СПОСОБ ПРИВЯЗКИ ВРЕМЕНИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСАХ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБМЕНА IP-ПАКЕТАМИ
METHOD FOR TIME REFERENCING IN MEASUREMENT SYSTEMS FOR EVALUATING QUALITATIVE PARAMETERS OF IP PACKET EXCHANGE

Предлагаемое изобретение относится к технике связи, а именно к сетям с пакетными технологиями передачи и коммутации.
При использовании измерительных комплексов, позволяющих оценивать качественные параметры обмена IP-пакетами (среднее значение, джиттер, вероятность потери и других), возникает необходимость привязки времени в используемых аппаратно-программных средствах. Это необходимо для того, чтобы погрешность при измерении исследуемых параметров не превышала заданный порог. При организации измерений возникают ситуации, когда возможность получения внешнего сигнала привязки времени отсутствует. Использование сигнала от приемников ГЛОНАСС или GPS не представляется разумным решением, так как объект измерения может размещаться в помещениях, в которых нет условий для приема информации от спутников. По этим причинам целесообразно использовать информационные сообщения, которые передают и принимают измерительные комплексы, для формирования сигналов привязки времени. Эти сигналы можно рассматривать как информацию, вырабатываемую виртуальным генератором внутреннего хронирования, который имеет погрешность (абсолютное значение в единицах времени) не более установленного порога - ξ.
В настоящее время известны два основных способа привязки времени в измерительных комплексах. Первый способ заключается в использовании сигналов в системах ГЛОНАСС и/или GPS [1]. Второй способ основан на использовании алгоритма, предложенного в рекомендации международного союза электросвязи (МСЭ) ITU-T G.8621 [2].
Первый способ весьма эффективен, если существует возможность устойчивого приема сигналов со спутников систем ГЛОНАСС/GPS. В некоторых случаях те точки (интерфейсы пользователь-сеть - ИПС), к которым необходимо подключить измерительные комплексы, находятся вне пределов устойчивого приема сигналов со спутников ГЛОНАСС/GPS. Зачастую время проведения измерений ограничено. Тогда организация внешних трактов для приема сигналов ГЛОНАСС/GPS не представляется возможной.
Второй способ также весьма эффективен при условии, что пакетная сеть отвечает всем требованиям, предъявляемым рекомендациями МСЭ серий G (Системы и среда передачи, цифровые системы и сети) и Y (Глобальная информационная инфраструктура, аспекты протокола Интернет и сети следующего поколения). Некоторые эксплуатируемые пакетные сети не отвечают этим требованиям, но должны предоставлять телекоммуникационные услуги с нормированными качественными показателями. В тех случаях, когда пакетные сети отвечают рекомендациях МСЭ серий G и Y, для привязки времени может быть использован алгоритм, приведенный в Приложении XII к рекомендации ITU-T G.8621 [2].
Рекомендация ITU-T G.8621 посвящена вопросам синхронизации и хронирования в пакетных сетях. Основная цель данной рекомендации определить требования к оборудованию пакетной сети для поддержки требований в части сигнализации, актуальных для работы устройств, использующих технологию «коммутация каналов». Это необходимо, как минимум, в двух случаях:
- для сопряжения сетей с разными технологиями коммутации (канальной, пакетной);
i
1
1
N
p
- для взаимодействия устройства с коммутацией каналов через транзитную пакетную сеть. Следует подчеркнуть, что алгоритм привязки времени, предложенный в рекомендации ITU-T G.8621, не учитывает случайный характер задержки IP-пакетов, а также не дает оценку доверительных интервалов полученного результата. Причина заключается в том, что вариация задержки IP-пакетов изначально предполагается не случайной величиной. Каждый i-й маршрутизатор из общего числа N сообщает далее величину задержки Δt, которую он внес в процесс передачи IP-пакета. Тогда разница времени между граничными маршрутизаторами равна Δt+Δt+…+Δt. К этой величине следует добавить время распространения сигналов между интерфейсами пользователь сеть t. Полученное значение позволяет осуществить привязку времени между двумя терминалами.
Кроме того, как отмечается пользователями сети Интернет на различных форумах, серверам, предназначенным для привязки времени, свойственна низкая надежность доступа. Это не столь важно для установки точного времени на отдельно взятом персональном компьютере, но неприемлемо для проведения измерений.
Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа привязки времени в измерительных комплексах для оценки качественных параметров обмена IP-пакетами, который бы позволил добиться заранее заданной погрешности при измерении исследуемых параметров без применения внешних устройств синхронизации.
Технический результат заключается в повышении точности измерения исследуемых параметров в измерительных комплексах и, как следствие, в повышении качества функционирования сетей связи.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ привязки времени в измерительных комплексах, включающий обмен последовательностью IP-пакетов между двумя измерительными комплексами и анализ времени задержки в доставке каждого из переданных/принятых IP-пакетов, считая длительность задержки каждого IP-пакета случайной величиной. Вычисление параметров длительности задержки IP-пакетов при помощи статистических методов позволяет предложить единую отметку времени для обоих комплексов. Принятие решения о возможности использования вычисленной отметки времени при условии, что достигается требуемая точность при заранее заданной доверительной вероятности. В случае если полученная отметка времени не удовлетворяет требуемым параметрам, повторяют весь процесс до достижения заданной точности.
