CALITATEA SERVICIILOR DE TELECOMUNICAŢII

Transcript

1 Prefață Volumul de față reprezintă rodul unei activități susținute şi relativ îndelungate a celor doi autori, în domeniul modelării ce are ca scop evaluarea calității servirii în rețelele de telecomunicații, calitate ce este definită, conform cu normativele ITU-T, avizul E.800, ca fiind "efectul rezultant al performanțelor unui serviciu care determină gradul de satisfacție al utilizatorului o dată cu folosirea respectivului serviciu". Se subliniază astfel faptul că o combinație de aspecte caracterizează QoS, şi anume: suportul şi operativitatea serviciului, precum şi accesibilitatea şi integritate sa. Concret, lucrarea, dat fiind complexitatea subiectului abordat, este alcătuită din trei părți cu un oarecare grad de autonomie, care în ansamblu oferă cadrul necesar îndeplinirii demersului propus, cel al studiului cantitativ legat de calitatea serviciilor de telecomunicații. Astfel, după o introducere necesară alcătuirii unei imagini de ansamblu a subiectului abordat, prima parte aduce în discuție concepte de ordin teoretic şi practic, ce țin de bagajul fundamental de cunoştințe din domeniu. Trei capitole sunt dedicate acestui scop, fiecare prezentând, pe rând, factorii cu influență determinată asupra calității, mijloacele uzuale de management al calității şi metodele de asigurare a calității, specifice rețelelor IP Odată trecute în revistă principalele aspecte de natură practică, implicate în controlul calității, urmează a doua parte a lucrării, în care se prezintă instrumentul matematic ce stă la baza activităților descrise în a treia parte, de modelare şi analiză cantitativă a calității cu care serviciile de telecomunicații sunt îndeplinite. Este vorba de un instrument amplu de lucru pentru care lucrarea rezervă un număr de şapte capitole pe parcursul cărora se face o prezentare, însoțită de exemplificări în domeniu, a principalelor noțiuni legate de variabilele şi procesele aleatorii, staționaritate şi ergodicitate, lanțuri Markov şi procese de naştere şi moarte. Nu sunt lăsate deoparte problemele fundamentale legate de generarea variabilelor şi funcțiilor aleatorii, elemente importante în conceperea modelelor de simulare. De asemenea sunt prezentate metode de aprecieri relative la proprietățile statistice ale unui fenomen aleatoriu, prin supunerea acestuia la diverse teste, cu ajutorul cărora se pot stabili atât proprietățile temporare (staționaritatea, autocorelația etc.) cât şi proprietăți pe ansamblu (media, varianța, funcția de repartiție etc.) ale fenomenului studiat.

2 II CALITATEA SERVICIILOR DE TELECOMUNICAŢII Ultima parte, a treia, se ocupă, cum s-a arătat mai sus, cu cele două operații fundamentale de studiu al calității servirii, şi anume: modelarea şi analiza. Capitolele incluse sunt în număr de trei şi au ca subiecte: traficul de telecomunicații, pentru care se dau definiții, se prezintă modele de surse şi se descriu metode de estimare a parametrilor, sistemele de servire cu aşteptare, pentru care se precizează care sunt elementele teoretice constitutive şi se dezvoltă un număr apreciabil de modele, şi rețelele cu şiruri de aşteptare, privitor la care sunt supuse atenției mai multe modele, precum: rețelele deschise fără revenire, cu sau fără pierderi, şi rețelele cu formă produs, de tip Jackson, BCMP sau Kelly, la care se adaugă problematica legată de conceptele de fiabilitate şi disponibilitate. Cartea se adresează, cu precădere, studenților din cadrul Facultății de Electronică, Telecomunicații şi Tehnologia Informației, din Universitatea Politehnica Bucureşti, de la cursurile de licență, dar şi de master, în a căror arie curriculară se regăsesc discipline precum: Ingineria traficului, Evaluări de performanță, Proiectarea şi managementul rețelelor radio, trafic şi planificarea frecvențelor, Servicii de telecomunicații şi evaluării de performanță, Planificarea serviciilor şi rețelelor, şi inginerilor din domeniul IT&C. Aparținând unei ramuri în care volumul termenilor şi abrevierilor este în continuă expansiune, numărul cuvintelor din vocabularul minimal al oricărei limbi fiind cu mult depăşit, materialul se încheie cu un index necesar unei localizări cât mai facile a noțiunilor specifice subiectului tratat, acolo unde cititorul poate găsi informația căutată. Pentru toți aceşti termeni sunt prezentate, în text şi în index, denumirile în limba engleză, ele fiind, de altfel, folosite aproape în exclusivitate de către toți specialiştii de telecomunicații, indiferent de naționalitate. Autorii

