Планирование сети доступа NGN для новых групп пользователей

Дипломная работа

«Планирование сети доступа NGN для новых групп пользователей»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент: Васильев В.С.

Группа: СК-16

Руководитель: Соколов Н.А

Кафедра: СКиРИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Питер, Бонч, 2006.

 

Содержание 

 

Введение

Актуальность работы

В настоящее время всё чаще встречаются публикации, посвящённые коренному преобразованию ТфОП и переходу к сети следующего поколения (NGN). Она позиционируется как универсальная сеть, способная удовлетворить практически любые потребности пользователей с заданным качеством обслуживания. При этом предполагается простота введения новых услуг.

Обычно рассматривается два  основных варианта перехода к NGN – начиная с транспортной сети и с сети доступа. В данной работе рассматривается второй вариант перехода к сетям следующего поколения.

Сегодня уже всё реже высказываются  мнения о том, что NGN радикально снизит затраты на построение сети, равно как и о том, что NGN чуть ли не в разы сокращает требования к полосе пропускания. Данная работа призвана оценить требуемые ресурсы сети доступа, выявить недостатки и преимущества NGN.

Задачи дипломной работы

Целью дипломной работы является выбор метода планирования сети доступа NGN для новых групп пользователей. Под «новыми» понимаются абоненты, готовые оплачивать услуги «triple play services». Хотя их доля в структурном составе невелика, они оказывают существенное влияние на способы организации сети. В результате планирования сети доступа NGN предстоит решить следующие задачи:

1. Рассмотрение задач, возлагаемых на сети следующего поколения;
2. Определение функциональной архитектуры NGN;
3. Выявление преимуществ и недостатков NGN;
4. Определение роли сети доступа при формировании NGN;
5. Определение перспектив развития NGN;
6. Анализ принципов построения современных сетей доступа;
7. Оценка требований к маршрутизатору, агрегирующему трафик сети доступа;
8. Оценка требований к полосе пропускания для сети доступа.

Структура

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цели и  задачи работы, перечислены основные результаты, определена ее практическая ценность и область применения полученных результатов.

В первой главе даётся краткий обзор развития телекоммуникаций. Выявляется роль предоставляемых услуг как критерия уровня развития сети.

Во второй глава анализируются  принципы построения NGN, выявляются достоинства и недостатки сетей следующего поколения, рассматриваются возможные варианты перехода к NGN и возникающие при этом трудности.

В третьей главе производится анализ принципов построения сетей доступа с точки зрения возможных технологий и топологии. Рассматривается транзитная сеть доступа и сеть доступа в помещении пользователя.

В четвёртой главе производится расчёт требуемой производительности маршрутизатора, агрегирующего трафик сети доступа, оценивается задержка в очереди и требуемая полоса пропускания.

Практическая ценность

Рассмотрение эволюции сетей связи  с точки зрения предоставляемых  услуг позволяет обосновать появление сетей следующего поколения как результат конвергенции существующих сетей.

Анализ принципов построения NGN с точки зрения функциональной архитектуры является одним из основных моментов в понимании структуры и назначения сетей следующего поколения.

В работе рассмотрены варианты эволюции существующих сетей электросвязи к  сетям NGN. Этот вариант является наиболее актуальным, т.к. построение NGN на «пустом месте» маловероятно.

Расчёт, проведённый в четвёртой  главе, позволяет оценить требования, которые выдвигает сеть доступа  NGN к транзитной сети. На основании полученных результатов можно судить о целесообразности применения NGN в том или ином случае.

 

1. Эволюция телекоммуникационных систем

1. Развитие услуг в телекоммуникационных сетях

Как известно, существуют два пути развития какого-то ни было явления, процесса или сущности: эволюционный и революционный. Эволюционный путь подразумевает незначительные изменения каждого следующего поколения по отношению к предыдущему. Революционный путь предполагает коренную перестройку основ явления.

На сегодняшний день наука признаёт только один путь развития живых организмов – эволюция по Дарвину, в основу которой положены явления изменчивости и естественного отбора.

