Artiklens forfatter på arbejde fra venstre Lars Staalhagen og
fra venstre Lars Staalhagen og Villy Bæk Iversen Artiklens forfatter på arbejde Kapitel 11 Når telefonen melder optaget Ressourceplanlægning i telenet af Lars Staalhagen og Villy Bæk Iversen Det globale telenet er det mest komplekse system, der er skabt af mennesker. Alligevel er det nemt for almindelige abonnenter at benytte det, men for at det kan lade sig gøre, er der mange problemstillinger, der skal løses. Et generelt problem er, hvordan man mest hensigtsmæssigt fordeler ressourcer i telenettet, så abonnenterne så godt som altid kan foretage opkald, når de ønsker det. Hvis et opkald ikke kan foretages på grund af manglende ressourcer i telenettet, vil abonnenten høre en optaget-tone. En optaget-tone kan derfor både COM•DTU betyde, at den man ringer til er i gang med en anden samtale, men også at opkaldet ikke kan foretages på grund af manglende ressourcer i telenettet. En løsning på problemet vil være at overdimensionere telenettet, så der altid vil være ressourcer nok, men dette er ikke hensigtsmæssigt set fra teleoperatørens side, da der er store omkostninger ved at etablere et telenet. Optiske horisonter Nåtr telefonen melder optaget kapitel 11 For at etablere en telefonsamtale skal der sættes en forbindelse op mellem de to abonnenter, der ønsker at tale sammen. Skal man forbinde n personer direkte kræver det ½ • n • (n-1) forbindelser, så i det globale telenet med op imod en milliard abonnenter ville blive helt uoverskueligt og økonomisk umuligt at etablere direkte forbindelser mellem alle abonnenter. Men ligesom i vejtrafikken kan man dele ressourcer mellem flere brugere. Den enkelte bruger har en stikvej ud til en lidt større vej, der deles af brugere i lokalområdet. Skal man længere væk, er der hovedveje som deles af endnu flere brugere. Dermed kan man gøre vejnettet billigere, idet den en enkelt bruger kun skal betale for sin egen stikvej og dele udgifterne til de fælles veje med mange andre. På samme måde med telenettet. Den enkelte abonnent skal i princippet betale for sit telefonapparat, for forbindelsen til det nærmeste knudepunkt (fælles vej), og en andel af de fælles forbindelser. For at kunne sætte en forbindelse op mellem to vilkårlige abonnenter er man nødt til at have nogle regler, dels for hvordan nettet bygges op, og dels for hvordan man finder vej gennem nettet. Alle abonnenter i et område er forbundet til samme lokalcentral (L). Lokalcentralerne i et større område er så forbundet til en transitcentral (T), som igen er forbundet til en international central (I), så man får en hierarkisk struktur af telenettet, som vist i figur 11-1.. Opsætningen af forbindelser mellem vilkårlige abonnenter bliver ganske enkel. Hvis de to abonnenter, A og B, er forbundet til samme lokalcentral, er forbindelsen A-L-B. Er abonnenterne forbundet til hver sin lokalcentral under samme transitcentral, som f.eks. I T L A L B T L C T L L D Figur 11-1: Hierarkisk struktur af et telenet Optiske horisonter 198 COM•DTU Når telefonen melder optaget A og C, er forbindelsen A-L-T-L-C. Er abonnenterne endnu længere væk fra hinanden, som f.eks. A og D, skal man via et endnu højere niveau I så forbindelsen bliver A–L–T–I–T–L–D. I praksis afviger man dog fra denne simple struktur. Af sikkerhedsgrunde er hver lokalcentral forbundet til to transitcentraler via uafhængige kabler. Bliver forbindelsen til den ene transitcentral afbrudt, er det stadig mulig at etablere opkald via den anden transitcentral. Endvidere vil man etablere direkte forbindelser mellem to vilkårlige centraler, hvis det er økonomisk fordelagtig. For eksempel kan der i et lokalområde være meget trafik mellem abonnenter under to forskellige lokalcentraler, og man vil da etablere en direkte forbindelse mellem de to lokalcentraler. Da der i alle centraler er processorer (computere) er det muligt at foretage analyser af opkaldene (hvor stammer de fra, hvor skal de hen) og finde den under de givne forhold optimale vej. Når en abonnent foretager et