3 Cuprins INTRODUCERE... 1 PARTEA I-A: CONCEPTE FUNDAMENTALE... 7 CAPITOLUL 1: FACTORI DETERMINANŢI SERVICII DE VOCE, DATE ŞI IMAGINI Raportul semnal-zgomot Transmiterea vocii Circuite de date Video (TV) IMPERFECŢIUNILE MEDIILOR DE COMUNICARE Distorsiunea de amplitudine Distorsiunea de fază Zgomotul CODARE ŞI COMPRESIE ÎNTÂRZIERI Întârzierea la construirea cadrelor Întârzierea la corectarea erorilor Întârzierea la întreţesere Întârzierea la împachetare Întârzierea în tamponul de acumulare Întârzierea în reţea PIERDERILE DE PACHETE EVALUĂRI SUBIECTIVE CAPITOLUL 2: MIJLOACE DE MANAGEMENT AL CALITĂŢII MARCAREA PACHETELOR CLASIFICAREA PACHETELOR SUPRAVEGHEREA TRAFICULUI Caracteristici de trafic Contorizarea şi colorarea traficului Marcarea în trei culori pe baza unui sigur debit Marcarea în trei culori pe baza a două debite MANAGEMENTUL COZILOR Mecanismul "tail-drop" Mecanismul RED Mecanismul WRED Mecanismul ECN PLANIFICAREA PACHETELOR Procedeul FIFO... 55

4 IV CALITATEA SERVICIILOR DE TELECOMUNICAŢII Procedeul PQ Procedeul RR Procedeul WRR Procedeul WFQ Procedeul CB-WFQ Procedeul DRR PROFILAREA TRAFICULUI Procedeul Leaky Bucket Procedeul Token Bucket CONTROLUL ADMITERII PROTOCOALE DE TRANSPORT ÎN TIMP REAL Protocolul RTP Protocolul RTCP CAPITOLUL 3: METODE SPECIFICE REŢELELOR IP APROVIZIONAREA ÎN EXCES INTEGRAREA SERVICIILOR Clase de servicii Protocolul RSVP DIFFSERV Contractarea serviciilor (SLA/SLS) Arhitectura DiffServ Comportamente caracteristice nodurilor (PHBs) Înaintare expeditivă Înaintare asigurată INTSERV PESTE DIFFSERV PARTEA II-A: PROBABILITĂŢI ŞI PROCESE ALEATORII CAPITOLUL 4: EXPERIMENT ŞI MODELARE EXPERIMENTE ALEATORII AXIOMELE PROBABILITĂŢII PROBABILITĂŢI CONDIŢIONATE INDEPENDENŢA EVENIMENTELOR EXPERIMENTE SECVENŢIALE APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 5: VARIABILE ALEATORII - definiţii şi concepte de bază FUNCŢIA DE DISTRIBUŢIE FUNCŢIA DE DENSITATE DE PROBABILITATE FUNCŢII DE O VARIABILĂ ALEATORIE MĂRIMI CARACTERISTICE ALE UNEI VARIABILE ALEATORII TRANSFORMATELE UNEI VARIABILE ALEATORII DISTRIBUŢII UZUALE DE VARIABILE ALEATORII Distribuţia Bernoulli Distribuţia binomială Distribuţia geometrică Distribuţia binomială negativă Distribuţia Poisson Distribuţia uniformă discretă Distribuţia uniformă continuă

5 Cuprins V Distribuţia exponenţială Distribuţia Pareto Distribuţia gaussiană (normală) Distribuţia Gama Distribuţia m-erlang Distribuţia χ Distribuţia Student, t Distribuţia Fisher - Snedecor (F ) Distribuţia Laplace Distribuţia Rayleigh Distribuţia Cauchy METODE DE APROXIMARE Inegalitatea Markov Inegalitatea Cebâşev Inegalitatea Chernoff Marginea reuniunii Calculul aproximativ al valorilor aşteptate Dezvoltarea în serie Taylor trunchiată Aproximarea prin cuadratură APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 6: VARIABILE ALEATORII VECTORIALE VARIABILE ALEATORII BIDIMENSIONALE Independenţa componentelor Probabilităţi condiţionate şi mărimi caracteristice condiţionate VARIABILE ALEATORII n -DIMENSIONALE ( n > 2) FUNCŢII DE MAI MULTE VARIABILE ALEATORII Mărimi caracteristice ale funcţiilor de două variabile aleatorii Sume de variabile aleatorii Media pe eşantion Legea slabă a numerelor mari Legea tare a numerelor mari Teorema limită centrală INTERVALE DE ÎNCREDERE Noţiuni de bază Determinarea intervalelor de încredere METODA FAZELOR Structură tip serie Structură tip paralel Structură tip serie-paralel Structură tip Cox FUNCŢII VECTORIALE DE VARIABILE ALEATORII Transformări liniare Transformări neliniare APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 7: GENERAREA NUMERELOR ALEATORII METODE DE GENERARE A NUMERELOR ALEATORII DISTRIBUITE UNIFORM METODE DE GENERARE A NUMERELOR ALEATORII DISTRIBUITE ARBITRAR Metoda transformării analitice Metoda respingerii