Однако революционные изменения  несут не меньший вклад в становление окружающей действительности, а чаще всего, больший.

Применительно к телекоммуникациям  данное суждение может быть применено  в полной мере. Однако естественный отбор действует совместно с «неестественным», создаваемым отдельными игроками на рынке телекоммуникаций.

Одним из важнейших параметров, изменяющихся в процессе развития организма телекоммуникаций, являются обеспечиваемые им услуги. По изменению спектра услуг можно последить и более глубокие изменения – касающиеся конкретных технологий, положенных в основу функционирования всей отрасли.

Наиболее удобный для моей работы подход к классификации услуг заключается в разделении их на две группы – основные и дополнительные.

Услуги, появившиеся на заре развития телекоммуникаций, остаются востребованными, с теми или иными изменениями, и по сей день. К ним следует отнести, в первую очередь, телефонную связь (предоставление канала тональной частоты между оконечными устройствами на время жизни вызова), радиосвязь и передачу данных, которая включала себя лишь телеграф. Со временем эти услуги дополнились передачей движущегося изображения. Перечисленные услуги образовали базовый набор, который успешно прошёл естественный отбор.

Революционной вехой в развитии телекоммуникаций стали успехи в области цифровой техники. С её появлением и развитием существенно изменилась структура трафика в сторону увеличения доли передачи данных. Кроме того, выросла доля цифрового коммутационного оборудования, позволяющего предоставлять значительно более широкий спектр услуг.

Именно с развитием цифровой техники появилась идея объединения  способов предоставления услуг – концепция цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN).

Концепция ISDN, определенная рекомендациями ITU серии I, предполагает:

• стандартизацию предоставляемых абонентам услуг для обеспечения их совместимости при международной связи;
• стандартизацию интерфейса между пользователем услуги и сетью для обеспечения взаимозаменяемости терминального оборудования;
• стандартизацию свойств и возможностей сети связи.

ISDN представляет собой сеть, которая предусматривает сквозные цифровые соединения между оконечными устройствами и обеспечивает предоставление пользователям широкого спектра речевых и неречевых услуг, доступных им через ограниченный набор стандартизованных интерфейсов.

Доведение цифрового интерфейса до абонента ТФОП позволила в рамках концепции ISDN интегрировать разные услуги:

• передачу речи,
• передачу текста,
• передачу данных,
• передачу изображений,
• передачу видео.

Доступ пользователя к услугам обеспечивается через единый унифицированный интерфейс, расположенный в помещении пользователя.

В ISDN цифровой доступ организуется с  использованием на абонентском участке  уже существующих медных физических пар. Концепцию ISDN можно рассматривать  как конечный этап цифровизации ТФОП. Сеть ISDN – является наложенной сетью по отношению к ТФОП.

Услуги ISDN специфицируются формальным образом:

• Стадия 1 описания дает независимое от конкретной реализации представление услуги с точки зрения пользователя посредством атрибутов. Атрибут представляет собой специфическую характеристику услуги.
• Стадия 2 определяет функциональность, требуемую от сети и от терминального оборудования.
• Стадия 3 задает протокол и форматы данных, требуемые для реализации услуги.

 

 

Рисунок 1.1. Услуги ISDN.

Услуги доставки информации непременно сопровождают услуги предоставления связи, обеспечивая создание в сети определенных условий для обмена информацией, однако они могут иметь и самостоятельное значение, когда пользователь не информирует сеть о нужном ему виде связи, а лишь запрашивает соединение с нужными характеристиками. Если, например, в распоряжении пользователя имеется адаптер, согласованный с интерфейсом ЦСИО и обеспечивающий ввод в канал связи сразу нескольких разных цифровых потоков с относительно небольшими скоростями, то для организации связи с другим пользователем, имеющим такой же адаптер, требуется услуга доставки информации.

Дополнительные услуги самостоятельно не предоставляются, они используются в сочетании с той или иной основной услугой, расширяя возможности и повышая удобства пользования этой услугой.