opkald, vil dette opkald beslaglægge noget af udstyret, som dermed ikke kan benyttes af andre abonnenter på samme tid. Som nævnt tidligere ønsker teleoperatøren ikke, at telenettet er overdimensioneret, dvs. at der er flere ressourcer i nettet end højst nødvendigt, for at abonnenterne får en tilfredsstillende tjeneste. Det betyder, at der vil være nogle ressourcemæssige begrænsninger, hvilket desværre også betyder, at abonnenterne engang i mellem vil opleve, at de f.eks. ikke kan foretage et opkald på grund af manglende ressource. Som et simpelt eksempel på en ressourcebegrænsning viser figur 11-2 en del af et telenet, bestående af en lokalcentral som et vist antal abonnenter er tilsluttet. Forbindelsen fra lokalcentralen til resten af telenettet sker via et bundt af telefonlinjer. Når en abonnent foretager et opkald, benytter vedkommende så en af disse telefonlinjer, der så ikke samtidigt kan benyttes af andre abonnenter. Hvis der i telenettet er det samme antal telefonlinjer som abonnenter, vil alle abonnenterne altid opleve, at der er en ledig telefonlinje, når de ønsker at fore- COM•DTU kapitel 11 tage et opkald. I dette tilfælde er der altså ingen ressourcebegrænsninger. Denne løsning er imidlertid ikke optimal fra teleoperatørens synspunkt, da en typisk abonnent kun taler en del af tiden, og der vil så normalt være en betydelig del af telefonlinjerne, der er ubenyttede. Da teleoperatørens omkostninger i et vist omfang er proportional med antallet af telefonlinjer, vil denne løsning betyde, at en betydelig del af operatørens omkostninger går til ressourcer, der sjældent benyttes, hvilket ikke er rationelt. Under normale omstændigheder er der derfor behov for færre telefonlinjer end antallet af abonnenter. I denne situation er der så en vis risiko for, at der på et bestemt tidspunkt er et stort antal af abonnenterne, der ønsker at foretage et opkald. Hvis dette antal er større end antallet af telefonlinjer, så vil nogle abonnenter opleve, at de ikke kan foretage opkaldet, men i stedet høre en optaget-tone. Fra teleoperatørens synspunkt er det uheldigt, hvis en abonnent ikke kan foretage et opkald på grund af manglende ressourcer (her: ingen ledige telefonlinjer) af to grunde. Abonnenterne betaler for hvert opkald, der gennemføres, så opkald der ikke kan foretages, betyder derfor mindre indtægt for teleoperatøren. Hvis abonnenterne ofte oplever, at de ikke kan foretage opkald, vil de blive utilfredse med teleoperatøren og på længere sigt være tilbøjelige til at skifte til andre teleoperatører. Ved planlægning og etablering af et telenet må teleoperatøren derfor vælge det optimale antal telefonlinjer, der medfører en tilstrækkelig lille sandsynlighed for at abonnenters opkald ikke kan gennemføres på grund af manglende ressourcer. Det er op til teleoperatøren at vælge en øvre grænse for denne sandsynlighed. Hvis man måler antallet af opkald inden for nogle faste tidsintervaller, vil man opleve, at der er stor døgnvariation i målingerne. Figur11-3 viser døgnvariationen på en typisk hverdag for det traditionelle 199 Optiske horisonter Figur 11-2. Telefoncentral med begrænsede ressourcer Nåtr telefonen melder optaget kapitel 11 telenet. Som det ses, er der ikke mange opkald pr. time midt om natten, mens der er flest opkald pr. time om formiddagen, hvor folk er på arbejde. Ser man på trafik fra mobiltelefoner, så ligger toppen sidst på eftermiddagen, og mht. Internettrafik er der mest travlt om aftenen. Når en operatør vil bestemme det optimale antal telefonlinjer, skal der naturligvis tages hensyn til døgnvariationen i antallet af opkald pr. time. Sandsynligheden for at et opkald ikke kan foretages på grund af manglende ressourcer, vil være størst på det tidspunkt af døgnet, hvor antallet af opkald også er størst. Den time på døgnet, hvor antallet af opkald er størst, kaldes for travl time. Hvis antallet af telefonlinjer bestemmes så sandsynligheden for at et opkald ikke kan foretages i travl time er mindre end teleoperatørens grænse, vil denne sandsynlighed på alle andre