Цифровые сети и системы коммутации М1В

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬ-
НОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИ-
ВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

РОССИЙСКАЯ ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА

Кафедра: «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь»

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
С МЕТОДИЧЕСКИМИ УКАЗАНИЯМИ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ VI КУРСА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «Цифровые сети и системы коммутации»
НА ТЕМУ: «Расчет элементов сети связи следующего поколения»

Москва 2016 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 3

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 4

• 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ 5

РАСПРЕДЕЛЕННОГО АБОНЕНТСКОГО КОНЦЕНТРТОРА 5

• 1.1 Расчет шлюза доступа 5

Исходные данные для проектирования: 5

Размещение оборудования и схема организации связи 8

Расчет основных параметров шлюза доступа и коммутатора доступа 9

СМО с потерями 14

СМО с ожиданием 16

• 1.2 Расчет оборудования гибкого коммутатора 23

Исходные данные для проектирования 23

• 2. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ 25

РАСПРЕДЕЛЕННОГО ТРАНЗИТНОГО КОММУТАТОРА 25

• 2.1 Расчет оборудования шлюзов 25

Задачи 25

Исходные данные для проектирования 25

• 2.2 Расчет оборудования гибкого коммутатора 28

Задача 28

Производительность 28

Параметры интерфейсов подключения к пакетной сети 29

• 2.3 Расчет оборудования сети IMS 30

• 2.4 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимогодля

обеспечения сигнального обмена с функцией S-CSCF32

Задача 33

Исходные данные для проектирования 33

• 2.5 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимогодля

обеспечения сигнального обмена с функцией I-CSCF35

Задача 35

Данные для проектирования 36

• 3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ 37

И ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 37

• 3.1 Исходные данные 37

• 3.2 Требования к содержанию и оформлению пояснительной записки 40

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ЕСЭ РФ Единая сеть электросвязи Российской Федерации

МКД Мультисервисный коммутатор доступа

ССОП Сеть связи общего пользования

AG Access Gateway – шлюз доступа

HTTP Hyper Text Transport Protocol – гипертекстовой транспортный

протокол

ISDN Integrated Services Digital Network – цифровая сеть интегрального

обслуживания

P2PE Peer-to-Peer Education – обучение по принципу точка-точка

SDP Session Description Protocol – протокол описания сеансов связи

(SIP)

SIP-T SIP for Telephony (IETF Draft) – протокол SIP для телефонной связи

UA User Agent – агент пользователя

UAS User Agent Server – сервер агента пользователя

МАК Мультисервисный абонентский концентратор

ОКС7 Общеканальная система сигнализация № 7

ЦОВ Центр обслуживания вызовов

DSS1 Digital Subscriber Signaling #1 – цифровая абонентская

сигнализация №1

IETF Internet Engineering Task Force – группа стандартизации TCP/IP в

составе рабочей группы, занимающейся базами информации
эксплуатационного управления

NGN Next Generation Network – инфокоммуникационная сеть нового

поколения

RFC Request For Comment – выпускаемые IETF документы, определяю-

щие интернет-стандарты, инструкции, отчеты рабочих групп и т.д.

SIP Session Initiation Protocol – протокол установления сеансов связи

SNTIite Signaling Network Tester – протокол-тестер систем сигнализации
ЕСЭ РФ

UAC User Agent Client – клиент агента пользователя Universal Resource

URI Identificator - универсальный идентификатор ресурса

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Все расчеты при выполнении курсового проекта должны быть снабжены
теоретическими пояснениями, основывающимися на изложенном выше мате-
риале, а также на приведенных в списке рекомендуемой литературы книгах.
Отсутствие пояснений к расчетам считается ошибкой.

Этап 1

o по указанным исходным данным рассчитать параметры шлюза доступа,
определить необходимое количество этих шлюзов, а также емкостные показа-
тели подключения шлюзов к транспортной сети;

o по указанным исходным данным рассчитать параметры узла Softswitch,
требуемую его производительность и параметры подключения к транспортной
сети;

o нарисовать структурную схему фрагмента сети NGN, используя номен-
клатуру реального оборудования, описание которого нужно найти на соответ-
ствующих сайтах Интернет в свободном доступе.

Этап 2

o по указанным исходным данным рассчитать параметры каждого шлюза и
их число, а также емкостные показатели подключения к транспортной сети;

o по указанным исходным данным рассчитать параметры гибкого коммута-
тора, его производительность и параметры подключения к транспортной сети.

Этап 3

o по указанным исходным данным рассчитать транспортный ресурс, необ-
ходимый для взаимодействия S-CSCF и остальных сетевых элементов;

o по указанным исходным данным рассчитать транспортный ресурс, необ-
ходимый для взаимодействия I-CSCF и остальных сетевых элементов;

o на предложенную структурную схему сети нанести полученные результа-

ты.

• 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ

РАСПРЕДЕЛЕННОГО АБОНЕНТСКОГО КОНЦЕНТРТОРА

• 1.1 Расчет шлюза доступа

Задачи:

• 1. Определить число шлюзов и емкостные показатели составляющего их
  оборудования.
• 2. Определить транспортный ресурс подключения шлюзов доступа к па-
  кетной сети.

Рис. 7. Шлюз доступа в сети NGN

Исходные данные для проектирования:

Пользователи услуг связи разных типов:

• а) абоненты, использующие аналоговые абонентские линии, которые
  включаются в шлюз доступа (RAGW) – Npstn;
• б) абоненты, использующие линии базового доступа ISDN, которые
  включаются в RAGW – Nisdn ;
• в) абоненты, использующие терминалы SIP/H.323, которые включаются в
  пакетную сеть на уровне коммутатора доступа – Nsh ;
• г) Ni_lan – число пользователей, включаемых в одну LAN, где i – номер
  LAN, общее число сетей LAN, включаемых на уровне коммутатора доступа, I,
  Nlan – общее число пользователей.

Здесь стоит обратить внимание на подключение абонентов, исполь-
зующих терминалы SIP/ H.323. Эти абоненты включаются не в шлюз доступа, а
непосредственно в коммутатор доступа. Помимо этого, сразу внесем небольшое
уточнение относительно различия между Nsh и Nlan.