Сущность предлагаемого способа поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 приведена схема взаимодействия двух измерительных комплексов,
Где 1 - первый измерительный комплекс, 2 - второй измерительный комплекс.
0
0
На фиг.2 показан процесс обмена информацией между двумя ИК для определения значений T(1) и T(2).
j
На фиг.3 приведен типичный вид гистограммы f(t).
Взаимодействие двух измерительных комплексов (ИК) осуществляется через тестируемую сеть - фиг.1. Структура тестируемой сети, как правило, неизвестна. Тестируемая сеть может рассматриваться как "черный ящик", в котором длительность задержки сигналов является случайной величиной.
0
0
После завершения процесса привязки времени оба комплекса запоминают некое эталонное время, которое необходимо для обеспечения заданной точности оценки тестируемых показателей. Для первого комплекса это время обозначается как T(1), а для второго - как T(2). Цель привязки времени заключается в обеспечении следующего условия:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>≤</mo><mi>ξ</mi><mo>.</mo><mtext>                                                        </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
0
i
0
0
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,4</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
На фиг.2 показан процесс обмена информацией между двумя ИК для определения значений T(1) и T(2). Величины t
обозначают все задержки, которые связаны с передаваемой информацией привязки времени. Используемый способ представления информации - специальные сигналы привязки времени (для сетей с коммутацией каналов) или тестовые сообщения (для сетей с коммутацией пакетов) - не существенен с точки зрения методики оценки значений T(1) и T(2) (далее преимущественно используется термины "сообщение" и "тестовое сообщение").
i
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,4</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Величины t
определяют следующие этапы обмена информацией привязки времени для двух комплексов ИК через тестируемую сеть:
1
0
- t - задержка сообщения с момента начала отсчета эталонного времени T(1) до начала выдачи сообщения в тестируемую сеть, состав которой входит и участок доступа;
2
- t - задержка сообщения с момента поступления в тестируемую сеть до момента его выдачи во ИК;
3
0
- t - задержка сообщения с момента начала отсчета эталонного времени T(2) до начала выдачи сообщения в обратном направлении;
4
- t - задержка сигнала с момента поступления в тестируемую сеть до момента его выдачи в первый ИК.
1
3
1
3
1
3
1
3
i
Времена t и t можно рассматривать как постоянные величины задержки, обусловленные процессами работы обоих комплексов. Они известны и по своей природе не являются случайными величинами. Это означает, что соответствующие стандартные отклонения (σ и σ) равны нулю. Величины t и t представляют собой аппаратную задержку, которая, как минимум, на два порядка меньше порога ξ. По этой причине для задачи привязки времени можно считать, что t=t=0. Операция суммирования величин t представляет собой общую процедуру с алгоритмом, предложенным в рекомендации UTU-T G.8621, который выбран в качестве аналога. Все последующие процедуры предлагаемого способа привязки времени являются оригинальными. Их суть заключается в том, что задержка передачи каждого IP-пакета рассматривается как случайная величина, что отвечает реальной ситуации в пакетных сетях.
2
4
2
4
2
4
2
4
Времена t и t - случайные компоненты времени задержки, определяемые состоянием сети в момент начала процесса тестирования и выбранным маршрутом для обмена информацией привязки времени между ИК. Как правило, t≠t. Однако для задачи привязки времени различие между t и t не играет роли. По этой причине далее полагается, что t≈t.
1k
2k
1k
2k
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>N</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
При обмене N тестовыми сообщениями каждый комплекс накапливает статистические данные о временах X и X
. Случайные величины X и X, измеряемые соответственно "ведомым" и "ведущим" комплексами, различаются - для одного и того же значения k - не столь существенно, так как за время передачи двух следующих друг за другом сообщений состояние тестируемой сети остается практически неизменным.
1k
2k
1
2
1
2
Оба комплекса собирают статистические данные о величинах X и X в виде двух гистограмм - f(t) и f(t), определенных на интервалах (a, b) и (c, d) соответственно. Измерения обеих функций производятся с периодом τ. С практической точки зрения целесообразно выбрать значение τ с запасом, обеспечивающим высокую точность представления функций f(t) и f(t). До накопления статистики привязки времени следует установить значение τ, равное 0,1 мс (один процент от максимальной погрешности сигнала привязки времени ξ).
1
1i
2
2i
1i
2i
j
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,2</mn></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Пусть в точке iτ значение функции f(t) равно P, а функции f(t) - P. Данные значения получаются в результате деления количества тестовых сообщений, которые соответствуют моменту времени iτ (отнесение тестового сообщения к моментам (i-1)τ, iτ или (i+1)τ осуществляется по обычным правилам округления дробных величин до целого значения), к общему количеству переданных сообщений. Тогда суммы всех значений P и P равны единице. Типичный вид функции f(t)
показан на фиг.3.
