Исследование сигнальной нагрузки интеллектуальных сетей связи с узлами в разных часовых поясах

4-Рал—аисвяз^

Бузюкова И.Л., Гайдамака Ю.В. Исследование сигнальной нагрузки интеллектуальных сетей

связи с узлами в разных часовых поясах

В процессе проектирования интеллектуальных сетей связи (ИСС) операторы связи сталкиваются с необходимостью расчета сетей общеканальной сигнализации ОКС №7 и определения объемов сигнального оборудования, требуемого для нормального функционирования сети. В России, где операторы постоянно расширяют свои сети и предоставляют услуги абонентам, находящимся в разных часовых поясах, решение этой задачи приобретает все большее значение.

Для расчета сетей ОКС№7 в первую очередь требуется оценить сигнальную нагрузку, возникающую в ходе предоставления интеллектуальных услуг. С точки зрения оборудования для обслуживания сетей ИСС федерального уровня требуется один или несколько узлов управления услугами SCP (Service Control Point) и узлы коммутации услуг SSP (Service Switching Point), расположенные в разных часовых поясах.

Целью данной статьи является анализ влияния конфигурации сети на требуемые объемы сигнального оборудования. Задача состоит в расчете сигнальной нагрузки на узлы ИСС, а также на звенья сигнализации (ЗС) между узлами ИСС при различных конфигурациях сети. Для анализа выбран фрагмент сети междугородного оператора связи, предоставляющего услуги ИСС абонентам различных регионов России. Вычисления проведены с помощью программного средства, позволяющего рассчитывать параметры сигнального трафика в ИСС. разработанного на кафедре систем телекоммуникаций Российского университета дружбы народов.

При обслуживании вызовов каждой услуги ИСС по сети ОКС №7 передаются потоки сигнальной информации, требующие значительных сетевых ресурсов и высокого качества обслуживания. В процессе обработки вызова интеллектуальной услуги, осуществляемой в режиме реального масштаба времени, участвуют следующие узлы:

- узел коммутации услуг SSP с интегрированной интеллектуальной периферией — выполняет функции управления вызовом.

коммутации услуги, взаимодействия с пользователем;

- узел управления услугами SCP с интегрированным узлом базы данных услуг (SDP. Service Data Point) — выполняет функции управления услугами.

Взаимодействие между интеллектуальной надстройкой и базовой сетью связи осуществляется через ОКС №7 посредством стандартизованного протокола INAP (Intelligent Network Application Protocol) [1.2]. Сигнальные отношения протокола INAP устанавливаются между каждой парой узлов SSP и SCP/SDP.

Алгоритм расчета сигнальной нагрузки ИСС основан на методе расчета параметров сигнального трафика ИСС, предложенном в работах [3.4]. Этот метод был модифицирован для случая наличия в интеллектуальной сети нескольких узлов SCP. Ниже алгоритм расчета сигнальной нагрузки на узлы и ЗС ИСС при различных конфигурациях сети ИСС изложен на примере фрагмента междугородной сети связи, предоставляющей услуги интеллектуальной сети абонентам различных регионов (рис. 1). В рассматриваемом примере узлы ИСС расположены в четырех часовых поясах — от GMT+03:00 до GMT+06:00 (GMT — Greenwich Mean Time). Вызовы интеллектуальных услуг поступают от восьми транзитных междугородных узлов связи (ТмгУС), пять из которых реализуют функции узла SSP. Сигнальная нагрузка от различных узлов SSP обслуживается одним узлом SCP. расположенном в часовом поясе GMT+03:00. сигнальные отношения между узлами ИСС реализованы в связанном режиме сигнализации.

В соответствии с модифицированным методом вычисления нагрузки ИСС расчет величины сигнальной нагрузки подсистемы INAP производится на основании исходных данных о нагрузочных параметрах сигнальной нагрузки между узлами SSP и SCP. объемах сигнальной информации, пересылаемых между узлами при предоставлении различных услуг, а также сведений о часах наивысшей нагрузки (ЧИН) для каждой услуги. Так как вызовы услуг от ТмгУС

Часовой пояс

вмт + з

лтэ/чтЗг гтлаг

ХХаололй гтлаг

Часовой пояс ОМТ + б

ТмгУС

О ЯЯР?