Существует две группы абонентов, использующих терминалы SIP/H.323,
которые:

• - подключаются непосредственно к коммутатору доступа, и их число рав-
  но Nsh ,
• - подключаются к коммутатору при помощи LAN, и их число это

I

∑ N_{i LAN} , но в нашем случае, предположим, что все сети LAN одинаковые, то-
1

гда это выражение будет выглядеть так: N_{i LAN} ⋅ I .

Для наглядности продемонстрируем схему (рис. 8) подключения або-
нентов, о которых сказано выше.

Рис. 8. Варианты подключения терминалов SIP/H.323

По сути, разница между этими двумя вариантами включения практически
такая же, как между включением одного абонента или включением УАТС в

традиционной телефонии (рис. 9).

Рис. 9. Подключение УПАТС по PRI

• д) УПАТС, использующие внешний интерфейс ISDN-PRA и включаемые
  в пакетную сеть через транкинговые шлюзы, где M – количество УПАТС;

Nm_pbx – число пользовательских каналов, подключаемых к одной
УПАТСm, где m - номер УПАТС;

Npbx – общее количество пользовательских каналов от всех УПАТС к

шлюзу доступа.

• ж) оборудование сети доступа с интерфейсом V5, включаемое в пакетную
  сеть через шлюзы доступа, где J – число интерфейсов V5, Nj_v5 – число пользо-
  вательских каналов в интерфейсе V5j, где j – номер сети доступа;

Nv5 – общее число пользовательских каналов V5.

Удельная нагрузка на линию,
подключающую вышеописанных пользователей:

yPSTN = 0,1 Эрл – удельная нагрузка на линию абонента ТфОП в ЧНН;

yISDN = 0,2 Эрл – удельная нагрузка на линию абонента ISDN в ЧНН,

ysh = 0,2 Эрл – удельная нагрузка на линию абонента, использующего
терминалы SIP/ H.323 в ЧНН;

yi_v5 = 0,8 Эрл – удельная нагрузка на линию, подключающую УПАТС по
интерфейсу V5 (соединительная линия),

Ym_pbx = 0,8 Эрл – удельная нагрузка на линию, подключающую УПАТС
по PRI (соединительная линия).

Параметры нагрузки для абонентов, использующих терминалы SIP/H.323
или подключенных к LAN, не рассматриваем в силу того, что они не создают
нагрузку на шлюз, параметры которого мы рассчитываем, так как эти термина-
лы включаются непосредственно в коммутатор доступа. Их влияние мы примем
в учет, когда будем рассматривать коммутатор доступа и сигнальную нагрузку,
поступающую на Softswitch.

На практике при построении сети для расчета числа шлюзов, помимо рас-
считанной нагрузки учитываются и допустимая длина абонентской линии, то-
пология первичной сети (если таковая уже существует), наличие помещений
для установки, технологические показатели типов оборудования, предлагаемо-
го к использованию.

Размещение оборудования и схема организации связи

На основании исходных данных и полученных результатов составить
схему сети, используя параметры реального оборудования, информацию о ко-
тором можно получить в свободном доступе. В качестве образца можно ис-
пользовать рис. 7, но стоит обратить внимание, что на получившейся схеме
должно быть изображено спроектированное количество шлюзов доступа и
коммутаторов доступа (с учетом их характеристик, например, максимальное
количество портов каждого типа), указаны виды подключений к каждому из

элементов.

Рис. 10. Параметры оборудования сети доступа

На такую схему должны быть нанесены все исходные данные и по-
лученные результаты. При нанесении результатов необходимо учесть, что если
в исходных данных, например, приводится количество абонентов традицион-
ной телефонии, равное 100, то это не значит, что для каждого шлюза будет та-
кое количество. Это общее число абонентов такого типа, а какое количество
будет для того или иного оборудования рассчитывается на основе параметров
выбранного оборудования и результатов расчетов, проведенных в курсовом
проекте. Для каждого из элементов сети необходимо привести таблицу, анало-
гичную той, которая представлена в примере выполнения курсового проекта.

Расчет основных параметров шлюза доступа и коммутатора доступа

Определив количество шлюзов, можно рассчитать нагрузку на линии,
подключаемые к каждому из шлюзов. Для каждого шлюза такие расчеты будут
идентичны, различаться будут лишь параметры источников нагрузки.

YPSTN – общая нагрузка, создаваемая абонентами PSTN (ТфОП), и поступаю-

щая на шлюз доступа:

YPSTN NPSTN * yPSTN

(1)

YISDN - общая нагрузка, создаваемая абонентами ISDN и поступающая на

шлюз доступа:

YISDN ^NISDN ’ yISDN

(2)

Yj_V5 – общая нагрузка, создаваемая оборудованием доступа j, подключенным
через интерфейс V5:

Yj-VS ⁼ ^ j_V 5 ' Л_Г5^:0)

Общая нагрузка, создаваемая оборудованием сетей доступа, подключен-
ных через интерфейс V5, равна:

^Г5⁼2^ Г5⁼У( Г5 ’Х^7 ^5’(4)

Ym_PBX – нагрузка, создаваемая УПАТС m, подключенным по PRI:

^m _ PBX ⁼ ^m _ PBX ' Ут _ PBX ’(^ )

Общая нагрузка, создаваемая оборудованием УПАТС:

Mм

YpBX ⁼ S Ym_PBX ⁼Ут_РВХ '^^Nm_PBX.(Ф

m=l ra«l

Выше рассчитаны нагрузки от абонентов различных типов, подклю-
чаемых к шлюзам. В нашем случае шлюзы реализуют функции резидентного
шлюза доступа, шлюза доступа и транкингового шлюза подключения УПАТС,

и к нему подключаются все рассмотренные выше источники нагрузки.

Тогда общая нагрузка на шлюз

Стоит отметить, что суммарная нагрузка на линии, которые включаются в
шлюз, будет равна нагрузке на сам шлюз, и для курсового проекта примем, что
эта нагрузка – на двустороннюю линию, т. е. как от абонента, так и к нему (рис.
11).

