автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Исследование процессов обмена информацией в канале D базового доступа к ЦСИО

#

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ связи им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА

На правах рукописи УДК 621.395.345 (043.3.)

МОХАМАД ГАССАН

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ В КАНАЛЕ О БАЗОВОГО ДОСТУПА К ЦСИО

Специальность 05.12.14 — Сети, узлы связи и распределение информации

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

С.-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена в Электротехническом институте связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель — к. т. н., проф. ФАНЬ ГЭН-ЛИНЬ.

Официальные оппоненты: д. т. п., с. н. с. В. П. ЧУРКИН, к. т. н„ доц. Г. Г. ЯНОВСКИЙ.

Ведущее предприятие ЛОПИПС.

Защита состоится "нюня 1993 г. на заседании специализированного совета К 118.01.01 при Электротехническом институте связи им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 101065, г. Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан « 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

В. X. ХАРИТОНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее ;пекткв;шх направлений развития и совершенствования систем зи является тювыаение эффективности систем распределения ин-«ации. Тенденция объединения различных служб связи в единую ро сеть привела ,к созданию цифровой сети связи интегрального нуживания ( ISDN ), позволявшей абоненту сети получать различ-услуги посредством единых унифоцированных аппаратных-, программе средств.Цифровая сеть интегрального обслуживания (ISDN) со-ётся на базе цифровой телефонной сети с использованием иифро-узлов коммутации и межстаниионных каналов , существующих линий зсурсов системы обдеканал ьной сигнализации . Для сигнализации в Э на абонентском участке применяется средства О - канала,' g на зтанционном участке - обдеканал ьная система сигнализации * ОКС К 7). В настоящее время во многих проиышленно -развитых Ешах уже началооь иирокое внедрение цифровой сети-интегрального >уживания ( ISDN ). Для создания цифровой сети интегрального нуживания предполагается использование различных типов кана, имеющих различные скорости передачи . Одной из первоочередных ач по внедрений ISDN) является создание средств доступа к О для многофункциональных абонентских пунктов. МККТТ рекомгн-т для этой цели базовый доступ С 23 + Jj ) и первичный доступ ОВ + Ф).При базовом доступе информация пользователя ЦСИО пере-тся по двум В-каналам со скоростью 64 Кбит/с в каждом , а ин-мация сигнализации^ -информация) по каналу Z) со скоростью 16 т/с .По каналу ¡0 кроме информации сигнализации передается и *н-мация телеметрии (тип a "t )и н"зкоскоростная пакетная информация ипа р ). Поэтому исследс-ание обмена информацией по каналу ) при реализации базового доступа к t'CHO и на основе этого

г

исследования разработка математической модели и методов расчё-вероятностно - временных характеристик качества функционировав канала /О базового доступа к 11СИ0 является актуальной задачей имеет вполне самостоятельное значение.

11 е л ь : и задачи работ ы.Целы> диссертаииоь ной работы является исследование протоколов функционирования ке нала Т) базового доступа к ЦСИО и на основе этого исследован» определение вероятностно - временных характеристик качества фуни ционирования канала £) . Для достижения поставленной цели диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ принципов структурного построения средств доступ к ЦСИО и выявление оообеннортей средств, базового доступа к ЦСИО

2. Анализ процессов обслуживания вызовов в ЦСИО.4

3. Определение характеристик информации. ; передаваемой поО каналу базового доступа к ЦСИО.

Ц. Разработка математической модели функционирования канала

5. Анализ и оценка вероятностно-временных характеристик качества функционирования канала О при реализации базового доступ! к ЦПИО.

6. Разработка программы статистического моделирования обмен! информацией по каналу £) и оценка достоверности аналитически] методов анализа процесса передачи информации по каналу О .

Методы исследования. В основу проводимы) исследований положены методы теории массового обслуживания, те ори I вероятностей , теории телетрафика, теории автоматических систе» коммутации, теории алгоритмов и теории статистического моделирования.

Новые научные оезультаты, положения, выносимые на эацит у, состоят в следующем:

1. В результате анализа принципов структурного построения ютв доступа к - ЦСИО выявлено , что канал О при реализации, яого доступа обслуживает до восьми терминалов и по нему <е сигнальной информации передаётся и информация типа "Ь и соскороотиая пакетная информация р со скороотьа до 16 Кбит/с.

2. Исследован протокол обмена информацией в канале О базо->1 доотупа к ЦСИО, а также приводятся данные обмена в'канале X) • >зультате чего определено математическое.ожидание и дисперсия ш команд , распределённой по экспоненциальному закону.

3. Разработана математическая модель обмена информацией по иу О базового доступа к ЦСИО , определены аналитические (улк для расчёта среднего времени ожидания начала обработки в «шальном контроллере, среднего времени ожидания начала переда-»¡формации по каналу £) и времени пребывания в системе для ¡тов всех типов.

4. Разработан метод расчёта вероятности о-в ре меннах характе-гик С ВВХ ) качества функционирования ханала О пря реализация лого доступа к ЦСИО.

5. Приведены расчёты на ЭВМ и получены данные, позволявшие [злости уточнённув оценку качества функционирования канала "О •

6. Получено экспериментальное подтверждение правильности птжчеоязх результатов о яоиочьв моделирования процесса обкена фмацией по каналу О на ЗВН.

