Влияние дисциплины обслуживания очередей на показатели качества обслуживания мультисервисной сети Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ной линией - при адаптивном разделении.

Исходные данные для рис. 2: N = 30, Nl = 15, NJ = 10. р, = 0.8; для рис. 3: N - 30. N. = 15, Л/, - 10. р, = 0.8. р2 = 0.8.

Расчеты времени ожидания приведены для потоков с коэффициентами Хэрста 0,5 и 0,8. Как следует из приведенных рис. 2 и 3, при увеличении степени самоподобия нагрузки ухудшаются показатели обслуживания.

Выиолы. Метод адаптивного распределения ресурсов, рассмотренный в данной работе, дает существенный выигрыш в характеристиках качества обслуживания низкоприоритетных потоков по сравнению с фиксированным распределением канального ресурса.

Следует отмстить, что время ожидания пакетов нагрузки 1-го класса является одинаковым как для фиксированного, так и для адаптивного распределения ресурсов. То есть при сохранении заданного качества обслуживания высокоприоритетной нагрузки использование разделения ресурсов на основе подвижной границы дает значительное уменьшение времени ожидания для пакетов низкоприоритетной нагрузки.

Библиографический список

1. Кучерявый Е. А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е. А Кучерявый. -СПб. : Наука и пехника. - 2004. - 336 с.

2. Крылов В. В. Теория телетрафика и ее приложе-

нии / В. В. Крылов. С. С. Самохвалова - СПб : БВХ -Петербург. - 2005. - 288 с.

3. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. 4.2. / М. Шварц - М.: Наука. - 1992. - 326 с.

4. Оценка состояния каналоп при интеграции данных на основе модели подвижной границы / Бычков Е. Д.. Коваленко О. Н. // Материалы VIII Международной конференции АПЭП-2006. - Т.4. - Новосибирск : НГТУ. 2006. - С.225-227.

5. Влияние самоподобия на оценку состояния каналов при интеграции речи и данных / Бычков Е. Д., Коваленко О. И. // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А. С. Попова. - Выпуск 1.Х11. - М., 2007 -С. 252-253.

6. Клейнрок А. Теория массового обслуживания/ Л. Клейнрок - М. Машиностроение, 1979. - 432 с.

7. Самоподобие в системах массового обслуживания с ограниченным буфером / М. Н. Петров. Д. Ю. Пономарев // Электросвязь. - 2002. - N9 2. - С. 15-18.

БЫЧКОВ Евгений Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы передачи информации».

КОВАЛЕНКО Ольга Николаевна, старший преподаватель кафедры «Системы передачи информации».

Дата поступления статьи п редакцию: 28.01.2009 г.

© Бычков Е.Д.. Коваленко О.Н.

УДК 681.3.06(075.8) В £ МИТРОХИН

Е. Д. БЫЧКОВ О. Н. КОВАЛЕНКО

Омский государственный университет путей сообщения

ВЛИЯНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ОЧЕРЕДЕЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ СЕТИ

При построении мультисервисных сетей связи одной из главных задач является предоставление требуемого качества обслуживания различным видам трафика. Решить данную задачу можно с помощью классификации поступающих потоков и гибкого распределения ресурсов между очередями. В работе предлагаются математические модели наиболее распространенных способов разделения пропускной способности канала между конкурирующими потоками - РО и СВ\УРО для системы массового обслуживания М/М/Ы:п.

Ключевые слова: алгоритмы управления трафиком, приоритетное обслуживание.

Основной концепцией сетей связи следующего отраслей |1|. В настоящее время создание единой

поколения является мультисервисная сеть, целыо мультисервисной сети на базе сетей с коммутацией

организации которой является создание единой ин- пакетов (КП) сдерживает, как отмечается, например,

формационной структуры и интеллектуальной сре- в |2), плохая приспособленность сетей с К П обраба-

ды для технологических н бизнес-процессов всех тыватьтрафик реального времени.