Рис. 11. Нагрузка на линию

Кроме того, пользовательская нагрузка, поступающая на шлюз, будет
равна исходящей пользовательской нагрузке (это позволяет нам не учитывать
соединения в пределах одного шлюза).

Рис. 12. Равенство нагрузки

Пусть VCOD_m – скорость передачи кодека типа m при обслуживании вызо-
ва. Значения VCOD_m для кодеков разных типов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Скорость передачи кодеков

Полоса пропускания, которая понадобится для передачи информации при

условии использования кодека типа m, определяется следующим образом:

Vtrans_cod = k ∙ VCOD_m (8)

где k – коэффициент избыточности, который рассчитывается для каждого коде-
ка отдельно, как отношение общей длины кадра к размеру речевого кадра.

Для примера рассмотрим популярный кодек G.711. Передаваемую ин-
формацию условно можно разделить на две части: речевую информацию и за-
головки служебных протоколов. Сумма длин заголовков протоколов
RTP/UDP/IP/Ethernet (а именно эти протоколы потребуются для передачи ин-
формации в нашем случае) 54 байта (12+8+20+14).

Общая длина кадра при использовании такого кодека 134 байта.

Тогда коэффициент избыточности: к = 134/80 = 1,675

Смысл этого параметра можно сформулировать следующим образом: для
того чтобы передать один байт речевой информации, необходимо в общей
сложности передать кадр размером примерно 1,7 байт (рис. 13).

Кадр

Рис. 13. Формат кадра G.711, передаваемого по IP сети

Обеспечение поддержки услуг передачи данных в телефонных сетях с
коммутацией каналов и в сетях с VoIP осуществляется по-разному. Как извест-
но, при помощи речевых кодеков нельзя передавать такую специфическую ин-
формацию, как факс, модемные соединения, DTMF и т.п. Часто для их переда-
чи используется эмуляция каналов «64 кбит/с без ограничений». При расчете

13
транспортного ресурса следует учитывать, что некоторая часть вызовов будет
обслуживаться без компрессии пользовательской информации, т.е. будет пол-
ностью прозрачный канал без подавления пауз и с кодированием G.711.

В задании на курсовое проектирование для каждого варианта указано
процентное соотношение используемых кодеков. Данное соотношение должно
соблюдаться для каждого отдельного шлюза.

Чтобы обеспечить передачу пользовательской информации по IP-сети,
необходимо передавать и сообщения сигнальных протоколов, для передачи
трафика которых также должен быть предусмотрен транспортный ресурс сети.

Если в оборудовании коммутатора доступа реализована возможность
подключения абонентов, использующих терминалы SIP, H.323 либо LAN, то
необходимо учесть соответствующий транспортный ресурс. Доля увеличения
транспортного ресурса за счет предоставления базовой услуги телефонии таким
пользователям может быть определена в зависимости от используемых кодеков
и числа пользователей.

Если терминалы SIP и H.323 используются для предоставления муль-
тимедийных услуг, то доля увеличения транспортного ресурса должна оп-
ределяться, исходя из параметров трафика таких услуг, однако в данном курсо-
вом проекте они рассматриваться не будут.

После определения транспортного ресурса подключения определяются
емкостные показатели, т. е. количество и тип интерфейсов, которыми оборудо-
вание шлюза доступа будет подключаться к пакетной сети. Количество интер-
фейсов, помимо требуемого транспортного ресурса, будет определяться из то-
пологии сети.

Для того чтобы рассчитать необходимый транспортный ресурс рас-
смотрим каждый шлюз отдельно.

При проектировании будем описывать шлюз последовательно двумя раз-
ными математическими моделями (рис. 14):

• • система массового обслуживания с потерями,
• • система массового обслуживания с ожиданием.

При помощи первой модели, мы сможем определить, какое количество
соединений будет одновременно обслуживаться проектируемыми шлюзами, а
при помощи второй определим характеристики канала передачи данных, необ-
ходимые для передачи пользовательского трафика с требуемым качеством об-
служивания.

СМО с потерями

Модели упрощают реальные физические процессы и нам необходимо
остановиться на нескольких важных допущениях, используемых в исследуемой
модели.

Для предоставления услуг пользователям жестко определены параметры
QoS для каждого типа вызовов, и в случае, если заявка не может быть обслуже-
на с требуемым качеством (пропускная способность, тип кодека), она отбрасы-
вается. Таким образом, потери в данной системе – это те вызовы, которые не
могут быть обслужены ввиду отсутствия требуемого ресурса (определенного
типа кодирования) для передачи данных. Такой подход имеет свое реальное во-
площение в некоторых моделях оборудования.

Рис. 14. Логическое разбиение СМО на две части

В связи с тем, что информация на шлюзе обрабатывается при помощи
различных кодеков (процентное соотношение используемых кодеков для каж-
дого варианта приведено в задании на курсовое проектирование), она поступает
в сеть с разной скоростью, и расчет исходящих каналов мы будем производить
для каждого типа кодека отдельно. Таким образом, мы делим СМО на логиче-

ские части по количеству используемых кодеков и рассчитываем при помощи
описанного ниже алгоритма общую скорость канала без учета QoS передачи
трафика по сети передачи данных.

Перейдем непосредственно к расчету.

Для кодеков всех типов алгоритм определения требуемого транспортного

ресурса одинаков.

Пусть t – среднее время занятия одной абонентской линии.

В общем случае, необходимо учитывать среднее время занятия одной
абонентской линии для каждого типа абонентов (абоненты квартирного секто-
ра, пользователи офисных АТС и др.). Чтобы упростить расчеты, для кодеков
абонентов всех категорий в курсовом проекте используется единая величина, ее
значение принято равным 2 мин.

• t = 2 мин,
• μ – интенсивность обслуживания поступающих заявок,
• ρ – потери заявок.

Зная интенсивность потерь и пользуясь калькулятором Эрланга (описание
приведено ниже), найдем число виртуальных соединений, которые нам потре-
буется установить, чтобы предоставить услуги связи с заданным QoS.