tidspunkter også være mindre end teleoperatørens grænse. For at kunne dimensionere et telenet optimalt, er det vigtigt at kende abonnenternes adfærd. Det er f.eks. ikke ligegyldigt, om en samtale i gennemsnit varer 3 min. eller 6 min. Jo længere en middelsamtale varer, jo flere ressourcer skal der være i telenettet. Imidler- 100 90 80 Opkald/minut 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 Tidspunkt på døgnet 20 Figur 11-3. Opkald pr. minut til tilfældig telefoncentral Optiske horisonter 202 COM•DTU Når telefonen melder optaget kapitel 11 tid kan der være stor forskel på en typisk samtale for forskellige abonnenter. Nogle abonnenter foretager måske få men lange samtaler, andre foretager hyppige korte samtaler, osv. Jo længere afstanden er mellem to abonnenter, desto længere varer samtalen i gennemsnit. Der er imidlertid ikke vigtigt for operatøren at kende samtalemønstret for hver enkelt abonnent, men blot det samlede samtalemønster for samtlige abonnenter, herunder hvor meget telefontrafik, som samtlige abonnenter ønsker at foretage. Begrebet tilbudt trafik angiver den samlede mængde telefontrafik pr. tidsenhed, som abonnenterne ønsker at afvikle. Dette kan udregnes som antallet af opkaldsforsøg pr. tidsenhed ganget med den gennemsnitlige varighed af en samtale. Enheden for tilbudt trafik er Erlang (se faktaboks), som er dimensionsløs. Da der er begrænsede ressourcer i telenettet, vil Eksempel Hvis telefoncentralens abonnenter i gennemsnit ønsker at foretage 5 opkald pr. minut, og et gennemsnitligt opkald varer 3 minutter, vil den tilbudte trafik fra abonnenterne være: Tilbudt trafik = 5 opkald/min. • 3 min. = 15 erlang det ikke være alle opkaldsforsøg der lykkes. Sandsynligheden for at et tilfældigt opkald ikke lykkes på grund af manglende ressourcer kaldes for spærring. Det mængde trafik, der så ikke afvikles på grund af spærring kaldes for afvist trafik, som udregnes som: Afvist trafik = Tilbudt trafik • Spærring Begrebet afviklet trafik betegner så den mængde telefontrafik, som rent faktisk bliver afviklet. Sam- COM•DTU menhængen mellem tilbudt trafik og afviklet trafik er Afviklet trafik = Tilbudt trafik – Afvist trafik. Eksempel I sidste eksempel, blev der udregnet en tilbudt trafik på 15 erlang. Hvis sandsynligheden for at et opkald ikke kan gennemføres på grund af manglende ressourcer (spærringen) er 10% kan man udregne: Afvist trafik = 15 erlang • 0,10 = 1,5 erlang og Afviklet trafik = 15 erlang – 1,5 erlang = 13,5 erlang Dimensioneringsproblem Optimeringsproblemet for en teleoperatør er, at bestemme de nødvendige ressourcer, så spærringen bliver mindre end eller lig en given grænse. I det simple eksempel i Figur11-2, gælder det således om at bestemme antallet af telefonlinjer fra lokalcentralen. Spærringen (E) kan bestemmes ud fra Erlang-B formlen, som har antallet af ressourcer (n), f.eks. antallet af telefonlinjer, og den tilbudte trafik (A) som parametre. Udledning af formlen kræver viden om sandsynlighedsregning og stokastiske processer, så det vil blive udeladt her. Formlen er: Fremtidens udfordringer Erlangs arbejder (se faktaboks) er stadig idegrundlag for ressourcestyring i telenet, men nutidens netværk er langt mere komplekse end på Erlangs tid, hvor de 203 Optiske horisonter Nåtr telefonen melder optaget kapitel 11 Eksempel Med en tilbudt trafik på A = 15 erlang, kan man udregne den afviklede trafik som funktion af antallet af telefonlinjer (n), og få følgende graf: Afviklet trafik Som det ses, vokser den afviklede trafik, når der kan benyttes flere telefonlinjer. 