Разработка методов и алгоритмов моделирования вторичных сетей передачи дискретной информации

Развитие экономики России связано с внедрением современных средств связи, требует решения задач технического и программного оснащения связи, в частности, систем и сетей передачи дискретной информации. Актуальной является задача поиска новых методов исследования и внедрения средств автоматизированной разработки и проектирования сетей передачи дискретной информации (СПДИ) на выделенных линиях связи.

Средства связи и телекоммуникаций применяются в России преимущественно разработанные и изготовленные за рубежом. Однако самостоятельно разработанное системное программное обеспечение позволяет говорить об относительной независимости средств связи. Это особенно делает актуальным активизацию работ в области проектирования и внедрения средств передачи и обработки дискретной информации, прежде всего, с целью производства отечественного оборудования и программного продукта, способных конкурировать с аналогами ведущих зарубежных компаний.

В области средств связи и СПДИ работали многие известные ученые: Д. Барбер, И. Джекобс, Д. Дэвис, Д. Мартин, В. Феллер, Е. В. Базилевич, Э. Л. Блох, В. А. Вейцель, В. Н. Рогинский, В. Г. Давыдов, Г. П. Дивногорцев, Г. А. Емельянов, Г. П. Захаров, В. А. Игнатов, Д. Д. Кловский, В. Г. Лазарев, И. А. Мизин, В. И. Нейман, О. В. Попов, Б. В. Рощин, Е. Н. Сальников, Р. Л. Стратонович, И. М. Тепляков, В. Я. Турин, Л. С. Уринсон, А. Г. Усольцев, В. О. Шварцман и многие другие.

Особо актуальными являются задачи проектирования вторичных СПДИ и организации их оптимального функционирования на выделенных линиях связи. Оптимальное функционирование сетей зависит от управления потоками сообщений и требует применения методологии системного анализа. Из-за аналитических трудностей, связанных с большим числом параметров, нестационарностью характеристик потоков передаваемых сообщений, наличием последействия, получить адекватные математические модели СПДИ практически невозможно. СПДИ по совокупности признаков относятся к классу больших систем [1].

К числу работ, в которых изложены методы системного анализа, а также системные подходы к решению задач на сетях передачи дискретной информации следует отнести работы [2−8]. Основное достоинство изложенных в этих работах методов состоит в их эволюционном характере, возможности разработки новых методов для формализованного описания СПДИ, разработки адекватных моделей и получения практических решений. Достоинство системного анализа состоит в том, что он объединяет формальные и эвристические подходы [3].

Исследованию передачи данных в телефонных сетях, изложению принципов построения вторичных сетей передачи данных, управления информационными потоками, описанию протоколов, моделированию сетей передачи данных посвящено много работ, среди которых существуют работы [4,5,9,10 и др.], в которых применены методы системного анализа.

При решении задач проектирования СПДИ синтез оптимальной структуры сети и управление распределением потоков сообщений — наиболее сложные задачи. Известны работы [4,10 — 19 и др.], в которых изложены различные аспекты решения данных задач.

Задача построения оптимальных СПДИ относится к числу важнейших научно-исследовательских задач, требующих решения при заданных ограничениях. При решении задачи синтеза оптимальной структуры СПДИ выбирают критерии оптимальности. Одним из наиболее часто встречаемых критериев оптимальности является время доставки сообщений [5,11,12,20 — 22].

Определим основную задачу проектирования и исследования вторичных СПДИ.

Существует задача оптимального с точки зрения затрат синтеза структуры вторичной СПДИ на первичных линиях связи. Требуется выбрать такую структуру сети и такие методы управления потоками сообщений, чтобы аренда каналов связи была оправданной, т. е. сеть передачи дискретной информации приносила наибольшую прибыль при наименьших эксплуатационных издержках и полном удовлетворении требований абонентов сети. Помимо оптимизации затрат на аппаратурную часть сети существуют затраты, определяемые временными задержками при передаче информации по каналам связи. Эти затраты определены во-первых законами (способами) управления распределением потоков сообщений по направлениям коммутации, а во-вторых правилами доступа абонентов в канал связи.