• х – число соединений, необходимое для обслуживания нагрузки, об-
  рабатываемой кодеком определенного типа.
• Vtrans_cod_i – полоса пропускания для одного соединения кодека типа i, где
  N – количество соединений определенного типа на одном шлюзе.

Таким образом, транспортный поток на выходе кодека i

У = К . -N

с i trans cod i '

(9)

Тогда транспортный поток пользовательского трафика на выходе одного

шлюза

где L – число используемых кодеков (рис. 15).

Рассчитаем общий транспортный поток всех шлюзов:

где M – количество шлюзов.

Рис. 15. Кодеки в шлюзе

Аналогично можно найти другие параметры, выбрав соответствующее
поле.

СМО с ожиданием

В качестве СМО с ожиданием рассматривается тракт передачи данных
(от шлюза до коммутатора доступа). Ранее мы определили ресурс, не-
обходимый для обслуживания поступающей нагрузки, имея в виду вызовы. Те-
перь мы будем работать на уровне передачи пакетов.

Необходимо отметить, что в отличие от СМО с потерями, где в случае за-
нятости ресурсов заявка терялась, в данном случае возникает задержка переда-
чи пакета, которая при определенных условиях может привести к превышению
требований QoS передачи трафика.

При нормальных условиях функционирования системы – задержка незна-
чительная и практически не меняется. Но с увеличением нагрузки, в опреде-
ленный пороговый момент получается так, что не все пакеты, поступающие в
канал могут быть обслужены сразу же. Такие пакеты становятся в очередь, а
следовательно, общее время их передачи увеличивается (рис. 16).

Рис.16. Схематическое представление цифрового потока в канале связи

На вход СМО с ожиданием со шлюза поступают пакеты с интенсив-
ностью λ.

Поскольку в зависимости от типа используемых кодеков пакеты по-
падают в сеть с различной скоростью, то нельзя сразу определить параметр λ,
его необходимо рассчитать для каждого типа используемого кодека:

trans cod

packet _cod

(12)

где Vtrans_cod – скорость передачи кодека, рассчитанная ранее;

Lpacket_cod – общая длина кадра соответствующего кодека.

Теперь можно определить общую интенсивность поступления пакетов в

канал:

где N – число используемых кодеков.

Задержка, вносимая каналом при поступлении пакетов:

где: λ – суммарная интенсивность поступления заявок от всех каналов$

μ – интенсивность обслуживания.

Вне зависимости от размера пакета все они обслуживаются одинаково.

Значения сетевых задержек и их параметров нормируются стандартами
ITU (рис. 17): предельно допустимая задержка доставки пакета IP от одного
пользователя коммерческих услуг VoIP к другому не должна превышать 100
мс. Задержку при передаче пакета вносят все сегменты соединения (сеть досту-
па, магистральная сеть и т.п.). Приблизительно можно считать вклад каждого

сегмента одинаковым.

Общаяя задержка

Рис. 17. Составные части задержки

Зная величину допустимой задержки и интенсивность поступления заявок
(пакетов), можно рассчитать интенсивность обслуживания заявок в канале, по-

сле чего определить допустимую загрузку канала:

Зная транспортный поток, поступающий в канал и зная, что этот поток
должен загрузить канал на величину ρ, определим общую требуемую пропуск-

ную способность канала т:

(16)

р

Рассчитав транспортный ресурс, необходимый для передачи пользова-
тельской и сигнальной информации от каждого шлюза на коммутатор доступа,
рассчитаем общий входящий трафик, который поступает на коммутатор досту-

па.

Рассчитывать транспортный ресурс, необходимый для подключения ком-
мутатора доступа к сети выходит за рамки данного курсового проекта, поэтому
коммутатор доступа мы рассмотрим лишь для того, чтобы охватить возможные
варианты абонентского доступа, а также показать, какое влияние оказывают
абоненты различных категорий на общую сигнальную нагрузку.

Для передачи сигнального трафика обычно создается отдельный ло-
гический канал, параметры которого необходимо определить.

Пусть

LMEGACO — средняя длина (в байтах) сообщения протокола Megaco/H.248,

Nmegaco — среднее количество сообщений протокола Megaco/H.248 при
обслуживании одного вызова,

LV5UA — средняя длина сообщения протокола V5UA,

NV5UA — среднее количество сообщений протокола V5UA при обслу-
живании одного вызова,

LIUA — средняя длина сообщения протокола IUA,

NIUA — среднее количество сообщений протокола IUA при обслуживании
одного вызова,

Lsh — средняя длина сообщения протоколов SIP/H.323,

NSIP — среднее количество сообщений протоколов SIP/H.323 при обслужи-
вании одного вызова.

В коммутаторе доступа для обмена сообщениями протокола MEGACO,
используемого для управления шлюзом, должен быть предусмотрен транспорт-
ный ресурс, который определяется формулой:

^MEGACO ⁼ ^sig^PSTN ‘^ PSTN ⁺^ISDN '^ISDN ⁺

?У5 'Nv5 ⁺?PBX ’NpBX ^MEGACO ^ MEGACO 1 ^ ^50,

где Ny₅=J-Nj_v₅,(17)

NpBX ^{= M} ' ^Nm_VS'(1 $)

^NLAN ⁼ I’Nj_LAN'0$)

ksig – коэффициент использования транспортного ресурса при передаче
сигнальной нагрузки;

PPSTN – удельная интенсивность потока вызовов в ЧНН от абонентов, ис-
пользующих доступ по аналоговой телефонной линии;

РISDN – удельная интенсивность потока вызовов от абонентов, использу-
ющих базовый доступ ISDN;

PV5 – удельная (приведенная к одному каналу интерфейса) интенсивность
потока вызовов от абонентов, подключаемых к пакетной сети через сети досту-
па интерфейса V5;

PPBX – удельная (приведенная к одному каналу интерфейса) интенсив-
ность потока вызовов от УАТС, подключаемых к пакетной сети;

PSH – удельная интенсивность потока вызовов от абонентов, использую-
щих терминалы SIP, H.323 (используется для терминалов, подключаемых как
прямо к станции, так и при помощи LAN).