ТмгУС

Рис. 1. Фрагмент интеллектуальной сети связи

могут быть обслужены различными узлами ББР. при расчетах учитывается распределение сигнальной нагрузки между сигнальными отношениями.

Приведем обозначения для основных параметров, используемых для расчета сигнальной нагрузки ИСС:

г. — вершина графа сети, соответствующая узлу ИСС:

V) — множество вершин графа, соответствующих узлам, от которых поступают вызовы услуг интеллектуальной сети (узлам ТмгУС),

V', — множество вершин графа, соответствующих узлам ББР.

У3— множество вершин графа, соответствующих узлам БСР;

(у, V,) — пара, соответствующая сигнальному отношению межу узлом ББР и узлом БСР, V .6 к >',€ V/,

М — количество услуг интеллектуальной сети:

Я.ш(у.) — интенсивность вызовов услуги т в ЧНН этой услуги от узла сети, соответствующего вершине г;

V, Ь" — объем сигнальной информации,

ш* т * *

передаваемой от узла к узлу 8СР и от узла БСР к узлу 85Р при обслуживании одного вызова услуги т;

—доля вызовов услуги т. поступающих от узла сети, соответствующего вершине V.е Vг на сигнальное отношение (V.. у), V е К,, у, е Уу

На первом шаге определяется сигнальная нагрузка, создаваемая вызовами каждой услуги т от каждого пункта сигнализации в ЧНН (в направлении от узла Б5Р к узлу БСР и наоборот). Данная сигнальная нагрузка для каждого

узла сети г. и каждой услуги т может быть вычислена в прямом направлении по формуле:

т ' т у е V

а' (у.) = т ' 8000-3600

в обратном направлении (от узла 5СР к узлу ББР) по формуле:

»е V.

т ' 8000-3600 ' 1

На втором шаге вычисляется сигнальная нагрузка, создаваемая вызовами каждой услуги от каждого пункта сигнализации для каждого часа по московскому времени в прямом и обратном направлениях («¿(Л, V.) и (а",(Л, V.) соответственно), при этом учитывается разница в часовых поясах. Кроме того, коэффициент кт(1г, V) задает соотношение между интенсивностью вызовов услуги в ЧНН и интенсивностью вызовов этой услуги не в ЧНН.

На третьем шаге полученная сигнальная нагрузка, создаваемая вызовами всех услуг ИСС, суммируется отдельно по каждому пункту сигнализации для каждого часа по московскому времени. Таким образом, суммарная нагрузка, создаваемая всеми услугами от узла сети, соответствующего вершине у.(у, е К,) графа О, в каждый час суток И в прямом и в обратном направлениях может быть представлена в следующем виде:

а'

т=1

а"(Л,у,.)=2Х<АЛ), V е V,.

т=1

На четвертом шаге величина сигнальной нагрузки должна быть определена для каждого сигнального отношения интеллектуальной сети, т.е. для каждой пары узлов SSP и SCP. С учетом коэффициента Кт( v{, (у v,)) распределения нагрузки между сигнальными отношениями сигнальная нагрузка на пучки ЗС между узлами SSP и SCP в каждый час суток А в прямом и обратном направлениях определяется выражениями:

o'(A,(vy,y,)) =

-II a'Jh^-KMVjV,)), v.е Vv v;e F3,(5) a'(h,(vj,v,)) =

м

= 11 a'Jh,v,)-KMvjV,)), v e V2, v,e Vy

m=l v,eC|

На пятом шаге необходимо определить максимальную сигнальную нагрузку на каждое сигнальное отношение в прямом и в обратном направлениях, создаваемую в ЧНН вызовами всех услуг с учетом разницы в часовых поясах:

а'( Vj ,V/) = max( А = (Ш)а'( /»,( Vj, v,)),

v.eV2,v,eV},

a"(vj,v,) = max(A = Ö23)fl"(A.(vy,v/)),

v.eVvvteVy

На последнем, шестом, шаге для каждого сигнального отношения рассчитывается минимальное число jV(v, у.) звеньев сигнализации, необходимых для обслуживания максимальной сигнальной нагрузки, создаваемой на соответствующее сигнальное отношение в ЧНН вызовами всех услуг с учетом разницы в часовых поясах. Для этого на основе полученных данных для каждого сигнального отношения вычисляется значение целочисленной величины N(\'r V,) по формуле:

Г тах(а'(vу, V/), а"(v , v,)) /V(v,,v,)= --z- ,

vye Vpv,e Vy

\x,XsN, где дг = <, ,

1 1 |[jt]+l,xg N.

Здесь [x] — целая часть числа .v, N — множество натуральных чисел. В формуле (9) учитывается,

что ЗС функционирует в дуплексном режиме, а также требование ITU-T о том, что сигнальная нагрузка на каждое звено в условиях нормального функционирования сети не должна превосходить значения 0,2 Эрл [5].

Расчеты в соответствии с изложенным алгоритмом проведены с помощью программного средства, разработанного на кафедре систем телекоммуникаций Российского университета дружбы народов. Для анализа были выбраны данные, приближенные к реальным. На рассматриваемой сети предоставляется шесть услуг ИСС, относящихся к набору возможностей CS-1 (Capability Set), а именно — бесплатный вызов FPH (Freephone), вызов с дополнительной платой PRM (Premium Rate), универсальный номер доступа UAN (Universal Access Number), телеголосование VOT (Televoting). закрытая группа пользователей CUG (Closed User Group) и виртуальная карта связи VCC (Virtual Card Calling) [6]. Узлы сети, от которых поступают вызовы услуг ИСС, расположены в городах с населением более одного миллиона человек. В таблице 1 для каждого узла сети приведена интенсивность нагрузки, создаваемой вызовами услуг ИСС в ЧНН этой услуги. Кроме того, в таблице представлено множество часов наивысшей нагрузки для каждой услуги и объемы сигнальной информации, пересылаемой в прямом и обратном направлениях. Из исходных данных видно, что наибольшая интенсивность вызовов у услуги телеголосование (около 63% от суммарной нагрузки всеми услугами ИСС). а наименьшая интенсивность услуги виртуальная карта связи (менее 1% от суммарной нагрузки всеми услугами ИСС).

Задача исследования заключается в расчете сигнальной нагрузки на узлы ИСС, а также на ЗС между узлами ИСС при различных конфигурациях сети. Были рассмотрены несколько конфигураций сети, отличающиеся количеством и расположением узлов управления услугами, а также распределением нагрузки по сигнальным отношениям. Результаты расчетов позволяют оценить влияние изменения конфигурации интеллектуальной сети на объемы сигнального оборудования, требуемого для нормального функционирования сети. Ниже приведены результаты для трех наиболее интересных конфигураций.

В качестве конфигурации 1 был выбран фрагмент интеллектуальной сети связи феде-

Таблица 1

Исходные ланныс для услуг ИСС

Узел ИСС FPH PRM UAN CUG VCC VOT

(»',) «Г 1 22050 2520 2394 31500 50 83160

Ä (v,) тх 27 9618 1099 1044 13740 22 36274

Л (V,) пг У 2400 274 261 3429 5 9053

л (vj mv 4' 2747 314 298 3924 6 10359

^ (v.) rn* 5' 2295 262 249 3279 5 8657

(О яг bJ 2163 247 235 3090 5 8158

W 2934 335 319 4191 7 11064

2392 273 260 3417 5 9021

ЧНН 11-16; 19; 20 19-23 9-18 11-16; 18-20 10-12: 20-22 19-23

L'. байт 460 445 460 625 623 160

¿".байт 575 825 575 625 1215 310

рального уровня с одним узлом управления услугами, представленный на рис. 1. В рассматриваемом примере узлы ИСС расположены в четырех часовых поясах, узел SCP находится в зоне GMT + 03:00, сигнальные отношения между узлами ИСС реализованы в связанном режиме сигнализации.