Традиционные аналитические модели исследования функционирования сетей передачи данных мало эффективны, т.к., как было указано выше разработать достаточно адекватные математические модели нет возможности, поэтому требуются эвристические подходы к решению данных задач.

Математические модели для расчета трафика в сетях передачи дискретной информации разрабатываются, как правило, с применением математического аппарата систем массового обслуживания (СМО) [5,23 — 27]. Однако, данные модели не позволяют аналитически решать задачу выбора маршрутов для передачи сообщений с обеспечением минимального времени доставки сообщений. В работе [28] разработан эвристический метод синтеза оптимальной структуры вторичной СПДИ, как симбиоз аналитического моделирования [29] и эвристического анализа.

Объединение методов математического моделирования и эвристических подходов эффективно, т.к. неформальные, экспертные методы системного анализа позволяют анализировать ситуации, соответствующие реальному процессу функционирования СПДИ. Однако, в работе [28] недостаточно уделено внимания математическому моделированию, алгоритмизации процессов доступа абонентов в сеть передачи дискретной информации. Исследование доступа абонентов — важная задача, т.к. при синтезе вторичных сетей всегда существует два антагонистических критерия — степень использования (загрузка) выделенных каналов связи и время ожидания при передаче/приеме сообщений абонентов. Существенным фактором является порядок доступа, определяющий возможность возникновения коллизий.

Применение аппарата СМО позволит разработать математические модели и программные приложения для определения оптимального числа абонентов, которых можно «подключить» к каналам СПДИ.

Диссертационная работа посвящена разработке аналитико-эвристических методов моделирования и синтеза структур, вторичных СПДИ, направленных на эффективное соотношения степени использования выделенных каналов связи и времени ожидания абонентов сети. Это определяет и подтверждает актуальность диссертационной работы.

Диссертационные исследования в практическом приложении направлены на разработку системных методов синтеза и исследования вторичных СПДИ, а также на создание проблемно-ориентированного прикладного программного продукта для решения задач оптимизации процессов функционирования сети.

Цель диссертационной работы состоит в развитии системных методов синтеза оптимальных по эксплуатации и времени доставки сообщений вторичных СПДИ.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

— исследование особенностей организации и моделирования вторичных СПДИ;

— разработка моделей для исследования времени задержки сообщения в сетях передачи дискретной информации в виде характеристических функций и функций распределения реального времени;

— разработка моделей для исследования периода занятости и времени ожидания в сети поступающих сообщений;

— разработка метода исследования коллизий;

— разработка имитационной модели для исследования коллизий;

— разработка критерия для оценки эффективности вторичной СПДИ;

— разработка метода синтеза вторичных СПДИ.

Объектом исследования в диссертационной работе являются вторичные СПДИ, модели управления доступом абонентов к каналам сети с учетом допустимого времени.

Математическими методами исследования в диссертационной работе являются теория построения сетей передачи данных, принципы системного анализа, методы функционального анализа, теория массового обслуживания, теория вероятностей и математическая статистика.

Методологическую основу работы составляет концепция системности, суть которой — представление и исследование моделей СПДИ применительно к задачам синтеза вторичных сетей и управления доступом абонентов к каналам сети. В экспериментальных исследованиях применялось моделирование на ЭВМ.

Поставленная цель диссертационной работы и сформулированные в соответствии с целью задачи позволили получить новые научные результаты в области математического моделирования и проектирования вторичных СПДИ.

