД сообщений может использоваться для решения следующих задач проектирования:

• оптимизации построения сети связи – критерий оптимальности: ;
• сравнения различных вариантов построения сетей связи – критерий сравнения: ;
• оценки пригодности сети связи для выполнения задач по предназначению в заданных условиях функционирования – критерий пригодности: .

При этом согласно руководящего документа РД 107.15.2107–89, регламентирующего оценку технического уровня функционирования информационно-телекоммуникационных систем (по критерию пригодности) на основе расчёта обобщённых показателей, в качестве рекомендуемой шкалы оценки допустимых значений обобщённых вероятностных показателей принимается:

• – минимально допустимое значение, при качество функционирования неудовлетворительное, следовательно, используемые технологии неэффективны и требуется модернизация;
• при , , обеспечивается, соответственно, среднее/высокое/высшее качество функционирования.

В соответствии с (2.6) другим важным свойством сетей связи специального назначения является достоверность связи. Для оценки достоверности используют коэффициенты, отражающие частоту событий, заключающихся в нарушении соответствия между передаваемыми и принимаемыми данными. В пределе эти коэффициенты, согласно закону больших чисел, сходятся к вероятностям соответствующих событий. Достоверность может оцениваться с помощью следующих показателей:

– вероятность события, состоящего в полном совпадении принятых данных с переданными (правильный приём);

– вероятность события, состоящего в том, что принятые данные отличаются от переданных (ошибка);

– вероятность события, состоящего в том, что переданные данные не приняты пользователем (неприём);

– вероятность события, состоящего в том, что пользователю выданы не передававшиеся данные (ложное выделение).

Обычно при задании требований по достоверности нормировке подлежат и . Значения этих вероятностей находятся в пределах от до .

В результате достоверность связи определяется вероятностным критерием:

, , (2.12)

где – допустимая вероятность ошибок для сообщений r-го приоритета.

Требуемая достоверность связи на реальных каналах передачи обеспечивается применяемыми телекоммуникационными протоколами. При этом качество каналов передачи нормируется на основе показателей ошибок, дрожания, дрейфа фазы и др. (рекомендации МСЭ-Т G.820-G.823, M.2100, приказ Минсвязи России № 92 от 10.08.96 г.) В результате обеспечение достоверности передачи сообщений приводит к возрастанию дополнительной служебной нагрузки на сеть связи (снижению её эффективной пропускной способности), что должно учитываться при моделировании процессов функционирования сети связи и расчёте показателей своевременности (рис. 2.3).

Действительно, так протокол Х.25 ориентирован на применение на каналах связи невысокого качества. В соответствии с этим реализуется поузловая передача с исправлением ошибок. Не учитывать дополнительно возникающие задержки передачи данных, особенно, на каналах связи с невысокой пропускной способностью и невысоким качеством не представляется возможным.

При использовании высококачественных цифровых каналов применение избыточного протокола Х.25 не эффективно. В соответствии с этим в современных протоколах (FR, TCP/IP и др.) сокращена избыточность, а обеспечение достоверности возлагается на протоколы верхних уровней (транспортный протокол). В результате дополнительными расходами на пакетную передачу и обеспечение требуемой достоверности при дальнейших расчётах в большинстве случаев можно пренебречь.

Вопросы безопасности обслуживания, решаемые в сетях связи общего назначения, и безопасности связи сетей связи специального назначения в общем случае с учётом современных взглядов составляют проблему информационной безопасности [48]. При этом под информационной безопасностью сети понимается её свойство сохранять неизменными характеристики информационной безопасности – конфиденциальность, целостность, доступность и подотчетность информационной сферы, включающей совокупность информационных ресурсов и информационной инфраструктуры, в условиях возможных воздействий нарушителя.

В результате можно сделать вывод, что с учётом сформированных СПК (рис. 2.2, 2.3) целевая функция функционирования сетей связи различного назначения (2.10) определяется на основе своевременной и достоверной передачи информации пользователей при обеспечении требований информационной безопасности.

4.3.3. Качество телекоммуникационных услуг мультисервисных сетей связи

В настоящее время качество телекоммуникационных услуг МСС нормируется в основном рекомендациями МСЭ-Т, RACE, так как отечественные стандарты в данной области не разработаны. При этом основным механизмом, регулирующим качество услуг, в том числе и в МСС, является соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA) между поставщиком (оператором) и пользователем услуг. В общем случае соглашение об уровне обслуживания включает организационно-экономические параметры, а также параметры производительности сети (скорости передачи данных пользователя, различают постоянную и переменную (старт-стопного и непрерывного типов) скорость передачи), надёжности связи и качества обслуживания передаваемого трафика, которые измеряются оператором путём тестирования.