Результаты расчетов представлены на рис. 2. Тонкие марктрованные линии показывают распределение сигнальной нагрузки на пучки ЗС между узлами SSP и узлом SCP в течение суток (по московскому времени). Жирная линия на рис. 2 соответствует суммарной сигнальной нагрузке, представляющей собой нагрузку, которую должен обслужить узел SCP.

Рис. 2. Суточный профиль сигнальной нагрузки для конфигурации 1

На графиках видны всплески сигнальной нагрузки в периоды времени, соответствующие ЧНН. Двухпиковые профили нагрузки объясняются наличием дневного и вечернего периодов времени наивысшей нагрузки (ПНН) для различных услуг ИСС. Заметное увеличение сигнальной нагрузки в вечернее время обусловлено высокой интенсивностью потока вызовов на предоставление услуги телеголосование, доля которой в суммарной нагрузке, создаваемой вызовами на предоставление услуг ИСС. составляет примерно 2/3. Кроме того, на графике суммарной нагрузки заметна размытость ЧНН, которая вызвана разницей в часовых поясах.

Результаты по расчету максимального значения сигнальной нагрузки и минимального числа ЗС. необходимого для обслуживания сигнальной нагрузки на каждом сигнальном отношении. представлены в таблице 3. Полученные данные приведены для двух ярко выраженных ЧНН — 19:00 и 20:00.

Как видно из таблицы 2 максимальное значение нагрузки, которую должен обслужить узел БСР. соответствует 19:00 московского времени. Поскольку емкость одного пучка ЗС между каждой парой узлов ОКС №7 составляет не более 16 звеньев [5]. нетрудно заметить, что для нормального функционирования сети при использовании конфигурации 1 для обслуживания нагрузки на каждом сигнальном отношении достаточно одного пучка ЗС.

В процессе исследований было рассмотрено несколько вариантов возможных конфигураций интеллектуальной сети и оценено влияние конфигурации сети на параметры сигнального

Таблица 2

Параметры сигнального графика для конфигурации I

Мах значение нагрузки на 19:00. Эрл Мах значение нагрузки на 20:00. Эрл Емкость пучка ЗС

Звено ББР^БСР 2,111 2.112 11

Звено ББРг-БСР 0.920 0.921 5

Звено ББРЭ-БСР 0.375 0.302 3

Звено 55Р4-БСР 0.403 0,402 3

Звено Б5Р5-5СР 0.269 0.269 2

БСР 4.078 4.006

трафика ИСС. Вариант перемещения узда 5СР из часового пояса ОМТ+03:00 в соседние часовые пояса не приводит к уменьшению объема сигнального оборудования, поскольку максимальная сигнальная нагрузка останется неизменной, смещается лишь суточный профиль нагрузки. Одним из вариантов оптимизации сети является введение дополнительного узла 5СР как с целью возможного уменьшения объема необходимого сигнального оборудования, так и с целью повышения надежности сети. Для представленного на рис. 1 фрагмента сети ИСС дополнительный узел 8СР можно разместить в часовых поясах ОМТ+05:00 или вМТ+ОбЮО, поскольку в этих поясах суммарная интенсивность поступающей сигнальной нагрузки выше, чем в часовом поясе СМТ+04:00. В процессе исследований были рассмотрены следующие варианты внедрения дополнительного узла

БСР, на который должна быть полностью перенаправлена нагрузка от некоторых узлов коммутации услуг БВР, и тем самым снижена суммарная нагрузка на первый узел 5СР:

- размещение второго узла БСР в часовом поясе СМТ+05:00 или СМТ+06:00:

- обслуживание вторым узлом БСР нагрузки от узлов БЗР. находящихся в часовых поясах СМТ+04Ю0 - СМТ+06:00 или СМТ+05:00 и вМТ+ОбЮО:

- изменение распределения сигнальной нагрузки между сигнальными отношениями, а именно изменение доли вызовов, поступающих от ТмгУС на определенные узлы 88Р.