Новыми научными результатами диссертационной работы, выносимыми на защиту, являются:

— модели времени задержки сообщения в сетях передачи дискретной информации, модели периода занятости и времени ожидания в сети поступающих сообщений;

— метод исследования коллизий, отличающегося применением аналитического и имитационного моделирования и позволяющего вводить реальные параметры доступа в канал абонентов (станций) сети и получать оценки вероятностей возникновения коллизий;

— метод синтеза вторичных СПДИ, отличающийся от известных интегрированным учетом важнейших показателей сети: задержек при передаче сообщений абонентов, простоев оборудования сети, достоверности передачи сообщений и интенсивности отказов оборудования.

Практическая ценность результатов исследований состоит в применении полученных результатов для решения задач предприятий связи, а также в применении программного обеспечения для задач синтеза вторичных СПДИ, определения числа абонентов сети.

Диссертационная работа состоит из четырех разделов, заключения и двух приложений.

В первом разделе рассмотрены особенности организации, а также моделирования вторичных СПДИ. Определена вторичная сеть, как сложная система, образуемая на первичной сети. Рассмотрена классификация устройств систем связи. Отмечена необходимость применения эвристических методов системного анализа СПДИ, как неформальных методов, требующих научных исследований. Основными критериями являются время доставки сообщений, надежность сети, стоимость, достоверность передачи информации.

Рассмотрены задачи моделирование СПДИ, формально определены этапы моделирования, входные и выходные параметры, вектор состояний. Выполнен анализ протоколов и стандартов СПДИ. Обосновано применение моделей систем массового обслуживания для исследования доступа абонентов к каналам связи и для оценки времени задержки сообщений.

Во втором разделе выполнены аналитические исследования времени задержки сообщений, периода занятости и времени ожидания поступления сообщений в сеть.

Исследовано время задержки сообщения для СПДИ с радиальной структурой при пуассоновском потоке сообщений и произвольном распределении длительности передач, СПДИ с шинной топологией при передаче сообщения с абсолютными и относительными приоритетами, при пуассоновском потоке сообщений и произвольном распределении длительности передач. Получены характеристические функции распределения времени задержки для нестационарного и стационарного потоков сообщений.

Приведены модели для исследования времени задержки при эрланговском входном потоке сообщений, модели для исследования периода занятости. Выполнено исследование для определения времени ожидания в сети поступающих сообщений.

В третьем разделе диссертационной работы разработан метод исследования коллизий, отличающийся применением аналитического и имитационного моделирования и позволяющий вводить реальные параметры доступа в канал абонентов (станций) сети и получать оценки вероятностей возникновения коллизий.

Выполнен анализ существующих методов доступа к каналу. Рассмотрены основные стандарты случайного доступа: непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный. Разработаны математические модели для исследования коллизий. Разработана имитационная модель для исследования коллизий.

В четвертом разделе решена задача разработки метода синтеза вторичной СПДИ, отличающегося от известных интегрированным учетом важнейших показателей сети: задержек при передаче сообщений абонентов, простоев оборудования сети, достоверности передачи сообщений и интенсивности отказов оборудования.

Применение аналитических методов в данном случае позволило решать задачу выбора оптимальных параметров сети, в первую очередь времени передачи сообщений абонентов за счет того, что влияние показателей сети сведено к стоимостным выражениям.

При разработке метода синтеза вторичной СПДИ рассмотрены принципы построения вторичных СПДИ. Определена задача синтеза вторичной сети, как задача поисковой оптимизации и рассмотрены варианты решения задачи.

Выполнено исследование эффективности функционирования сетей с шинной и радиальной топологией в зависимости от изменения коэффициента загрузки, длительности и функции распределения времени передач сообщений, длины кода, его избыточности, суммарной интенсивности отказов элементов сети, частоты импульсных помех, стоимости системы и каналов связи. Определены условия выбора допустимых задержек сообщений каждого из приоритетов и времени передачи сообщений.

Заключение

содержит выводы о работе.

В приложениях приведены разработанные алгоритмы, описание программного приложения для исследования коллизий, а также результаты исследования коллизий в каналах сети.