Сигнальный трафик в сети передается не равномерным непрерывным по-
током, а отдельными блоками в течение всего сеанса связи, как это представле-
но на рис. 18. Таким образом, этот коэффициент использования транспортного
ресурса при передаче сигнальной нагрузки ksig показывает величину, обратную
той части времени, которая отводится из всего сеанса связи для передачи сиг-
нальной информации:

i

Рис.18.Схема передачи сигнального трафика

T – длительность сеанса связи, а t1, t2, ..., t5 - длительности блоков сиг-

нальной информации.

Примем значение ksig = 5, что соответствует нагрузке в 0,2 Эрл (т. е. одна
пятая часть времени сеанса тратится на передачу сигнальной информации).

1/450 – результат приведения размерностей «байт в час» к «бит в се-
кунду» (8/3600=1/450), значение 1/90, приведенное ниже, получается при ис-
пользовании ksig = 5, и, следовательно, 5 ∙ 1/450=1/90.

Для расчета транспортного ресурса шлюзов, необходимого для передачи
сигнальной информации, используются те же параметры, что и для расчета
транспортного ресурса гибкого коммутатора.

Так, для передачи сигнальной информации с целью обслуживания вызо-
вов различных типов требуются следующие объемы полосы пропускания
(бит/с):

^ISDN ⁼ ^^P1SDN ' ^ISDN ‘ ^IUA ‘ ^ IUA ) ^ $0,
^5 ⁼ ^Г5 ‘ ^V5 ' L_Vwa ‘ ^V5UA ) I ^’
VpBX ⁼ (Ррвх ■ NpBX ’ ^lUA ■ ^IDA ) / 90’
r = - A _w • Д') / 90,

3/7 ⁴ 3/7 3/7 3/7 3/7 '

• V. 4V = ) / 90.

LAn ^v Sri '

(21)

(24)

(25)

Калькулятор Эрланга

С помощью калькулятора Эрланга можно определить один из трех
параметров при известных двух:

• 1) Число обслуживающих устройств;
• 2) Вероятность потери вызовов;
• 3) Поступающую нагрузку;

Для определения одного из параметров, два других должны быть
занесены в соответствующие ячейки калькулятора.

Рассмотрим пример:

Поступающая нагрузка Y = 50 Эрл;

Вероятность потерь р = 0,03

Определим необходимое число обслуживающих устройств.

Для этого выбираем соответствующее поле (в данном случае число
обслуживающих устройств) и задаем поступающую нагрузку’ и
вероятность потери вызовов:

Erlang В Calculator by Scapegoat Software

Тогда число обслуживающих устройств V — 59

• 1.2 Расчет оборудования гибкого коммутатора

Основной задачей гибкого коммутатора при построении распределенного
абонентского концентратора является обработка сигнальной информации об-
служивания вызова и управление установлением соединений.

Рис. 19. Softswitch класса 5 в сети NGN

Задача

Определить требуемую производительность оборудования гибкого ком-
мутатора.

Исходные данные для проектирования

К сети NGN могут подключаться пользователи разных типов, и для об-
служивания их вызовов будут использоваться разные протоколы сигнализации.

В соответствии с данными отраслевого документа «Общие технические
требования к городским АТС» удельная интенсивность потока вызовов (сред-
нее число вызовов от одного источника в ЧНН) соответствует значениям, при-
веденным в табл. 2.

24

Таблица 2

Значения удельной интенсивности потока вызовов

Общая интенсивность потока вызовов от источников всех типов, об-
рабатываемых гибким коммутатором:

"call ⁼ ° PSTN ' PSTN ⁺ 'ISDN ' ISDN ⁺

^rSH SH ^rV5 ^ГРВХ PBX ^{T 1 v} LAN'

Удельная производительность коммутационного оборудования может
различаться в зависимости от типа обслуживаемого вызова, т.е. производитель-
ность при обслуживании, например, вызовов ТфОП и ISDN, может быть раз-
ной.

В документации на коммутационное оборудование, как правило, ука-
зывается производительность для наиболее «простого» типа вызовов. В связи с
этим, при определении требований к производительности можно ввести попра-
вочные коэффициенты, которые характеризуют возможности обслуживания си-
стемой вызовов того или иного типа относительно вызовов «идеального» типа.

Таблица поправочных коэффициентов приведена в задании на курсовое
проектирование.

Таким образом, нижний предел производительности гибкого коммутатора
(PSX) при обслуживании потока вызовов с интенсивностью PCALL может быть
определен по формуле:

^SX 'PSTN ^rPSTN PSTN ^K ISDN ISDN ^J ISDN

JM

^кУ5'^РУ5'Ъ^j_V 5 ^{+ k}PBX ’ ^PPBX ' S ^Nm BX ⁺(27)

j=l " m=1“

I

^kSH ■ ^PSH ' ^SH ^{+ k}SH ’ ^PSH ' X Nf LAN •

• 2. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕННОГО ТРАНЗИТНОГО КОММУТАТОРА

• 2.1 Расчет оборудования шлюзов

Задачи

• • Определить число шлюзов.
• • Определить транспортный ресурс подключения транкинговых шлюзов к
  пакетной сети и емкостных показателей подключения.

Рис. 20. Транспортный шлюз в сети NGN

Исходные данные для проектирования

• • Количество линий E1, используемых для взаимодействия источников
  нагрузки разных типов с оборудованием шлюзов:
• o АТС, использующие систему сигнализации ОКС7 и подключаемые
  через транспортный шлюз MGW и сигнальный шлюз SGW;
• o АТС, подключаемые по каналам ОКС7 непосредственно к Softswitch
  и через транспортный шлюз MGW к пакетной сети. В данном случае
  сигнальный шлюз реализуется в оборудовании Softswitch;
• • Удельная интенсивность нагрузки на каналы, поступающей от ТфОП на
  транспортный шлюз;
• • Удельная интенсивность нагрузки на каналы соединительных линий, по-
  ступающей от ТфОП;
• • Типы кодеков в планируемом к внедрению оборудовании шлюзов.