Организационно-экономические параметры определяют компенсацию издержек пользователям при нарушении SLA. Параметры надёжности включают гарантированное время восстановления при простое, коэффициент готовности, доступность соединения и др. Качество обслуживания (QoS) задается несколькими способами:

• в терминах сетевой технологии – временем и вероятностью установления соединения, долей потерянных пакетов и пакетов с ошибками, задержкой и вариацией задержки пакетов (таблица 2.2; рек. МСЭ-Т G.1010 таблицы 2.3, 2.4; рек. RACE таблица 2.5; R-фактор рек. МСЭ-Т G.107) и др.;

Таблица 2.3. Модель требований к качеству обслуживания со стороны пользователя

Ошибки информации	терпимы	Разговор (голос, видео)	Передача сообщений (голос, видео)	Потоки (аудио, видео)	Факсимильные сообщения
	нетерпимы	Команды, управление (интерактив. игры)	Транзакции (электронная коммерция)	Передача сообщений, загрузка файлов	Фоновая информация (сетевые новости)
		<< 1 с	» 2 с	» 10 с	>> 10 с
		Задержки информации

• экспертной оценкой по некоторой шкале, например, по шкале MOS;
• классом услуги, которому соответствует набор нормируемых значений её параметров.

В приложении Б представлено нормирование сквозного ("из конца в конец") качества обслуживания в МСС, построенных на основе технологий АТМ, IP. В настоящее время разработки в области нормирования качества услуг МСС продолжаются. При этом предлагается множество различных подходов к решению этой задачи, но все они сводятся к тому чтобы, во-первых, ввести классы качества обслуживания (приоритетность) передаваемого трафика, во-вторых, определить показатели и параметры, дающие наиболее полную оценку качества [6–8, 30, 40–42].

Таблица 2.4. Требования к качеству услуг, предоставляемых в МСС

Тип информации	Название услуги	Тип передачи	Требуемая скорость передачи / объём передаваемых данных	Параметры качества услуги
				Задержка, мс	Джиттер, мс	Вероятность потери информации, %
Аудио	Телефония	Дуплекс	4-64 кбит/с	< 150 мс (отличное качество); < 400 мс (допустимое качество)	< 1 мс	< 3%
	Передача голосовых сообщений	Симплекс	4-32 кбит/с	< 1 с (для воспр.) < 2 с (для записи)	< 1 мс	< 3%
	Звуковое вещание	Симплекс	16-128 кбит/с	< 10 с	<< 1 мс	< 1%
Видео	Видеоконференция	Дуплекс	> 384 кбит/с	< 150 мс (отличное качество); < 400 мс (допустимое качество)		< 1%
Данные	Доступ в Интернет (просмотр WEB-страниц)	В основном симплекс	~10 кБ	< 2 с / стр. (отличное качество); < 4 с / стр. (допустимое качество)	НН	0
	Передача файлов большого объёма	В основном симплекс	10 кБ – 10 МБ	< 15 c (отличное качество); < 60 с (допустимое качество)	НН	0
	Передача неподвижных изображений	Симплекс	100 кБ	< 15 c (отличное качество); < 60 с (допустимое качество)	НН	0
	Доступ к серверу электронной почты	В основном симплекс	< 10 кБ	< 2 с (отличное качество); < 4 с (>НН	0
	Факс	В основном симплекс	~10 кБ	< 30 с / стр.	НН	<10-6 BER

Таблица 2.5. Допустимые значения параметров качества обслуживания при передаче мультимедийного трафика

Тип сервиса	Параметры качества обслуживания
	Время установления соединения, с	Вероятность разрыва соединения	Задержка, мс	Джиттер, мс	Вероятность потери данных
IP-телефония	0,5-1	10-3	25-500	100-150	10-3
Видеоконференция	0,5-1	10-3	30	30-100	10-3
Цифровое видео по запросу	0,5-1	10-3	30	30-100	10-3
Передача данных	0,5-1	10-6	50-1000	-	10-6
Телевизионное вещание	0,5-1	10-8	1000	-	10-8

Выводы. Таким образом, в настоящем подразделе определено качество телекоммуникационных услуг сетей связи различного назначения. Это позволяет с учётом общих подходов к проектированию перейти к изложению целей и задач многокритериального проектирования МСС.