Результаты работы внедрены:

— на предприятии;

— в госбюджетной НИР 13 158 «Разработка методов моделирования и проектирования программно-аппаратных средств распределенных информационно-управляющих систем»;

— в учебном процессе на кафедре систем автоматического управления Таганрогского государственного радиотехнического университета. Научные и практические результаты, полученные в диссертации и изложенные в 12 статьях, отчете по госбюджетным НИР, использованы при подготовке и чтении лекций по дисциплинам «Информационные обмены в сложных системах», «Сети ЭВМ и телекоммуникации», постановке лабораторных работ на кафедре систем автоматического управления Таганрогского государственного радиотехнического университета. Экономический эффект от внедрения составил 376 тыс. руб. Основные результаты докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской научной конференции с международным участием молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии: разработка и аспекты применения» (Таганрог, 2001) — на третьей международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002» (Санкт Петербург, 2002) — на Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (Таганрог, 2003) — на VIII международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт Петербург, 2004) — на VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2004) — на IV международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2004) — на Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР» (Таганрог, 2005) — на Международной научно-практической конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (Таганрог, 2005).

По теме диссертации опубликованы монография, три статьи и восемь тезисов докладов на научных конференциях разного уровня.

Диссертация содержит 204 страницы машинописного текста, включая введение, четыре раздела, заключение, приложение на 52-х страницах, список литературы из 103 наименований на 6 страницах, 100 таблиц, 58 рисунков.

Результаты работы внедрены на предприятии ФОАО «ЮТК» «КЧЭлектросвязь" — ООО «Цифровые Телефонные Сети», при выполнении в Таганрогском государственном радиотехническом университете госбюджетной НИР «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий», а также в учебном процессе на кафедре систем автоматического управления Таганрогского государственного радиотехнического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Внедрение современных средств связи требует решения задач оптимального технического и программного оснащения СПДИ на выделенных линиях связи. Оптимальное функционирование сетей зависит от управления потоками сообщений и требует применения методологии системного анализа. Объединение методов математического моделирования и эвристических подходов эффективно, т.к. неформальные методы системного анализа позволяют анализировать ситуации, соответствующие реальному процессу функционирования СПДИ.

Тема диссертации актуальна, так как посвящена разработке аналитико-эвристических методов моделирования и синтеза структур вторичных СПДИ, направленных на оптимизацию соотношения степени использования выделенных каналов связи и времени ожидания абонентов сети. Диссертационные исследования в практическом приложении направлены на решение задач оптимального синтеза вторичных СПДИ, задач предприятий связи, разработку и применение программного обеспечения для задач синтеза вторичных сетей.

В диссертационной работе была поставлена цель развития системных методов синтеза оптимальных по эксплуатации и времени доставки сообщений вторичных СПДИ.

Получены новые научные результаты:

— модели времени задержки сообщения в сетях передачи дискретной информации, модели периода занятости и времени ожидания в сети поступающих сообщений;

— метод исследования коллизий, отличающийся применением аналитического и имитационного моделирования и позволяющий вводить реальные параметры доступа в канал абонентов (станций) сети и получать оценки вероятностей возникновения коллизий;

— метод синтеза вторичных СПДИ, отличающийся от известных интегрированным учетом важнейших показателей сети: задержек при передаче сообщений абонентов, простоев оборудования сети, достоверности передачи сообщений и интенсивности отказов оборудования.

Для получения новых научных результатов в диссертационной работе решены следующие задачи:

— исследованы особенности организации и моделирования вторичных СПДИ;

— разработаны модели времени задержки сообщения в сетях передачи дискретной информации в виде характеристических функций и функций распределения реального времени, модели периода занятости и времени ожидания в сети поступающих сообщений;

— разработан метод исследования коллизий и имитационная модель для исследования коллизий, предложен критерий для оценки эффективности вторичной СПДИ;

— разработан метод синтеза вторичных СПДИ.