6 VI CALITATEA SERVICIILOR DE TELECOMUNICAŢII Generarea funcţiilor de variabile aleatorii APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 8: TESTE STATISTICE TESTUL DE STAŢIONARITATE TESTUL DE AUTOCORELAŢIE HISTOGRAMA TESTUL χ TESTUL KOLMOGOROV-SMIRNOV APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 9: PROCESE ALEATORII NOŢIUNI INTRODUCTIVE SPECIFICAREA UNUI PROCES ALEATORIU STAŢIONARITATEA PROCESELOR ALEATORII MEDII TEMPORALE ŞI CONDIŢII DE ERGODICITATE PROCESE AUTOSIMILARE PROCESE ALEATORII TIP SUMĂ PROCESE AR ( p ) PROCESE DE MEDIERE PRIN ALUNECARE MA ( q ) PROCESE ARMA ( p, q ) PROCESE ARIMA ( p, d, q ) PROCESE f ARIMA ( p, d, q ) PROCESE GAUSSIENE APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 10: LANŢURI MARKOV LANŢURI MARKOV DISCRETE LANŢURI MARKOV CONTINUE METODA VALORILOR ŞI VECTORILOR PROPRII Valori şi vectori proprii Calculul probabilităţilor de stare în lanţuri Markov discrete Calculul probabilităţilor de stare în lanţuri Markov continue PROCESE DE NAŞTERE ŞI MOARTE CVASI PROCESE DE NAŞTERE ŞI MOARTE Metoda matriceal-geometrică Aplicarea procedurii MGM în cazul proceselor QBD APLICAŢII SUPLIMENTARE PARTEA III-A: MODELARE ŞI ANALIZĂ CAPITOLUL 11: TRAFICUL DE TELECOMUNICAŢII DEFINIŢII, UNITĂŢI ŞI METODE DE MĂSURARE SURSE DE TRAFIC Clasificare Modelarea surselor de trafic Surse de trafic ON/OFF Surse de trafic (continuu) variabil ESTIMAREA PARAMETRILOR Verosimilitatea maximă a datelor

7 Cuprins VII Algoritmul EM Studii de caz Model de amestec Lanţuri Markov ascunse Distribuţii tip fază Procese Markov de sosiri Procese Markov de sosiri ponderate MODELAREA MOBILITĂŢII APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 12: SISTEME DE SERVIRE CU AŞTEPTARE ELEMENTELE DE MODELARE FORMULA LUI LITTLE CLASIFICAREA KENDALL MODELUL M/M/ MODELUL M#/M/1 CU CONTROL DE FLUX MODELUL M/M/1 / / r / FIFO MODELUL M/M/ s MODELUL M/M/ s / / s CU PIERDERI MODELUL REVĂRSĂRII TRAFICULUI Grup cu revărsare primară Fascicul comun de revărsare MODELUL M/M/ s / / r / FIFO MODELUL M/M/1/ c MODELUL M/G/ Serviri cu întrerupere Serviri cu prioritate Sisteme fără întreruperea servirii curente Sisteme cu întreruperea servirii curente Modelul Geom/G/ MODELUL GI/M/ MODELUL GEOM[A]/D/ Ecuația de evoluție și valorile medii Funcția generatoare de probabilități INTEGRAREA SERVICIILOR Integrarea utilizând disciplina FIFO Integrarea cu prioritate absolută ( s = 1) Integrarea cu rezervare şi graniţă mobilă MODELE FLUIDE Modelare matematică Modelul fluid cu acumulare Modelul fluid fără acumulare Studii de caz APLICAŢII SUPLIMENTARE CAPITOLUL 13: REŢELE DE ŞIRURI CU AŞTEPTARE INTRODUCERE DEFINIŢII ŞI NOTAŢII INDICATORI DE PERFORMANŢĂ TEOREMA LUI BURKE REŢELE DESCHISE FĂRĂ REVENIRE Rutare deterministă

8 VIII CALITATEA SERVICIILOR DE TELECOMUNICAŢII Rutare probabilistică REŢELE FĂRĂ REVENIRE, CU PIERDERI DISTRIBUITE REŢELE CU FORMĂ PRODUS Reţele Jackson Reţele Gordon-Newell Teorema lui Gordon şi Newell Algoritmul Buzen Metoda valorii medii Reţele BCMP Clase şi lanţuri de clienţi Forme produs în reţele BCMP Metode aproximative de rezolvare a reţelelor BCMP Reţele Kelly Reţele Kelly deschise Reţele Kelly închise DISPONIBILITATEA REŢELELOR DE TELECOMUNICAŢII Fiabilitate şi disponibilitate a) Proiectarea redundantă b) Reconfigurarea c) Detectarea, localizarea şi semnalarea defecţiunii Evaluarea disponibilităţii unui sistem de telecomunicaţii Sistem elementar Sisteme compuse Evaluarea disponibilităţii reţelelor Metoda grafo-analitică de evaluare Evaluarea disponibilităţii prin modelare de tip Markov Aplicaţii suplimentare CONCLUZII GENERALE APLICAŢII SUPLIMENTARE INDEX BIBLIOGRAFIE