15 Afviklet trafik (erlang) 12 9 6 3 0 0 5 10 15 20 25 Antal telefoni Spærringen ses på følgende graf: Ud fra denne graf kan man aflæse, at hvis teleoperatøren ønsker at spærringen skal være max. 2 %, så skal der derfor være 23 telefonlinjer mellem lokalcentralen og resten af telefonnettet. Spærring 20% 18% 16% Spærring (%) 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Antal telefonlinier var baserede på mekaniske relæer, og hvor den eneste tjeneste var telefoni, dvs. overførsel af tale. Udviklingen i fremtiden sker på områderne brugerkrav, teknologi og strategi. Brugerkrav. Brugeren er i centrum, og har i dag adgang til mange forskellige tjenester som tale, video, e-mail og Internet. Disse tjenester stiller forskellige krav til kapacitet, pålidelighed, forsinkelse osv. Ved Optiske horisonter 204 tale og IP-telefoni kan man f.eks. tillade, at en lille del af informationen går tabt, men forsinkelsen må højst være ca. 100 millisekunder. En banktransaktion skal derimod være 100 % pålidelig, men der tillades en vis forsinkelse. Alle tjenester bruger det samme net, og operatøren må være i stand til at garantere en vis service-kvalitet for hver bruger og tjeneste. Teknologi. Denne udvikler sig hurtigt disse år. COM•DTU Når telefonen melder optaget Lyslederkabler tilbyder som nævnt tidligere en billig og stor kapacitet, hvorimod radioforbindelser har en begrænset og kostbar kapacitet til rådighed. Tæt ved brugeren vil man ofte benytte trådløse radioforbindelser, mens man i resten af nettet vil transmittere informationen gennem optiske fibre eller andre former for kabler. Strategier. Avancerede strategier benyttes til at integrere forskellige teknologier og tjenester, så den enkelte brugers ønsker opfyldes. I det klassiske telefonnet var der kun en stærkt begrænset intelligens, mens der i et moderne net er integreret mange computere, som kan indsamle data og træffe beslutninger baseret på den aktuelle trafiksituation. I tilfælde af kabelbrud eller andre svigt i systemet, kan man inden for sekunder dirigere trafikken via alternative veje. kapitel 11 goritmer er dels baseret på sandsynlighedsregning og matematik, dels på omfattende forsøg baseret på anvendelse af computere til simulering af virkelige systemer. Ligesom man optræner piloter med anvendelse af flysimulatorer, kan man lave modeller af telenet i en computer og eksperimentere med disse. Det er vigtigt, at disse modeller er baseret på realistiske data indsamlet ved målinger i eksisterende systemer, eller ved analyse og syntese af kommende tjenester. Det er virkeligheden, der i sidste ende afgør, om en model er brugbar. På COM•DTU udvikles der robuste matematiske modeller for multi-medie trafik, og der eksperimenteres med komplekse simulationsmodeller. Arbejdet sker i et samspil mellem forskere, industri, brugere og teleoperatører. Der udvikles hele tiden nye teknologier, protokoller og tjenester. Det er forskerens opgave at forbedre eksisterende metoder og algoritmer til kontrol og ressourceallokering i telenettet og udvikle nye, så brugeren kan benytte de ønskede tjenester med en garanteret kvalitet så billigt som muligt. Disse al- FAKTABOKS 1 A. K. Erlang – En dansk pioner inden for teletrafikteori A.K. Erlang blev født i 1878 i Lønborg, Jylland. Han var den første til at anvende matematiske metoder til dimensionering af telenet, og bliver derfor opfattet som ophavsmanden til teletrafikteorien; det videnskabelige område, der omhandler anvendelsen af sandsynlighedsregning til dimensionering af kommunikationsnetværk, som f.eks. telenet eller datanet. Hans navn er i dag internationalt kendt på grund af en række formler, som benyttes ved dimensionering af netværk. Som anerkendelse af hans betydning for teletrafikteorien benyttes Erlang også som enhed for trafikintensitet. COM•DTU 205 Optiske horisonter Nåtr telefonen melder optaget kapitel 11 FAKTABOKS 2 Frekvensplanlægning i GSM mobilnet GSM mobilnettet blev indført i Danmark i 1992 som afløser for det daværende Nordisk MobilTelefoni (NMT), der kunne bruges frem til 2002. I GSM mobilnettet sendes og modtages der via radiokanaler. Da GSM blev taget i brug, anvendtes radiokanaler i frekvensbånd omkring 900 MHz. Da GSM mobilnettet blev meget populært, tog man også frekvenser omkring 1800 MHz i brug, fordi der var for få kanaler i 900 MHz frekvensbåndet til at dække behovet. GSM er et såkaldt cellulært netværk, dvs. det område som skal dækkes, bliver inddelt i celler, som hver får tildelt en eller flere radiokanaler. Fordelen ved