Важнейшей частью процесса обработки пакетов с целью обеспечения качества обслуживания в сети является |3| алгоритм управления очередью в буферах сетевого оборудования. Под алгоритмом управления очередью понимается набор методов, управляющих поступлением, хранением и передачей на обслуживание поступающих в систему пакетов. В связи с тем, что трафик и, как следствие, качество его обслуживания являются разнородными, очевидно наличие приоритетов при его обслуживании. Пакеты с различными приоритетами в маршрутизаторах должны помещаться в различные очереди, в связи с чем задача гибкого распределения ресурсов между очередями становится актуальной.

Следовательно, для обеспечения оптимальной работы мультисервисной сети необходимо классифицировать поступающий трафик, назначая каждой очереди приоритет и организуя для каждого вида трафика свою очередь |4, 5]. Затем следует организовать обслуживание каждой очереди в соответствии с выбранным алгоритмом, например. PQ, WFQ. CBWFO.

Проведем сравнительный анализ основных параметров качества обслуживания (QoS) для дисциплин обслуживания РО и CWBFO в многоканальной СМО с пуассоновским распределением входящего потока, экспоненциальным временем обслуживания при ограниченном буфере (по системе Кендела это СМО типа M/M/N:n). К основным параметрам QoS, характеризующих работу СМО M/M/N:n, относятся время ожидания в очереди, длина очереди и вероятность потерь при переполнении очереди.

При использовании дисциплины обслуживания с приоритетами РО предположим, что классы сообщений, обозначаемые индексом р = 1, 2,3...г, прону-

мерованы в порядке уменьшения приоритета. Рассмотрим сообщение с приоритетом р, которое пребывает в систему в некоторый момент времени и через интервал М(Т11Ж)р|ч; поступает на обслуживание, т. е. начинается его передача по каналу.

Получим выражение для М(Т11в)1(РО среднего времени ожидания сообщения с приоритетом рдля многоканальной СМО с ожиданием и ограниченным буфером. М(Тож)р|,0 складывается из следующих компонентов (4): времена Тк, необходимые для обслуживания тл сообщений с приоритетами к = 1,2...р,

уже ожидающих обслуживания в очереди к моменту поступления рассматриваемого сообщения, и времена Т\ (к = 1,2,.... р-1), необходимые для обслуживания сообщений с более высоким приоритетом, которые могут поступить за интервал ожидания и будут обслужены раньше данного сообщения. Суммируя средние значения всех этих случайных величин, получим:

M(T„

)pK> “

£м(Г,)+£ М(Г'| (II

где А/(Г,) = ; ЛЯГ/) =-------------^ • pt.

А»

(2)

Подставляя в (I) выражения (2) и упрощая полученную зависимость, приведем оконча гельное выражение для расчета среднего значения времени ожидания пакета при использовании дисциплины обслуживания РО:

1-1 Нк Рп V. *«1 )

Длина очереди в случае рассматриваемой СМО М/М/Г^:п с ограниченной очередью, согласно (7), рассчитывается с учетом приоритетов по формуле (4), вероятность переполнения очереди — по(5):

М(тк)

("PS

N\

fW-nh

К i\

-t*

ts„:

X-1 *

(4)

N\ S., ,

где nk - емкость буфера /с-го приоритета.

(n-аГ

N\

H /! ("•ЛГ

N\

tfi

(5)

Результаты расчетов по формулам (1) - (5) приведены на рис. 1, 2. Исходные данные: N = 60. п, = 40; n.j = 30; п3 = 20; ц в 1000 с'\

На рис. 1 и 2 пунктирной линией для сравнения показана зависимость основных величин от загрузки канала для случая обслуживания FIFO, сплошной -соответствующие величины при дисциплине обслуживания PQ.