Все услуги ЦСИО могут быть детально специфицированы с помощью так  называемых атрибутов. Такой метод получил название статического описания услуги. Существует, также, и динамический метод описания услуги, реализуемый, чаще всего, соответствующими SDL-диаграммами. С помощью атрибутов пользователь ЦСИО информирует сеть о характере необходимой ему услуги. Используя модель взаимодействия открытых систем, МСЭ рекомендует выделять атрибуты нижних (с первого по третий) и верхних (с четвертого по седьмой) уровней.

Однако сеть ISDN не получила широкого развития по некоторым объективным и субъективным причинам. ISDN не устроила пользователей по соотношению цена/качество. Для перехода на ISDN необходимо было полностью поменять аналоговые терминалы на терминалы ISDN. Услуги ISDN в полной мере можно использовать лишь при тотальной цифровизации – при взаимодействии аналогового и цифрового абонентов спектр услуг резко сужался. Скорости тоже перестали удовлетворять пользователей – в базовом доступе 128 кбит/с было слишком много для простой телефонной связи и слишком мало для организации, допустим, видеоконференций.

Ещё одним важным моментом в развитии способов предоставления услуг была идея разделения функций распределения информации и предоставления услуг. Данная концепция получила название Intelligent Network. Разделение функций в пределах основных элементов системы электросвязи может рассматриваться как периодически повторяющийся процесс. Примером может служить разделение функций передачи сообщений системы сигнализации и полезной информации, который привел к формированию концепции системы общеканальной сигнализации. Предполагались следующие преимущества данного способа организации сервисов:

• упрощение аппаратно-программных средств коммутационных станций, что повышает их надежность и снижает стоимость;
• возможность более детальной стандартизации (на международном и национальном уровнях) основных аспектов построения и функционирования коммутационного оборудования;
• отсутствие зависимости между перечнем предоставляемых абонентам дополнительных услуг и «интеллектом».

Однако на сегодняшний день ясно, что идея интеллектуальной сети не получила широкого развития, по крайней мере в РФ. Из всего набора услуг, представленного в CS1 (capability set 1 – набор услуг, реализуемый на первой стадии построения интеллектуальной сети), используется фактически лишь FreePhone. Одним из существенных недостатков IN является неспособность поддерживать мультимедийные услуги.

Таким образом, нетрудно видеть несоответствие между реально предоставляемыми услугами и потребностями пользователя (по крайней мере, в фиксированных сетях). В последние пятнадцать лет наблюдается явная диверсификация услуг – на стыке телекоммуникаций и информационных технологий возник новый вид – инфокоммуникации, который, видимо, успешно пройдёт естественный отбор.

2. Эволюция техники коммутации

Можно выделить пять видов систем коммутации, характерных для сетей телефонной связи:

• декадно-шаговые АТС;
• координатные АТС;
• квазиэлектронные АТС;
• цифровые АТС;
• оборудование, основанное на технологии «коммутация пакетов».

Первые три вида систем коммутации можно объединить в одну группу: аналоговые АТС. Такой подход объясняется общностью основных процессов модернизации этих коммутационных станций. Цифровые АТС и оборудование, основанное на технологии «коммутация пакетов», требуют отдельного анализа.

1. Аналоговые АТС

Первая АТС была изобретена в 1892 г. А. Строунджером. Коммутация в этих декадно-шаговых АТС производится под непосредственным управлением сигналов набора номера вызывающим абонентом без использования каких бы то ни было централизованных управляющих устройств.

Однако эффективное развитие городских телефонных сетей сдерживалось главным образом малой емкостью контактного поля искателей. Автоматизация междугородной телефонной связи выявила низкое качество разговорного тракта из-за нестабильности скользящих контактов искателей, приводившей к недопустимо высокому уровню шумов.

Недостатки декадно-шаговых АТС  были устранены в станциях следующего поколения – координатных. Емкость  контактного поля коммутационных приборов таких АТС значительно больше, чем емкость поля декадно-шаговых  искателей, а контакты скольжения заменены в них контактами давления, имеющими стабильное сопротивление и гораздо больший срок службы.