1
2
1
2
Функции распределения F(t) и F(t) проще всего представить их преобразованиями Лапласа-Стилтьеса - φ(s) и φ(s) [3]:
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>a</mi></mrow><mi>b</mi></munderover><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>τ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi></mrow></msup></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>c</mi></mrow><mi>d</mi></munderover><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>τ</mi><mtext> </mtext><mi>s</mi></mrow></msup></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext>                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Все характеристики исследуемых случайных величин вычисляются из преобразований Лапласа-Стилтьеса непосредственно. Из этих соотношений начальные моменты m-го порядка -
и
будут рассчитываться по простым формулам [4]:
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>τ</mi><mi>m</mi></msup><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>a</mi></mrow><mi>b</mi></munderover><mrow><msup><mi>i</mi><mi>m</mi></msup><msub><mi>P</mi><mrow><mn>1</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>τ</mi><mi>m</mi></msup><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>c</mi></mrow><mi>d</mi></munderover><mrow><msup><mi>i</mi><mi>m</mi></msup><msub><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext>                                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Средние значения случайных величин
и
определяются из соотношений (3) при условии, что m=1. Эти значения, как и оценки для моментов более высоких порядков, могут потребоваться для более детальных исследований, касающихся оптимизации процессов привязки времени (особенно для случаев совместной работы более двух ИК).
Условием соблюдения заданной точности оценки эталонного времени будет корректность двух следующих неравенств:
<mrow><mi>τ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>b</mi><mo>−</mo><mi>a</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><mi>ξ</mi></mrow>
<mrow><mi>τ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>d</mi><mo>−</mo><mi>c</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>≤</mo><mi>ξ</mi><mo>.</mo><mtext>                                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
0
Значение T(1), которое получено "ведомым" комплексом в составе первого тестового
0
сообщения, целесообразно обозначить как Z, чтобы не путать с эталонным временем, установленным "ведущим" комплексом. Тогда - при соблюдении условия (4) - расчет эталонного времени T(2) осуществляется по такой формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Z</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>X</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                            </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Для оценки параметров гистограммы с точностью δ необходимо провести N измерений времени задержки. Для рассматриваемой задачи следует выбрать доверительную вероятность, равную 0,99. Тогда соответствующий квантиль нормального закона распределения равен 2,58. Коэффициент вариации для распределений, ограниченных на конечном интервале, обычно меньше единицы. Необходимый объем предварительных измерений - N оценивается так:
<mrow><mi>N</mi><mo>≤</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2,58</mn></mrow><mi>δ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mn>6,6564</mn></mrow><mrow><msup><mi>δ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Это означает, что для точности в 5% необходимо провести 2663 измерений (если такая величина представляется чрезмерной, то - в соответствии с [5] - ее можно снизить до 300). При выборе точности δ=1% это время возрастает в 25 раз, но составляет приемлемое - с точки зрения длительности измерений - значение. За это время состояние тестируемой сети не будет меняться существенно, результаты измерений останутся стабильными.
На основании соображений, изложенных выше, процесс вычисления эталонного времени ИК может быть представлен в виде такой последовательности операций:
0
0
0
1. Задается (в единицах времени) абсолютное значение допустимой погрешности привязки времени ξ (в настоящее время эта величина принимается равной 10 мс). Для "ведущего" комплекса произвольно устанавливается эталонное время T(1). Это значение передается в ведомый комплекс в составе первого тестового сообщения. "Ведомый" комплекс получает величину T(1) с задержкой. Полученное значение T(1) обозначается как Z.
2. Производится N измерений, количество которых определяется формулой (6) или в соответствии с примечанием №3.
1
2
3. Результаты измерений задержки в обоих комплексах позволяют получить интервалы (a, b) и (с, d) для гистограмм f(t) и f(t) с интервалом изменений по оси абсцисс, равным τ. Величину τ следует установить на уровне 0,1 мс.
0
<mrow><mi>Z</mi><mo>−</mo><mn>0,5</mn><msubsup><mi>X</mi><mn>2</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
4. Проверяются условия τ(b-а)≤ξ и τ(d-с)≤ξ. Если они выполняются, то в качестве величины T(2) используется такое значение:
. Если условия не выполняются, то необходимо вернуться к пункту 1 по истечении времени D (величину D целесообразно установить равной одной минуте).
Таким образом, предлагается способ привязки времени, отличающийся от известных решений тем, что, во-первых, не требуется использования внешних устройств синхронизации и/или хронирования, во-вторых, учитывается случайных характер задержки сообщений в пакетных сетях, в-третьих, оценивается точность привязки времени (которая является случайной величиной) и соответствующая доверительная вероятность. Это позволяет обеспечить необходимую точность проведения измерений и тем самым повысить уровень качества функционирования сетей связи.
Источники информации
1. Богданов М.Р. Применения GPS/ГЛОНАСС. - М.: Интеллект, 2012.
2. ITU-Y. Recommendation G.8621. Timing and synchronization aspects in packet networks. - 2008.
3. Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. - М.: Наука, 1974.
4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Издательский центр "Академия", 2005.
5. Арцишевский В.В., Гольдштейн Б.С., Зайдман Р.А., Маршак М.А. Средства обеспечения процесса проведения испытания на качество функционирования АТС. - Электросвязь, 1996, №11.