Как видно из расчетов, при использовании дисциплины обслуживания с приоритетами значительно улучшаются показатели QoS для трафика реального времени (приоритет 1). Время, затрачиваемое на обслуживание очереди второго и третьего приоритета при использовании дисциплины PQ, увеличилось.

Данный алгоритм имеет такие положительные стороны, как простота реализации и возможность малой задержки для пакетов высокоприоритетного потока, а также отрицательные, одна из которых влияние потоков друг на друга - если высокоприоритетная нагрузка будет постоянно поступать в очередь с высокой интенсивностью, то нагрузка остальных очередей будет блокирована. Следовательно, применение приоритетной дисци плины обслуживания оправдано, если заранее известно, что высокоприоритетный трафик имеет значительно меньшую интенсивность по сравнению с низкоприоритетным.

Данный отрицательный эффект можно нейтрализовать с помощью выделения каждому типу трафика фиксированной гарантированной полосы пропускания (в примере с помощью CBWFQ). В случае использования CBWFQ каждый пакет помещается в очередь соответствующего класса (приоритета). При этом для обслуживания каждой очереди выделяется пропускная способность г, или определенное количество единиц канального ресурса Nk, что позволяет обеспечить минимальные гарантии по качеству обслуживания. В пределах одной очереди пакеты обслуживаются по принципу FIFO. Величина задержки в очереди вычисляется по формуле (7), а среднее число заявок в очереди из выражения (6):

(/у А Г

NJ

hww =

У ,

о

(N. -лГ

N,! "hPt

\-1

■£sPst lei

О? 0 75 08 0 85 09 095 1

Р-------------=»-

Рис. I. Зависимость длительности ожидании от загрузки канала

Рис. 3. Зависимость длительности ожидания от загрузки канала при CBWPQ

Рис. 5. Зависимость длительности ожидания от загрузки канала при РО (Н ■ 0,8)

м<га,-,,то-М(т‘1г,‘иц 171

А*

Результаты расчетов по формулам (6) - (7) приведены на рис. 3 — 4. Исходные данные: N, = 30; N. = 20; N3 = 10; л, = 40; л, = 30; л3 = 20; ц = 1000 с . Приведенные графики показывают значительное улучшение параметров качества обслуживания при использовании CBWFQ по сравнению с РО и FIFO.

Однако традиционные методы расчета, основан-

0.6 0.7 08 0.9 1

Р -------------5*-

Рнс. 2. Зависимость длины очереди от загрузки канала

Р -----------Э*-

Рис. 4. Зависимость длины очереди от загрузки канала при CBWFQ

Рис. 0. Зависимость длительности ожида имя от загрузки канала при CBWFQ (Н = 0,8)

ные на представлении пакетной нагрузки как чередующихся последовательностей периодов передачи и пауз с хорошо определенной статистикой, приводят к значительной недооценки нагрузки [4,7). В реальных быстродействующих цифровых сетях обрабатываемая нагрузка имеет пачечный характер, причем пачки проявляются в разных масштабах времени. Анализ, проведенный авторами, например (7, 8|. показывает, что структура трафика современных мультисервисных сетей описывается потоками с фрак-

тальнымисвойствами (самоподобными процессами).

Сравним основные качественные показатели функционирования сети с дисциплиной обслуживания очередей CBWFO при наличии и отсутствии эффекта самоподобия. Для того чтобы учесть самоподобие входящей нагрузки, воспользуемся методикой, приведенной например в [9), где в качестве интенсивности поступления заявок на узел коммутации рассматривается функция Xf(H). Функция f(H) =2Н, где Н - коэффициент Херста. Если Н = 0,5, что соответствует классическому представлению потока без самоподобия, то !(Н) = 1. Если 0,5 < Н £ 1, то поток самоподобный.

Если учесть, что р в —, ц не зависит от типа вхо-

дящего потока, то р также прямо пропорционально зависит от /(/-/)■ Подставляя в выражения (1) - (7) р((H) при И = 0,8, получим зависимости для времени ожидания при использовании дисциплин обслуживания РО и CBWFO (рис. 5, б).