В результате анализа параметров сигнального трафика ИСС для перечисленных выше конфигураций были получены близкие результаты. В статье они приведены на примере конфигурации 2. изображенной на рис. 3.

Часовой поя: ОМГ + 3

8СР1

Часовой пояс вМТ +4

Часовой пояс ОМГ+5

Берг

Часовой пояс вМГ + б

Рис. 3. Конфигурация 2 ИСС

ТмгУС 8£РЗ

По результатам расчета по-прежнему выявлены всплески сигнальной нагрузки в ЧНН, однако ПНН для 8СР2 смещен на несколько часов. Профиль суммарной нагрузки на оба 5СР по московскому времени совпадает с суточным профилем суммарной нагрузки (жирная линия на рис.2).

Результаты расчета максимального значения сигнальной нагрузки на каждое сигнальное отношение и на узлы 5СР представлены в таблице 3. Результаты приведены для ЧНН БСР1 (20:00) и ЧНН БСР2 (17:00). Также в таблице представлены результаты по расчету емкости пучков ЗС между узлами ББР и БСР. Сравнение результатов на 20:00 по московскому времени таблиц 2 и 3 подтверждает вывод о том, что изменения общей нагрузки, возникающей в ходе обслуживания вызовов интеллектуальных услуг, не происходит, а происходит лишь ее перераспределение.

тельный SCP2. находящийся в часовом поясе GMT+06:00. Каждый из узлов SCP опирается на связанную пару узлов STP (Signalling Transfer Point) — транзитных узлов сигнализации. Несмотря на то. что конфигурация с двумя STP требует большего количества сигнального оборудования (узлов и звеньев сигнализации). именно эта конфигурация является оптимальной с точки зрения надежности сети в целом. Действительно, при отказе одного из узлов SCP или STP сигнальная нагрузка не блокируется, а будет перенаправлена по альтернативному маршруту на соответствующий узел. Кроме того, конфигурация 3 обладает свойством масштабируемости. Если сегодня для обслуживания нагрузок, возникающих при предоставлении услуг ИСС, достаточно одного узла SCP, который должен быть связан с обоими парными узлами STP, то при увеличении спроса на интеллектуальные ус-

Таблица 3

Параметры сигнального графика для конфигурации 2

Мах значение нагрузки на 17:00. Эрл Мах значение нагрузки на 20:00. Эрл Емкость пучка ЗС

Звено SSP1-SCP 0.885 2.112 11

Звено SSP2-SCP 0,386 0.921 5

SCP1 1,271 3,033

Звено SSP3-SCP 0,354 0.302 3

Звено SSP4-SCP 0.591 0.402 3

Звено SSP5-SCP 0,396 0.269 2

SCP2 1,341 0,973

С учетом потенциального увеличения уровня спроса на услуги ИСС для всех рассмотренных выше конфигураций были проведены дополнительные расчеты на основе измененных исходных данных. Интенсивность вызовов каждой интеллектуальной услуги для каждого из пунктов сигнализации была сначала увеличена на порядок, а затем на два порядка. По результатам вычислений были подтверждены результаты, полученные на первоначальных исходных данных: в результате введения дополнительного узла 5СР уменьшение числа ЗС между узлами ББР и 5СР не происходит даже при повышенном спросе на интеллектуальные услуги.

В заключение была рассмотрена конфигурация 3. схема которой приведена на рис. 4. Кроме 8СР1, расположенного в часовом поясе СМТ+03:00. в сети предусмотрен дополни-

луги рассмотренная конфигурация позволяет легко добавлять дополнительные узлы SCP. каждый из которых следует связать с обоими узлами STP.