dette princip er, at hvis en bestemt radiokanal er tildelt en bestemt celle, kan samme radiokanal genbruges i andre celler, bare der er tilstrækkelig afstand mellem celler, der benytter den samme radiokanal. Princippet er illustreret i Figur11-4, som viser en del af et cellulært mobilnet, der benytter 4 forskellige radiokanaler, symboliseret ved 4 forskellige farver. Celler der benytter samme radiokanal placeret i en vis afstand fra hinanden. I figur 11-4 er cellerne tegnet som sekskantede områder, primært af tegnetekniske hensyn. Ideelt set vil cellerne være cirkulære, men i virkelighedens verden er udbredelsen af radiobølger i en celle meget afhængig af forhold som f.eks. landskabet, bygninger, osv. I hver radiokanal i GSM er der ressourcer til et vist antal samtidige samtaler. Dette har en betydning for, hvordan en mobiloperatør vælger at placere sine celler. I byområder, hvor der normalt er mange brugere pr. km2, vælges normalt at have mange små celler, typisk med en radius på mindre end 1 km, mens tyndt befolkede landområder bliver dækket af få, men store celler med en radius på op til 30 km. I figur 11-4 er der placeret en mobilantenne præcist i midten af hver celle. Det er dog ikke altid muligt for mobiloperatøren at anbringe antennerne, hvor det er optimalt. Lokalplaner, protester fra naboer, mv. betyder, at en mobiloperatør ofte må benytte andre placeringer af antennerne, f.eks. på skorstene, højhuse, mv. Disse forhold (udbredelse af radiosignaler der afhænger af landskabet og bygninger, forskellig størrelse på cellerne samt en ikke-optimal placering af antennerne) gør, at frekvensplanlægning for en mobiloperatør er kompliceret. Som udgangspunkt laves frekvensplanlægningen på en computer, der benytter information om landskabet og om hvor mobilantennerne er placeret. Med anvendelse af avancerede matematiske modeller for radiosignalers udbredelse, kan computeren derfor udregne, om der er områder, hvor dækningen er utilstrækkelig. Hvis computermodellen udpeger områder med utilstrækkelig dækning, kan teleoperatøren i modellen eksperimentere med placeringen af ekstra antenner/celler indtil en passende dækning opnås. Da der kan være forhold som computermodellen ikke tager højde for, bliver resultaterne fra modellerne suppleret/efterprøvet med rigtige målinger. Tildelingen af frekvenser til celler svarer til farvelægningen af et landkort, således at to nabolande ikke Optiske horisonter 206 COM•DTU Når telefonen melder optaget kapitel 11 har samme farve. Dette er et berømt matematisk problem, og det kan vises, at man altid kan farvelægge et kort med 4 forskellige farver (four color problem.) Figur 11-4. Del af et celleopdelt netværk til mobiltelefoni. Cellernes farver repræsenterer de forskellige radiokanaler, og som det ses vil den samme radiokanal aldrig blive brugt i to naboceller. FAKTABOKS 3 Regler for samarbejde Regler for samarbejde I diplomatiet har man regler, kaldet protokoller, for hvorledes man samarbejder mellem forskellige lande og organisationer. Inden for kommunikationsområdet har man også protokoller (regler) for, hvordan forskelligt udstyr skal kommunikere for at etablere en samtale mellem abonnenter. F.eks. skal en mobiltelefon (uanset fabrikat) kunne udveksle information med alle teleoperatørers centraler (der også kan være af forskellige fabrikater). Disse protokoller bliver udformet (og standardiseret) af forskellige organisationer, som f.eks. International Telecommunication Union (ITU), der er ansvarlig for at lave standarder inden for telekommunikationsområdet. ITU er en organisation under FN. Fordelen ved at standardisere de protokoller som netværksudstyr skal følge er, at alle producenter har adgang til disse standarder, så der er ingen der har monopol på fremstilling af udstyr. Dette betyder generelt lavere priser på udstyr, hvilket naturligvis er til gavn for brugerne. COM•DTU 207 Optiske horisonter Nåtr telefonen melder optaget kapitel 11 Lars Staalhagen, Lektor Optiske horisonter 208 Villy Bæk Iversen, Lektor COM•DTU
© Copyright 2024