4.4. Многокритериальный метод проектирования мультисервисных сетей связи

Как правило, при проектировании сетей связи различного назначения формулируется оптимизационная задача, которая на основе принятого описания (2.1)–(2.4), имеет следующий вид:

, (2.13)

где – допустимое множество, в рамках которого может варьироваться исследуемая сеть связи;

– оптимальная в условиях U сеть связи (в качестве условий функционирования рассматриваются нагрузка, поступающая в сеть связи, преднамеренные и непреднамеренные внешние и внутренние воздействия, характеризуемые свойствами устойчивости (надёжности, живучести) и др.).

С учётом введённых векторных систем показателей качества (рис. 2.1–2.3), (2.5)–(2.9) оптимизационная задача (2.13) также является векторной (многокритериальной). При решении подобных задач, как правило, используются два метода [45–47]:

• поиск компромиссных (эффективных) решений, оптимальных по Парето (по всем компонентам векторного критерия);
• поиск решений оптимальных в смысле обобщённого скалярного критерия, полученного путём свертки отдельных компонент векторного критерия.

Первый метод связан с трудностями использования строгих математических методов оптимизации для широкого круга задач, а также отсутствием, как правило, единственности искомого решения. При этом в полученных эффективных решениях улучшение одного критерия достигается только за счёт ухудшения другого. Вместе с тем множество получаемых эффективных решений значительно меньше, чем исходное множество всех решений. Данное свойство может использоваться на начальных этапах многокритериальной оптимизации для уменьшения размерности исходного множества решений.

Во втором случае, формируется обобщённый критерий, значение которого является проекцией всех компонент векторного критерия на одну числовую ось, что значительно облегчает окончательный выбор решения. При этом при решении задачи могут использоваться следующие методы свертки (курсивом выделена совокупность методов, используемая для решения задачи (2.13)):

а) методы последовательной (многошаговой) оптимизации по частным критериям, включающие метод ведущей компоненты, оптимизацию по ранжированной последовательности критериев, метод последовательных уступок и др.;

б) методы, основанные на получении обобщённых скалярных критериев и включающие метод аддитивной свертки компонент векторного критерия с весовыми коэффициентами, а также методы идеальной точки и вероятностной свертки (2.10), (2.11).

Таким образом, проведённый выше анализ показал невозможность решения функционала (2.13) в рамках одной математической задачи. Это обуславливает использование принципов декомпозиции, системности и итерационности проектирования, а также метода последовательной оптимизации на основе обобщённых критериев. В итоге это позволяет перейти от решения задачи большой размерности к взаимосвязанной по входным и выходным данным последовательности задач меньшей размерности.

Способ решения задачи (2.13). Тогда с учётом представленного выше анализа развития сетей связи допускает естественную декомпозицию – параметрическую и структурную [30, 32, 50] и предполагает поэтапный (итерационный) синтез структуры МССС (её магистральной части и сети доступа) и выбор значений внутренних параметров (параметрическая оптимизация), при которых выполняются требования к качеству функционирования и стоимости проекта:

, (2.14)

где – множество допустимых (технически реализуемых) параметров сети связи (приоритеты в обслуживании, пропускная способность каналов передачи, производительность оборудования, объём накопителей и др.);

– множество допустимых структур сети связи;

– оптимальные в условиях U параметры сети связи;

– оптимальная в условиях U структура (граф) сети связи.

При этом требования к качеству функционирования задаются в виде ограничений на выходные параметры:

. (2.15)

Здесь – j-й выходной параметр, например (2.10), являющийся функцией внутренних и внешних параметров;

– допустимые пределы изменения j-го параметра, определяемые техническим заданием (ТЗ).

На практике, как правило, оптимизационная задача (2.14) сводится к отысканию минимума функционала технико-эксплуатационных затрат , включающего стоимость аренды каналов передачи и приведенную стоимость вновь устанавливаемого оборудования сети (капитальные затраты):

, (2.16)

при обеспечении заданных (или достижимых – в условиях ограничений ) требований к качеству функционирования (определяется на основе совместной вероятности выполнения требований к качеству обслуживания сообщений различных классов качества , включая подсистемы управления, информационной безопасности и др. (2.10), (2.12), и надёжности соединений) и устойчивости сети специальной связи, что и определяет многокритериальность задачи. Здесь – вектор пропускных способностей элементов сети связи, выбираемых из номинального ряда скоростей цифровых систем передачи , ; – удельные затраты на аренду каналов передачи (дискретная величина), которые зависят от протяженности маршрута доставки информации и определяются действующими тарифами.