Кроме замены скользящего контакта «щетка – ламель» на МКС координатные АТС принесли новый обходной принцип  управления станциями, при котором сам коммутационный прибор не участвует в выборе направления и поиске свободной линии.

По мере развития технологий стали  появляться заменители традиционных электромеханических  коммутационных элементов – электронные  и магнитные устройства, в которых отсутствовали подвижные части.

На первом этапе достижения электроники  стали применяться только в управляющих  устройствах АТС, что привело  к появлению квазиэлектронных АТС, сочетавших в себе электронное управление и электромеханические коммутационные элементы.

Название квазиэлектронные АТС  предполагает сохранение пространственной аналоговой коммутации с применением  механических контактов и одновременно использование электронных программируемых  управляющих устройств.

2. Цифровые АТС

Цифровые ГАТС первого поколения (1990-1995 гг.) представляют собой следующий комплекс аппаратно-программных средств:

• коммутационное поле, построенное на принципах временной и пространственной коммутации;
• периферийное оборудование: модули аналоговых абонентских линий, аналоговых и цифровых соединительных линий;
• оборудование сигнализации: абонентская, внутристанционная и межстанционная подсистемы;
• система программного управления, предоставляющая конечным пользователям наборы услуг и сервисов.

Большинство эксплуатируемых в  России цифровых АТС отвечает современным требованиям ТФОП. Абонентам этих АТС доступны многие современные услуги. Все основные показатели качества функционирования и надежности коммутационного оборудования (речь не идет о сети в целом), как правило, обеспечиваются. Можно и дальше перечислять известные преимущества цифровых АТС, но с точки зрения их эволюции существенно другое. Сама ТФОП, даже построенная только на базе цифровых АТС, перестает отвечать требованиям инфокоммуникационной системы. Впрочем, этот факт не исключает необходимости проведения работ по модернизации цифровых АТС. Перечень подобных работ очень похож на тот, что был предложен для аналоговых систем коммутации. Решение некоторых задач, как правило, оказывается более простым и эффективным, что обеспечивается управлением АТС по записанной программе, а также применением цифровых технологий для передачи, коммутации и обработки информации.

3. Пакетная коммутация

Следующим этапом развития коммутационной техники становится коммутация пакетов. Изначально предназначенная для передачи данных, сегодня она находит применение и для передачи голосового трафика. При этом говорить о «классической» пакетной коммутации не приходится – для обеспечения качества обслуживания вводятся дополнительные механизмы, реализация которых на практике зачастую весьма и весьма проблематична.

Идея пакетной коммутации как способа  распределения информации для сетей  следующего поколения пока еще не облечена в форму международных  стандартов. Более того, некоторые  специалисты считают, что для  сети следующего поколения необходима новая технология распределения информации, сочетающая в себе свойства коммутации каналов и пакетов. Большинство публикаций, содержащих соображения такого рода, появились в начале XXI века. Пока концепцию NGN ассоциируют с коммутацией IP-пакетов. В конечном счете, способ распределения информации, который будет принят для сетей следующего поколения в качестве международного стандарта, не столь существенно скажется на оборудовании коммутации. Радикальные изменения определяются основной идеей NGN. Эту идею часто называют конвергенцией, хотя определения, содержащиеся в большинстве словарей, свидетельствуют о не совсем удачном выборе термина. Основной смысл концепции NGN – интеграция, но этим термином многие специалисты предпочитают не пользоваться, памятуя о неудаче концепции широкополосной ЦСИО.

3. Развитие транспортной сети

Понятие «транспортная сеть»  как правило, связывают с используемой технологией систем передачи информации. Появление систем передачи в качестве самостоятельного элемента сети электросвязи относится к 1870 году, когда в коммерческую эксплуатацию была введена аппаратура для обмена телеграфными сообщениями, которая имела в своем составе электромеханические регенераторы. Интересным фактом может считаться то обстоятельство, что упомянутая аппаратура была разработана как ЦСП с временным разделением каналов.