По графикам видно, что для обслуживания самоподобной нагрузки требуется буфер большего объема (для сохранения тот же качества обслуживания), чем при отсутствии свойства самоподобия. Также свойство самоподобия (без его учета при расчете требуемого оборудования) заставляетСМО работать в режиме перегрузки. Следовательно, при расчете оборудования узлов связи для высокоскоростной передачи пакетизированной информации необходимо учитывать самоподобие поступающей нагрузки, что позволит качественно обслуживать высокоскоростные цифровые потоки информации. Также по приведенным результатам расчета видно, что хотя дисциплина CBWFO сложнее реализовывается на коммутационном оборудовании и требует больше вычислительных ресурсов, чем РО, она позволяет улучшить характеристики QoS даже при наличии самоподобного потока.

Выводы. В данной работе показано, что если загрузка канала не превышает0,4, то влияние конкурирующих потоков минимально и можно использовать простейший алгоритм обработки очередей - FIFO. При увеличении загрузки канала, но невысокой доле трафика реального времени (около 10-15% от всего трафика) следует применить алгоритм РО. в противном случае — CBWFO или WFQ. Также при проектировании мультисервисных сетей следует учитывать фрактальные или самоподобные свойства трафика.

Библиографический список

1. Новые сети и нопыс задачи расчета телетрафика / Голышко А. В., Степанов С. П., Харкевнч А. Д. // Труды Российского научно-технического обществ.» радиотехники. электроники и связи имени А. С. Попова. Серия: научная сессия, посвященная Дню радио. - Выпуск LXII. - М.. 2007. - С.25-29.

2. Мультисервисные сети: сумма технологий / Не-тес В. А. // Электросвязь. - 200-1. - N« 9. — С.20.

3. Кучерявый Е. А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е. А. Кучерявый. -СПб. : Наука и техника, 2004. - 336 с.

4. Влияние системы поллннга на качество обслуживания трафика / Коваленко О. Н. // XIII Международная научно*практическля конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», 26 - 30 марта 2007 г. : труды в 3-х т. -Томск : Иэл-во ТПУ, 2007 - Т.2. - 490 с.

5. Влияние методов обработки очередей в коммутационных узлах / Фадеев К. С., Коваленко О. Н. // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов — Омск : СибАДИ, 2007. — Вып. 4. -

Ч. I. - 340 с.

6. Вентцель Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вент-цель - М., 2005. - 576 с.

7. О. И. Шел ухни, А. М. Текняшев. А. В. Осин. Моделирование информационных систем : учеб. пособие / Под ред. О. И. Шелухи на.. — М. : Радиотехника. 2005. - 368 с.

8. Новое направление в теории телетрафика / В. И. Нейман. // Электросвязь. - 1998. - N? 7. — С.27-30.

9. Самоподобие в системах массового обслуживания с ограниченным буфером / М. И. Петров. Д. 10. Пономарев // Электросвязь. - 2002. - №2. — С. 15-18.

МИТРОХИН Валерий Евгеньевич, доктор техиичес ких наук, профессор, заведующий кафедрой «Сис темы передачи информации».

БЫЧКОВ Евгений Дмитриевич, кандидат техиичес ких наук, доцент кафедры «Системы передачи ин формации».

КОВАЛЕНКО Ольга Николаевна, старший преподаватель кафедры «Системы передачи информации».

Дата поступления статьи в редакцию: 28.01.2000 г.

© Митрохин В.Е., Бычков Е.Д., Коваленко О.Н.

УДК 621.37.01:621.391.