Таким образом, наличие трудно формализуемых ограничений, многокритериальный характер задачи (2.16) обуславливают применение итерационного алгоритма проектирования [30, 32]. В соответствии с этим предлагается метод проектирования МСС, состоящий из двух взаимосвязанных этапов (рис. 2.4) [50–52].

Первый этап (также эффективен при проектировании выделенных сетей передачи данных, телефонной связи и др.) предназначен для обоснования характеристик применяемого телекоммуникационного оборудования, анализа (формирования) топологической структуры сети, расчёта (оптимизации) её пропускной способности и показателей качества обслуживания (по классам качества) в стационарных условиях функционирования. При этом для расчётов предполагается использование процедур статической маршрутизации и распределения потоков, а также моделей простейших потоков. Последнее обусловлено длительным интервалом предполагаемого времени функционирования проектируемой сети и подтверждается предельной теоремой о сходимости к простейшему суперпозиции независимых ординарных стационарных (нестационарных) потоков с различным последействием [53–56].

Рис. 2.4. Многокритериальный метод проектирования МСС

На данном этапе в соответствии с классической теорией массового обслуживания предполагается:

1) формирование на основе технического задания исходных данных по назначению МСС, составу и категориям пользователей, номенклатуре предоставляемых услуг и базовой структуре сети (её связности), применяемым телекоммуникационным технологиям;

2) формирование политики (требований) информационной безопасности;

3) формирование систем показателей качества МСС, их взаимосвязей и требований к ним с учётом рекомендаций МСЭ-Т (G.106–G.108, E.800–E.830, I.350, ISO 9000, TL 9000), ГОСТ Р ИСО 9000-2001 и др.;

4) задание условий функционирования МСС и ограничений на внешние параметры;

5) моделирование процессов функционирования МСС, включающее:

5.1) аналитическое описание МСС на основе теории систем и графов (задание морфологической модели сети связи), предполагающее:

• или формирование начальной структуры проектируемой МСС на основании поиска сети минимальной длины (с последующим наращиванием её структуры с целью обеспечения требований по устойчивости);
• или задание структуры действующей сети связи, требующей развития;

5.2) решение задач статической маршрутизации и распределения потоков (по приоритетам сообщений), обеспечивающих экстремум для показателей качества функционирования МСС;

5.3) построение математических моделей узлов коммутации и сети (задание функционально-информационной модели сети связи):

• задание аналитических моделей узлов коммутации на основе СМО с простейшими потоками, коммутацией пакетов фиксированной и экспоненциальной длины, ожиданием (потерями), относительными приоритетами, а также ненадёжным обслуживающим прибором;
• решение задачи назначения приоритетов по классам качества (видам) услуг и категориям пользователей, включая трафик подсистем управления, обеспечения информационной безопасности и других обеспечивающих подсистем МСС;
• задание аналитической модели сети связи на основе её декомпозиции в многофазную СМО;

5.4) анализ эффективности функционирования МСС, включающий:

• расчёт показателей качества функционирования МСС: среднее время и вероятность своевременной доставки пакетов (сообщений), средняя длина очереди и др.;
• получение обобщённого показателя эффективности функционирования (ОПЭФ) на основе метода вероятностной свертки, при этом в качестве ОПЭФ выступает среднесетевая ВСД сообщений различных классов в сети (определяемых по видам предоставляемых услуг и категориям пользователей, а также для подсистем управления, информационной безопасности и др. подсистем МСС) (2.10), (2.11);

5.5) оптимизацию построения МСС (минимизация функционала приведенных затрат) на основе поэтапного синтеза структуры и выбора значений внутренних параметров, при которых выполняются требования к устойчивости и качеству обслуживания (2.16).

5.6) анализ устойчивости МСС, включающий:

• расчёт показателей элементной и структурной надёжности, живучести и устойчивости МСС;
• управление свойством устойчивости МСС, обеспечивающее поиск в её структуре элементов со свойствами низкой стойкости и высокой значимости (значимость определяется связностью в сети и пропускной способностью) (уязвимых элементов), их ранжирование по степени влияния на устойчивость сети в целом и реализацию механизмов на изменение данных свойств на основе структурных преобразований и защиты её элементов.