Вводятся следующие обозначения:

N1_Е1 – число потоков Е1 от АТС ТфОП, подключенных к транспортному
шлюзу l,

yO1 – удельная нагрузка одного канала 64 кбит/с в составе Е1,

Yl_GW – общая нагрузка, поступающая на транспортный шлюз от АТС
ТфОП,

VINT – полезный транспортный ресурс одного интерфейса,

NINT – количество интерфейсов,

I – число типов интерфейсов,

Ni_INT – количество интерфейсов типа I,

Vi_INT – полезный транспортный ресурс интерфейса типа I,

NE1 – число интерфейсов E1, подключаемых к одному шлюзу.

Тогда значение удельной нагрузки (в эрлангах)

Yi_gw ⁼ ^i_e\ ‘^'У e\- (2$)

Значение удельной нагрузки уЕ1 при расчетах примем равным 0,8 эрл. Та-
кая нагрузка считается допустимой для соединительных линий.

Расчет необходимого транспортного ресурса для передачи пользова-
тельской нагрузки будет аналогичным тому расчету, который был приведен в
разд. 4.

Число каналов и их скорость известна, следовательно, пользуясь форму-
лой (12), определяем интенсивность поступления пакетов на шлюз. В табл. 3
приведены нормируемые ITU параметры QoS для передачи трафика разных
классов.

Таблица 3

Значения параметров задержки

Трафик VoIP обычно относят к нулевому классу. Теперь по формуле (14)
определим значение интенсивности обслуживания поступающих вызовов на

коммутатор доступа.

По формулам (15) и (16) находим нагрузку канала и рассчитываем необ-
ходимый транспортный ресурс.

Для передачи сигнального трафика создается отдельный логический ка-
нал, параметры которого необходимо определить. Помимо пользовательской
информации, на транспортный шлюз поступают сообщения протокола
MEGACO, для которых также должен быть выделен транспортный ресурс, и
его можно вычислить по формуле:

VMEGACO = ksig ∙ LMEGACO ∙ NMEGACO ∙ PMEGACO / 450 (бит/с), (29)

где PMEGACO – интенсивность поступления сообщений протокола MEGACO на
шлюз в ЧНН; значение ksig берем равным 5, как и в предыдущих разделах.

Таким образом, общий транспортный ресурс MGW (бит/с)

VGW = τ + VMEGACO (30)

Количество и тип интерфейсов подключения транспортного шлюза к па-
кетной сети определяется транспортными ресурсами шлюза и топологией па-
кетной сети.

Транспортный ресурс шлюза и количество интерфейсов связаны со-
отношением:

VGW = NINT ∙ VINT (бит/с).(31)

При использовании интерфейсов разных типов соотношение (31) приоб-
ретает следующий вид:

^GW = ^№1 INT'^i INT^ (бит/с).(32)

/=| ""

Параметры интерфейса подключения к пакетной сети определяются, ис-
ходя из интенсивности обмена сигнальными сообщениями в процессе обслужи-
вания вызовов.

Количество интерфейсов можно определить по формуле:

N (33)

28
где VINT – полезный транспортный ресурс одного интерфейса.

При физической реализации сигнального шлюза (ОКС7) совместно с
транспортным, необходимо рассчитать транспортный ресурс сигнального шлю-
за, который потребуется для передачи сообщений протокола MxUA (M2UA или
M3UA).

• 2.2 Расчет оборудования гибкого коммутатора

Основной задачей гибкого коммутатора (рис. 21) при построении тран-
зитного уровня коммутации является обработка сигнальной информации об-
служивания вызова и управление установлением соединений. Требования к
производительности гибкого коммутатора определяются интенсивностью пото-
ка вызовов, требующих обработки.

Рис. 21. Softswitch класса 4 в сети NGN

Задача

Определить требуемую производительность оборудования гибкого ком-
мутатора.

Производительность

Интенсивность потока поступающих вызовов определяется интен-
сивностью потока вызовов, приходящейся на один магистральный канал 64

кбит/с линии Е1, а также числом Е1, используемых для подключения станции к

транспортному шлюзу.

Вводятся следующие обозначения:

PCH – интенсивность потока вызовов, обслуживаемых одним магист-
ральным каналом 64 кбит/с,

PGW – интенсивность потока вызовов, обслуживаемых транспортным
шлюзом,

L – число транспортных шлюзов, обслуживаемых гибким коммутатором.

Интенсивность потока вызовов (выз/чнн), поступающих на транспортный
шлюз l, определяется формулой:

Pl_GW = Nl_E1 ∙ 30 ∙ PCH.(34)

Следовательно, интенсивность потока вызовов (выз/чнн), поступающих
на гибкий коммутатор, можно вычислить как

LL

^sx ~^L?i gw⁼^’^ch'^^i _ev(35)

/=i -"

Параметры интерфейсов подключения к пакетной сети

Параметры интерфейса подключения к пакетной сети определяются, ис-
ходя из интенсивности обмена сигнальными сообщениями в процессе обслужи-
вания вызовов. При использовании гибкого коммутатора для организации рас-
пределенного транзитного коммутатора сообщения сигнализации ОКС7 посту-
пают на Softswitch в формате сообщений протокола M2UA или M3UA, в зави-
симости от реализации.

Введем следующие обозначения:

LMXUA – средняя длина сообщения (в байтах) протокола MxUA,

NMXUA – среднее количество сообщений протокола MxUA при обслу-
живании вызова,

LMEGACO – средняя длина сообщения (в байтах) протокола MEGACO, ис-
пользуемого для управления транспортным шлюзом,

NMEGACO – среднее количество сообщений протокола MEGACO при об-

служивании вызова,

PSIG – интенсивность потока вызовов, обслуживаемых сигнальным шлю-
зом.

Тогда транспортный ресурс Softswitch (бит/с), необходимый для обмена
сообщениями протокола MxUA:

VSX_MXUA = ksig ∙ LMXUA ∙ NMXUA ∙ PSX / 450 ,(36)

где k – коэффициент использования ресурса.