Выравнивание нагрузки по сигнальным отношениям может быть достигнуто за счет подбора коэффициентов KJyr (\'r v,)) для каждой услуги. Например, для случая сети с двумя узлами SCP и равномерным распределением нагрузки между ними все отличные от нуля KJyp О',, V,)) будут равны 0.5. При этом в каждый час суток на каждый узел SCP поступает сигнальная нагрузка, равная половине суммарной сигнальной нагрузки (жирная линия на рис.2). Результаты расчетов для указанного случая равномерного распределения нагрузки между двумя узлами SCP при исходных данных таблицы 1 приведены в таблице 4.

Часовой пояс

вмт + з

ЯСР!

Ч"яглпли пляг

"Ч"аглвлм пляг

Часовой пояс ОМТ + б

Рис. 4. Конфигурация 3 ИСС

В результате анализа влияния конфигурации сети на количество требуемых звеньев сигнализации выявлено, что перемещение узлов 5СР в соседние часовые пояса или введение дополнительных узлов БСР не приводит к уменьшению емкости пучков ЗС на сигнальных отношениях. Это объясняется тем, что сигнальная нагрузка, обслуживаемая сетью, не уменьшается, а перераспределяется по сигнальным отношениям. Таким образом, можно сделать вывод о том. что введение дополнительного

узла 5СР с целью уменьшения числа звеньев сигнализации в сети нецелесообразно.

Отметим, что на сегодняшний день российские сети, обслуживающие абонентов в нескольких часовых поясах, построены на основе конфигурации с одним ухчом БСР. что снижает надежность функционирования ИСС в целом. Оптимальным по всем критериям является решение с двумя узлами 8СР. разнесенным по разным часовым поясам и связанным с узлами посредством по крайней мере двух БТР.

Таблица 4

Параметры сигнального графика для конфигурации 3

Мах значение нагрузки па 20:00. Эрл Емкость пучка ЗС

Звено 55Р1-5ТР1 1.115 6

Звено 85Р2-5ТР1 0.486 3

Звено ББРЭ-БТР! 0,224 2

Звено 55Р4-5ТР1 0,313 2

Звено 55Р5-5ТР1 0,115 1

ЯСР1 2,253

Звено ЯБР^ТРЗ 1,115 6

Звено ББРг-БТР: 0.486 3

Звено ББРЗ-БТР: 0.224 2

Звено 55Р4-5ТР2 0.313 2

Звено 55Р5-5ТР2 0.115 1

БСР2 2,253

Наличие дополнительного узла 5СР позволит также решить проблемы перегрузок и резервирования в сети сигнализации. Эти и некоторые другие задачи, актуальные для российских операторов в настоящее время, являются предметом дальнейших исследований.

В заключение авторы выражают благодарность зав. кафедрой сетей связи СПбГУТ

им. Бонч-Бруевича проф. Г. Г. Яновскому за плодотворные дискуссии. зав. кафедрой систем телекоммуникаций РУДН проф. К.Е. Самуйлову за полезные советы при определении задачи исследований и выпускнице кафедры систем телекоммуникаций РУДН O.A. Волковой, принимавшей участие в разработке программного средства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ITU-T: White Book, Recommendation Q.I600. Signalling System No. 7— Interaction between ISUP and INAP. Geneva. September. 1997.

2. Бузнжова И.Л., Яновский Г.Г. Методика расчета вероятностно-временных характеристик интеллектуальных сетей связи. Информационно-управляющие системы, №1 (2008). С. 17-23.

3. Самуйлов К.Е. Методы анализа и расчета сетей ОКС 7. Изд-во РУДН. Москва. 2002.

4. Полищук В.П., Самуйлов К.Е., Чукарин A.B. Применение инструментальных программных средств для планирования сетей ОКС 7. Электросвязь №12 (2005). С. 19-23.

5. ITU-T: White Book. Recommendation Q.706: Signalling System No.7— Message Transfer Part Signalling Performance. Geneva. March. 1993.

6. ITU-T: White Book. Recommendation Q.1211: Introduction to intelligent network capability set 1. Geneva. March. 1993.