Электромеханические принципы регенерации  не могли быть использованы в телефонии. По этой причине дальность телефонной связи была ограничена несколькими  сотнями километров. Развитие электронной промышленности привело в 1915 году к возможности создания аналоговых систем передачи (АСП). Появление систем передачи обеспечило техническую возможность междугородной и международной телефонной связи. Существенными моментами использования систем передачи могут считаться:

• уменьшение стоимости оборудования, реализующего функции по переносу информации между коммутационными станциями (узлами) вторичных сетей;
• поддержку показателей качества передачи информации в соответствии с заданными нормами.

Использование аналоговых систем передачи было обусловлено, на первых порах, отсутствием  подходящей элементной базы для организации  цифровых каналов. Аналоговые системы  передачи обладают рядом недостатков, которые делают их нежизнеспособными. В первую очередь к ним следует отнести невозможность регенерации сигнала.

На сегодняшний день идеи частотного разделения каналов вылились в весьма перспективные технологии волнового  уплотнения каналов в оптическом волокне.

Все цифровые системы передачи в  том или ином виде реализуют временное разделение источников нагрузки. Изначально появилось асинхронное разделение, использовавшееся в телеграфии. В телефонии долгое время единственным способом временного разделения каналов оставалось синхронное разделение, которое все по традиции называют просто «TDM» или «коммутация каналов».

Асинхронное временное разделение получило развитие несколько позже, и не в телефонии, а в сетях  передачи данных. Асинхронное временное  разделение принято называть «коммутацией пакетов». Для коммутации пакетов классификационным признаком обычно служит название технологии (Х.25, Frame Relay, ATM, MPLS и т.д.). Кроме того, обычно выделяют два режима коммутации пакетов: дейтаграммный и с предварительным установлением виртуальных каналов.

Современные телефонные сети построены на технологии цифровой коммутации каналов. Тракт, установленный через совокупность цифровых коммутационных станций, можно рассматривать как виртуальный канал, по которому передаются пакеты длиной 8 бит. Конечно, такая трактовка весьма условна, но практически может оказаться полезной. В каждой цифровой коммутационной станции пакет из 8 бит задерживается. Это свойство делает цифровую коммутационную станцию похожей на коммутатор пакетов. Различие состоит в том, что в цифровой коммутационной станции дисперсия задержки пакетов равна нулю. В любом коммутаторе пакетов дисперсия может достигать существенных величин, значительно снижая качество обслуживания.

Итак, развитие технологии коммутации каналов привело к тому, что  в ней появились некоторые свойства, близкие к коммутации пакетов. Модернизация метода коммутации каналов продолжается. Появились технологии быстрой коммутации каналов (Fast Circuit Switching) и динамического синхронного режима переноса (Dynamic Synchronous Transfer Mode). Более того, некоторые специалисты отмечали, что для NGN потребуется разработка нового метода распределения информации, который, по всей видимости, будет более похож на коммутацию каналов. Поэтому безапелляционные высказывания о пакетной коммутации, как о единственном методе распределения информации в NGN, не стоит принимать за аксиому. Методы коммутации пакетов для информации, критичной ко времени задержки, основаны на установлении виртуальных каналов. Сама природа этого процесса близка к коммутации каналов. Конкурируя между собой, оба метода распределения информации стали заимствовать друг у друга некоторые черты.

4. Развитие сети доступа

Первые сети доступа представляли собой совокупность абонентских  линий. Первые АЛ были созданы на базе воздушных линий связи. Провода обычно подвешивались на столбах. Подведение проводов к телефонной станции осуществлялось через специальные стойки. Суммарное число проводов, которые должны были подключаться к коммутаторам, исчислялось десятками и даже сотнями. Высота соответствующих стоек достигала на некоторых телефонных станциях 13 метров.

С 1886 г. в российских ГТС стали  использоваться двухпроводные АЛ. Это  стимулировало переход к двухпроводной  коммутации. Переход воздушных линий  связи к кабельным начался  со второй попытки. Подземный телефонный кабель был впервые проложен в России в 1885 г. при строительстве Нижегородской телефонной сети. Длина десятижильного кабеля составляла около одного километра.