Аналогично, транспортный ресурс гибкого коммутатора (бит/с), не-
обходимый для обмена сообщениями протокола MEGACO:

VSX_MEGACO = ksig ∙ LMEGACO ∙ NMEGACO ∙ PSX ∙ 450,(37)

Суммарный минимальный полезный транспортный ресурс Softswitch
(бит/с), требуемый для обслуживания вызовов в структуре транзитного комму-
татора:

VSX = VSX_MXUA + VSX_MEGACO(38)

Определение транспортного ресурса сигнального шлюза производится по
аналогии с расчетом транспортного ресурса гибкого коммутатора. Необходи-
мая полоса пропускания SGW определяется интенсивностью потока поступа-
ющих вызовов и объемом информации, требуемой для обслуживания каждого
вызова.

Учитывая среднюю длину и количество сообщений протокола MxUA, не-
обходимых для обслуживания одного вызова, можно вычислить транспортный
ресурс (бит/с) сигнальных шлюзов для подключения к пакетной сети (с приве-
дением размерностей):

VSIG = ksig ∙ PSIG ∙ LMXUA ∙ NMXUA / 450 (39)

• 2.3 Расчет оборудования сети IMS

На рис. 22 представлена упрощенная схема архитектуры IMS. На ней
изображены только основные функциональные элементы архитектуры, серти-
фицированной 3GPP. В курсовом проекте рассматриваем сети ТфОП и IMS,
между которыми организуется взаимодействие.

Вызовы, создаваемые в сети ТфОП, попадают через оборудование шлю-
зов в сеть IMS, а именно к Softswitch, выполняющему роль MGCF.

От Softswitch информация поступает на I-CSCF, P-CSCF и S-CSCF, где
начинается процесс обслуживания вызова. В зависимости от типа передаваемой
информации и требуемой услуги для обслуживания вызова может быть задей-
ствован MRF и/или сервер (а) приложений (AS)

Рис. 22. Архитектура IMS. Стык сети ТфОП и IMS

Во избежание путаницы, на рис. 22 отмечены только те логические связи
между элементами, которые имеют значение и/или учитываются при расчетах в
курсовом проекте. На линиях, указан протокол, при помощи которого осу-
ществляется взаимодействие между функциональными объектами.

Выделенный пунктиром фрагмент представляет собой схему из разд. 4.
Основной задачей функционального элемента MGCF/Softswitch является
управление транспортными шлюзами на границе с сетью ТфОП. В разд. 4 уже
был произведен расчет этого оборудования, поэтому будем пользоваться ре-
зультатами, полученными ранее.

Ссылки на уже рассчитанные величины, которые потребуются для даль-
нейших расчетов, будут приведены по ходу проектирования.

• 2.4 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимого для
  обеспечения сигнального обмена с функцией S-CSCF

Попадая в сеть IMS, вызовы в конечном итоге обслуживаются одной из S-
CSCF. Этот сетевой элемент представляет собой SIP-сервер, управляющий се-
ансом связи. Для выполнения своих функций он получает от других сетевых
элементов всю информацию об устанавливаемом соединении и требуемой
услуге (рис. 23).

Рис. 23. S-CSCF в архитектуре IMS

Как уже было сказано во второй главе, функции IMS могут иметь разную
физическую декомпозицию, то есть, они могут быть реализованы как в виде
единого блока, обладающего всеми возможностями, так и представлять собой
набор устройств, каждое из которых отвечает за реализацию конкретной функ-
ции. Независимо от физической реализации, интерфейсы остаются стандарт-
ными. Поэтому, рассчитав в отдельности каждую из функций, можно оценить
требуемую производительность сервера как при отдельной ее реализации, так и
в случае реализации совместно с другими элементами.

Задача

Определить транспортный ресурс функции S-CSCF, необходимый для об-
служивания вызовов, учитывая только обмен сообщениями SIP.

Исходные данные для проектирования

Вызовы из сети ТфОП через оборудование шлюзов поступают на
Softswitch (рис. 23), который в архитектуре IMS выполняет функции MGCF.
Softswitch по протоколу SIP обращается к I-CSCF, которая в свою очередь, в
ходе установления соединения обменивается сообщениями SIP с S-CSCF. Через
I-CSCF Softswitch передает S-CSCF адресную информацию, информацию о ме-
стонахождении вызываемого пользователя, а также информацию об услуге, за-
прашиваемой вызываемым абонентом. Получив эту информацию и обработав
ее, S-CSCF начинает процесс обслуживания вызова. В зависимости от требуе-
мой услуги, S-CSCF может обратиться к медиа-серверу (MRF) или к серверам
приложений (AS). Таким образом, S-CSCF ведет сигнальный обмен с MGCF, I-
CSCF, MRF, AS. В ходе предоставления речевых услуг существует также SIP-
соединение с P-CSCF, но мы его не учитываем в процессе расчета транспортно-
го ресурса, так как его влияние незначительно.

Введем следующие обозначения:

Среднее число SIP сообщений при обслуживании одного вызова между - :

• a) SS и S-CSCF - Nsipi,
• b) MRF и S-CSCF - Nsip2,
  c) AS и S-CSCF - Nsip3,
  d) I-CSCF и S-CSCF - Nsip4,

Средняя длина сообщения SIP в байтах - L_sip;

X% - процент вызовов, при обслуживании которых требуется обращение
к серверу MRF;

• У % - процент вызовов, при обслуживании которых требуется обращение
  к серверам приложений AS;
• V ss-s-cscf - транспортный ресурс между MGCF и S-CSCF, который требует-
  ся для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов;
• V _as-s-cscf — транспортный ресурс между серверами приложений (AS) и S-
  CSCF, который требуется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время
  обслуживания вызовов.
• V mtf-s-cscf — транспортный ресурс между MRF и S-CSCF, который требуется
  для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов;
• V _i-cscf_-s-cscf — транспортный ресурс между I-CSCF и S-CSCF, который требу-
  ется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызо-
  вов;
• V _s-cscf — общий транспортный ресурс S-CSCF, который требуется для об-
  мена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов.