И. Д. ЗОЛОТАРЕВ Е. М. ЛОБОВ

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

ДНДЛИЗ ПРОХОЖДЕНИЯ ФДЗОМДНИПУЛИРОВДННЫХ СИГНАЛОВ С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ОГИБАЮЩЕЙ ДИСКРЕТОВ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЧЕРЕЗ ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР______________________________

В работе исследуется влияние переходного процесса в избирательном тракте (ИТ) радиоэлектронных устройств на фрагмент фазоманипулированной последовательности радиоимпульсов. Для исследования использовано быстрое обратное преобразование Лапласа, не требующее упрощающих допущений и асимптотики.

Показано, что при уменьшении полосы пропускания ИТ относительно оптимальной в 1.5—3 раза с целью увеличения отношения сигнал/шум, несмотря на существенное искажение огибающей выходного сигнала, обеспечивается восстановление кодовой последовательности.

Ключевые слова: фазоманипулированный сигнал, переходный процесс, избирательный фильтр.

В современных системах связи и телеметрии широко используются радиоэлектронные устройства, обеспечивающие множественный доступ корреспондентов и высокую криптоустойчивость. Это обеспечивается применением радиосигналов в виде псевдослучайных фазоманипулированных (ФМн) последовательностей (ПСП) |1). При этом уровень сигнала относительно уровня шума может быть ниже на 60- 100 дБ. В типовых схемах РПУ сигнальному входу коррелятора предшествует тракт УПЧ, включающий избирательные фильтры (ИФ), которые в динамическом режиме работы схемы искажают фазу и огибающую радиоимпульсов ПСП из-за переходных процессов в фильтрах тракта (2, 3).

Для исследования переходных процессов в фильтрах тракта таких систем целесообразно использовать метод быстрот обратного преобразования Лапласа (БОПЛ) (2, 3). Применение метода БОПЛ отражает реальную динамику поведения огибающей и фазы при исследовании прохождения сигнала через ИФ.

В данной работе методом БОПЛ рассматривается прохождение ФМн сигнала через избирательный фильтр при наличии манипуляции фазы на смежных элементах ПСП, когда максимальным образом сказывается влияние переходного процесса на фазу сигнала.

Запишем сигнал с фазовой манипуляции (ФМн) в форме

1(0 = 1т^\п((он1 + V/ + <7,*)( 1(* -ут)- 1(Г -[V + 1)г) ]. (11

г.О

где для каждого V, в зависимости от конкретного вида ПСП последовательности, принимает значения 0 или 1. 1(1) - единичный скачок, ф - начальная фаза ВЧ-заполнения сигнала. Поскольку переходные процессы наиболее сильно проявляются при манипуляции фазы на смежных дискретах, представим для исследования выражение в виде

|(0 = /.

8ІП(й>я* + у/)(1-1(*-г)) +

АІ-І

+ + V + //*)№ -рг) - И* -(/' + 1)г)1

*>|

+5ІП(<У„* + I/ + Лї.т)(1(* - ЛІг)|

.(2)

здесь М определяет длительность фрагмента последовательности.

Формула дли ФМн сигнала при манипуляции на смежных дискретах может быть представлена в виде

(3)

где і„(1) « 2ДО(ан(+V) І (і - ЦТ), І^Ц) = /.8ІП(а>нІ + у) -стационарная составляющая возбуждающего сигнала, соответствующая установившемуся режиму работы филь тра. Реакцию фильтра на сип іал запишем в виде

ч.ш-'и.м+Ені'ч,»

*.1

(4)

где вещественный сигнал на выходе фильтра ищем как Ц>(0"1п1{иф(0},

«иЛО = ^*(М)ехр[Л<»^+И]

= /я*(М.)ехр [Ж*+ /?)].

(5)

ГАС I.“ 1П1ехр[]И итгмц = 1икЦо)н), Р = V + агд к(]о)м).

Смещая начало отсчета времени к моменту переключения ц-го дискрета 1(1 = 1-цт, получим для каждой ц-ой составляющей сигнала идентичное выражение для изображающей функции

и.(р) = /,(р)*(р)

2/ решу/,сову/, л р + 2а

р2+а>1 " р7 +2ар+о)1'