Можно утверждать, что за более  чем столетний период в системах коммутации периодически происходили заметные изменения. Развитию сетей доступа свойственны иные законы. После появления двухпроводных АЛ начался период, который можно считать стагнацией. Двухпроводные физические цепи надолго стали практически единственным средством построения сетей доступа. Хорошо известно, что такой способ построения сети доступа экономически неэффективен, но приемлемого решения никто не нашел.

Можно выделить две группы причин сложившейся ситуации. Во-первых, высокие  цены на оборудование передачи и коммутации не позволяли эффективно строить сети доступа за счет установки выносных концентраторов. Во-вторых, услуги, востребованные абонентами, могли предоставляться за счет пропускной способности канала тональной частоты (0,3-3,4 кГц), который был специфицирован для ТфОП. Эти услуги не всегда имели отношение к трафику речи. Сеть доступа использовалась для телеграфной связи, передачи данных с низкой и средней скоростями, а также для охранной сигнализации.

За два последних десятилетия XX века существенно снизились цены на цифровые системы передачи. Были разработаны цифровые системы коммутации, содержащие в составе комплекса аппаратно-программных средств выносные концентраторы. В результате появилась возможность снизить затраты на построение сети доступа даже при неизменном перечне услуг, предлагаемых абонентам ТфОП.

Затем начал формироваться платежеспособный спрос на услуги, поддержка которых  потребовала существенного расширения полосы пропускания сети доступа. Эти  услуги в конечном счете можно  отнести к функциональным возможностям "triple-play services", которые подразумевают возможность обмена информацией в трех видах: речь, данные и видео. Успехи телекоммуникационных технологий позволили разработать ряд новых вариантов модернизации сетей доступа. В некоторых случаях полностью или частично использовались эксплуатируемые многопарные кабели. Другие решения опирались на иные среды распространения сигналов.

5. Конвергенция в телекоммуникациях

Из вышеприведённого анализа следует, что наблюдается коренные, глубинные изменения в потребности в услугах, а, следовательно, и в способе их предоставления. Одним из доминирующих процессов в телекоммуникациях стала конвергенция.

Конвергенция – возникновение сходства в строении и функциях у систем, изначально далеких по происхождению и назначению.

В телекоммуникационных системах компания Cisco выделяет три аспекта конвергенции:

• конвергенция сетей;
• конвергенция управления;
• конвергенция приложений.

1. Конвергенция сетей

Укрупнение телекоммуникационного бизнеса и появление холдингов, объединяющих сети нескольких специализированных операторов (фиксированной связи, мобильной связи и передачи данных), а также острая конкурентная борьба за абонента, обусловили появление нового класса услуг. Они обеспечивают, прозрачно для абонента, взаимопроникновение сетей и услуг, специфичных для одной, определённой телекоммуникационной среды, в другую за счёт шлюзования.

Процесс конвергенции, зачастую, нуждается  в привлечении интеллекта, с помощью  которого согласуются протоколы  (SDH, ATM, FR, IP) и технологии передачи (VoIP, VoATM, VPN). Роль таких согласующих устройств  на сетях операторов обычно выполняют мультисервисные сетевые устройства, обычно поддерживающие ATM и MPLS, IP и FR.

При конвергенции сетей несколько  в корне различающихся сетей  сливаются в одну. При этом повышается эффективность сети. Операторы переходят от множества наложенных сетей, требующих отдельного управления и техобслуживания, к одной сети, ядром которой, как правило, является сеть IP/MPLS.

Сетевая конвергенция позволяет вводить современные услуги. Следующая волна Интернета будет формироваться конечным пользователем, которому потребуются эти инновационные приложения и услуги.

2. Конвергенция управления

Конвергенция управления заключается в том, что оператор должен предоставлять услуги, осуществлять биллинг и управлять услугами, предоставляемыми во всех средах доступа.

При этом повышаются требования к  интеллектуализации прикладного уровня и оборудования абонента. Хорошим  примером этому может служить  концепция «triple play services», предполагающая передачу речи, видео и данных в рамках одной сети. При использовании беспроводных средств передачи данных получается «triple play в движении», или «quadruple play».