В результате, на первом этапе проектирования (рис. 2.4) для выбранного начального варианта структуры строятся математические модели узлов коммутации и сети связи, назначаются приоритеты (по классам качества услуг и категориям пользователей), а также выбираются начальные значения параметров (пропускная способность каналов передачи, производительность коммутационного оборудования и др.). При выбранных начальных значениях внутренних параметров осуществляется оценка эффективности функционирования, проверяются требования к качеству и устойчивости функционирования, стоимости проекта. При невыполнении требований к качеству функционирования осуществляется оптимизация внутренних параметров МСС (параметрическая оптимизация ). Если для выбранной структуры МСС не удается найти значений внутренних параметров, удовлетворяющих требованиям к качеству, устойчивости функционирования и стоимости проекта, то осуществляется коррекция структуры сети связи , при невозможности последней корректируют ТЗ.

Второй этап предполагает более глубокое исследование вопросов обеспечения (поддержания) качества обслуживания в МСС в условиях самоподобия трафика узкополосных и широкополосных служб. На данном этапе предполагается разработка метода, включающего (для соответствующих условиям самоподобия трафика элементов МСС или МСС в целом):

а) моделирование процессов формирования самоподобного (мультисервисного) трафика и его обслуживания при различных способах управления (приоритетное обслуживание, резервирование ресурсов и др.);

б) расчёт показателей качества функционирования СМО с самоподобным трафиком, а также уточнение объёмов накопителей и производительности узлов коммутации с учётом введения классов качества обслуживания.

Выводы по разделу

1. Таким образом, в настоящем разделе рассмотрены цели и задачи проектирования сетей связи, выделены общие принципы, инвариантные к проектированию сложных сетей связи различного назначения. Показано, что одной из важнейших задач проектирования сетей связи является обеспечение качества телекоммуникационных услуг, реализуемого в МСС на основе введения классов качества обслуживания. С этой целью в разделе представлены системы показателей качества, сформированные на основе международных (МСЭ-Т, ISO 9000, TL 9000) и российских (ГОСТ Р ИСО 9000–2001, ГОСТ Р ИСО/МЭК 15408-2004) стандартов.

2. В разделе на основе систематизации и развития существующих частных методик проектирования, а также на основе применения положений теорий систем, графов, массового обслуживания, математического программирования, оценки эффективности разработан многокритериальный метод проектирования МСС. Разработанный метод позволяет:

• исследовать эффективность процессов функционирования МСС различного назначения в различных условиях применения на основе обобщённых показателей, в том числе в условиях самоподобия трафика;
• исследовать эффективность процессов предоставления и интеграции различных видов услуг с различными требованиями к качеству обслуживания, с учётом функционирования обеспечивающих подсистем (управления, информационной безопасности);
• осуществлять оптимизацию построения МСС по критериям технико-эксплуатационных затрат, качества обслуживания (с учётом введения классов качества обслуживания), устойчивости.

При этом оптимизация построения МССС осуществляется на основе применения принципов декомпозиции, системности и итерационности проектирования, а также методов последовательной оптимизации и вероятностной свёртки при получении обобщённых критериев. Предложенный способ позволяет перейти от решения оптимизационной задачи большой размерности к взаимосвязанной по входным и выходным данным последовательности задач меньшей размерности. В результате обеспечивается поэтапный (итерационный) синтез структуры МССС (её магистральной части и сети доступа) и выбор значений внутренних параметров (параметрическая оптимизация), при которых выполняются требования к качеству функционирования и стоимости проекта.

Новым в предлагаемом методе является комплекс применяемых математических моделей узлов коммутации, анализа устойчивости, формирования и обслуживания мультисервисного (самоподобного) трафика, а также подход, основанный на декомпозиции процесса проектирования на два взаимосвязанных этапа:

• первый – формирование топологической структуры МСС и оптимизация пропускной способности каналов передачи, предполагающие при использовании "классических" моделей теории массового обслуживания структурный и параметрический синтез МСС по критериям качества обслуживания (при учёте классов качества обслуживания), устойчивости и затрат;
• второй – для рассчитанной на первом этапе топологии МСС более глубокое исследование вопросов обеспечения (поддержания) качества обслуживания в условиях самоподобия трафика узкополосных и широкополосных служб (также с учётом классов качества обслуживания).

В целом данные факторы определяют новый способ построения структуры проектирования МСС и взаимосвязи отдельных исследовательских задач (рис. 2.4). На основе данного метода разработано комплексное программное обеспечение автоматизации проектирования сетей связи различного назначения [57].