Тогда общий требуемый транспортный ресурс будет равен суммарному
транспортному ресурсу взаимодействия функции S-CSCF с другими элемента-
ми IMS архитектуры:

^S-CSC f ~ H-CSC / —A-CSC / ^^mrf-S-CSC f +^О5-А-CSC f "^M-S-CSC f ^,

(40)
где

^V»-^f = ^_g (4 ^, P„) / 450,(41)

^-_s^/ " *«s (^j ’^2 ^ «) ^{/ 450}’(

V^-.^f = ^ig (^ ^Л, ^r%)' «•(43)

• 1 i-cse f -s-csc / ⁼ к sig ( Lsip '^slpA Tw p 450,(44)

Значения Psx, k_sig и L_sip, которые используются в формулах (40) - (44), бы-
ли рассчитаны или заданы в предыдущих разделах:

• • Величина Psx рассчитывается в разд. 4 при расчете оборудования гибкого

коммутатора по формуле (40).

• • Значение k_sig задается в разд. 4 при расчете шлюза доступа.
• • Значение параметра L_sip совпадает со значением параметра Lsh, который
  задается в исходных данных к разд. 4.

• 2.5 Расчет необходимого транспортного ресурса, необходимого для
  обеспечения сигнального обмена с функцией I-CSCF

Так же, как и S-CSCF, функциональный элемент I-CSCF участвует в со-
единениях, затрагивающих взаимодействие разнородных сетей. Помимо функ-
ций SIP-прокси, он взаимодействует с HSS и SLF, получает от них информацию
о местонахождении пользователя и об обслуживающем его S-CSCF.

Будем проводить расчет транспортного ресурса, необходимого для взаи-
модействия I-CSCF с другими элементами сети. Как видно из диаграммы и рис.
24, I-CSCF взаимодействует с S-CSCF, с Softswitch (MGCF), а также с P-CSCF и
HSS. При расчете будем учитывать взаимодействие только с первыми двумя
компонентами, так как взаимодействие с HSS происходит при помощи прото-
кола DIAMETER, что выходит за рамки курсового проектирования.

Задача

Определить транспортный ресурс на I-CSCF для обеспечения сиг-
нального обмена по SIP, необходимого для обслуживания вызовов

Рис. 24. I-CSCF в архитектуре IMS

Данные для проектирования

1)

2)

I-CSCF связан SIP-соединением только с Softswitch (MGCF) и S-CSCF.

Число SIP-сообщений при обслуживании одного вызова между :

• a) I-CSCF и S-CSCF – Nsip4,
• b) SSW и I-CSCF – Nsip5.

Средняя длина сообщения SIP в байтах – Lsip.

Введем следующие обозначения:

Vi-cscf – общий транспортный ресурс I-CSCF, который требуется для обме-

на сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вызовов,

Vss-i-cscf – транспортный ресурс между SoftSwitch и I-CSCF, который тре-
буется для обмена сообщениями по протоколу SIP во время обслуживания вы-

зовов.

Тогда общий транспортный ресурс:

Vi-cscf = Vss-i-cscf + Vi-cscf- s-cscf

(45)

Значение Vi-cscf- s-cscf рассчитано ранее по (44), а Vss-i-cscf вычисляется по
формуле:

Vss-i-cscf = ksig(Lsip ∙ Nsip5 ∙ Psx)

(46)

На функциональную схему сети IMS необходимо нанести полученные ре-
зультаты расчета транспортных ресурсов для S-CSCF и I-CSCF.

• 3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

И ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

• 3.1 Исходные данные

Для нечетных вариантов использование кодеков следующее:

• • 20% вызовов – кодек G.711
• • 20% вызовов – кодек G.723 I/r
• • 30% вызовов – кодек G.723 h/r
• • 30% вызовов – кодек G.729A.

Для нечетных вариантов n = 0,9.

Для четных вариантов использование кодеков следующее:

• • 30% вызовов – кодек G.711
• • 30% вызовов – кодек G.723 I/r
• • 20% вызовов – кодек G.723 h/r
• • 20% вызовов – кодек G.729A.

Для четных вариантов n = 0,5.

Таблица 4

Поправочные коэффициенты

Таблица 5

Варианты заданий на курсовое проектирование

Продолжение таблицы 2.5

• 3.2 Требования к содержанию и оформлению пояснительной записки

Пояснительная записка должна содержать расчеты ко всем пунктам зада-
ния. Расчеты должны быть приведены полностью и по порядку, предложенно-
му в задании. Каждая формула должна быть приведена полностью сначала в
символьном выражении, затем в численном, но так чтобы были видны все мно-
жители и слагаемые, а уже затем должен быть указан результат вычисления.
Все результаты должны быть приведены с наименованием и кратким пояснени-
ем. Отсутствие наименования, расшифровки формул и пояснений будет счи-
таться ошибкой.

В курсовом проекте достаточно много однотипных вычислений, но, не-
смотря на это, для каждого пункта все вычисления необходимо приводить пол-
ностью и в полном объеме для всех фрагментов сети.

К каждому разделу курсового проекта необходимо привести схему сети
или ее фрагмента с нанесенными на нее результатами вычислений. В случае
большого количества шлюзов необходимо разбить общую схему на несколько
фрагментов и на каждом из них привести полученные результаты расчетов.

При выборе оборудования шлюзов для проектирования сети необходимо
обоснование выбора того или иного вида оборудования, а также привести таб-
лицы соответствия основных параметров выбранного оборудования и парамет-
ров подключения абонентов к нему. Помимо таблиц следует указать произво-
дителя оборудования, модель и адрес интернет-ресурса, с которого взята ин-
формация. В саму пояснительную записку стоит включить краткое описание
выбранного оборудования.

Пояснительная записка оформляется в соответствии с требованиям к тек-
стовым документам. Страницы следует нумеровать арабскими цифрами. Номер
страницы проставляют в правом нижнем углу без точки в конце. Текст основ-
ной части разделяют на разделы, подразделы, пункты. Разделы должны иметь
порядковые номера в пределах всего текста, обозначенные арабскими цифрами
без точки. Подразделы должны иметь нумерацию в пределах каждого раздела,
номера подразделов состоят из номера раздела и подраздела, разделенных точ-
кой. В конце номера подраздела точка не ставится. Подраздел допускается раз-
бивать на пункты. Внутри пунктов или подпунктов могут быть приведены пе-
речисления.