Практическая ценность проведённых юдоваихй в работе позволяет:

- оценить какой тип НП ( микропроцессора ) следует выбрать построения терминального устройстве;

- определить максимальную загрузку канала базового доступа !И0 для вирокого диаяозоиа интеиоивноотей поступшщих потоков

информации в терминальный контроллер;

_ - разработать аналитический метод оценки ВВХ при двухфаз! обслуживании пакетов для процесса обмена информацией по каналу;

- раосчитать вероятностно-временные характеристики и про] вести инженерные расчёты при разработке и проектировании 11СИ1 базовым доступам;

- на основе разработанного пакета программ для имитацион! го моделирования обмена информацией по каналу Т) ,не прибег к аналитическому методу , исследовать и получить ВВХ для оце1 качества функционирования канала О базового доступа к ЦС1

Апробация работы. Основные положе! диссертационной работы докладывались и обсуждались: ■

на научно-технической конференции профессором - препода: тельского состава ЭИС им.проф.М.А.Бонч-Бруевича ;Санкт-Петерб; 1992 г;

на научных оеминарах кафедры АЭС ЭИС им . проф. М.А.Б01 Бруевича, Санкт-Петербург, 1989-1992 гг.

Вклад автора в иооледован! проблемы. Основные научные положения, теоретические выв< и практические рекомендации, содержащиеся в диссертации, получ* автором самостоятельно.

Публикаций. По результатам проведённых исследо! ний опубликовано 2 печатные работы.

Структура диссертационной раб т ы . Диссертационная работа состоит из введения , четырёх гл заключения , описка литературы и приложений . Основной те: диссертации, изложен на страницах машинописного текста,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Введение. Обоснована актуальность темы исследования, ормулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные зультатм в диссертации, приведены основные положения, выносимые защиту, пояснены структура и объём диссертации , определена нность результатов исследования.

В первом разделе исследованы структуры средств ступа к 11СИ0.В результате чего выявлено,что для проектирования НО приходится решать ряд важных задач по выбору методов комму-ции,расчёту пропускной способности КС и системы управления и роятностно-временных характеристик сети.

Для исследования процесса обмена информацией по /О -каналу я реализации базового доступа к 11СИО были рассмотрены основные эбенности функционирования. По каналу >0 передаётся информация зличных типов. На основе исследования протоколов функционирова-я канала О .выявлено, что процесс обслуживания заявок в канале зольно сложный, так как обслуживание в терминальном контроллере >исходит по приоритетным уровням, а в канале /О от* различия не ;дусмотрены. При построении базового доступа возможно подклв-гь до восьми терминалов к одному абонентскому стыку. Задача эеделения вероятностно - временных характеристик является одной основных проблем при проектировании ИСИО , поскольку такие )актеристики являются основными техническим* результатам* *с-;дования обмена информацией по каналу £) при реализации базово-доступа к ИСИО.В данной работе предлагается метод оценки функ-жирования канала О , который сводится к нахождение среднего ¡меня пребывания заявок всех типов,поступающих в терминальнне ироллеры, и вероятность условных потерь.

Во втором разделе разработана математичес модель функционирования канала Т) на базе аналитической мол С НО М/М/1.С цель» определения закона'распределения в ре о занятия терминального контроллера в работе проводилось иссле вание элементов ЦСИО . В основном внимание уделяется проток обмена информацией в канале О базового доступа ЦСИО . На осн детального исследования данных обмена информацией в канале определены типы звеньевых команд, их частота появления в ЧНН одного ¿изова , а также типы и длины сетевых команд и их част появления , на основании чего определяются параметры длины ком - математическое ожидание и дисперсия . Так как основное вр обработки команд микропроцессором включает в себя запись и чте этих команд в памяти , то приблизительно можно считать вр обработки команд пропорционально её длине.Н^ основе приближённ равенства иагематического ожидания М[*] и средне квадратическ отклонения <оС^1 в работе получено , что распределение дл команд в терминальном контроллере пЬдчиняется экспоненциальн закону . Безусловно и то , что время занятия самого канала , передачи этих команд также должно быть экспоненциальным. В раб: получена формула для определения плотности распределения дл]

_й /V-'/) I

команд . где р * На оскове сопоставле!

практических значений частота появления сообцений за 41

полученная на основе анализа процесса обмена сообщений по каш Ъ согласно протокола Ш-Ъ ) с аппраксимированкым значен! £(У) получено хороиее совпадение, за исключением в области к< ротких сообщений (7-8 байтов ).

Процесс обработки информации по каналу £) базового доступ! ЦСИО можно представить в виде однолинейной двухфазной сисл массового обслуживания СМО с ожиданием и приоритетным обслужи: нием на первой фазе,а на второй фазе-в виде системы с иикличес!

г

¡луживанием. Для описания средней временной задержки информации санале О в работе были рассмотрены основные характеристики той фазы обслуживания.

Процесс обслуживания на первой фазе представлен в аиле:

! Ущ- 4-мерный пуассоновский поток, М - экспоненциальная ??В обслуживания пакетов, { - один обслуживающий прибор (терминальный контроллер),

- число мест для ожидания,

- дисциплина обслуживания пькетов с относительным приоря-

гом.

Процесс обслуживания на второй фазе представлен в виде:

м'л1м11/г^ **>/<£ >

! - входящие пуассоновские потоки,

- экспоненциальная ФРВ обслуживания,

^ - один обслуживающий прибор ( канал ), р - число мест для ожидания,

(Л- дисциплина обслуживания пакетов без приоритета, в циклимом обслуживании.

С целью определения среднего времени ожидания начала обрати в терминальном контроллере для пакетов всех типов в работе :дены следующие, обозначения: Лд- интенсивность входящего потока В ; Ду интенсивность потока пакетов Э ( сигнализация }; интенсивность потока пакетов ( телеметрия );

интенсивность потока пакетов р ( низкоскоростные данные );

•Ьв- среднее время обработки входящего пакета В ; "Ц- среднее время обработки сигнального пакета 5 ;

/

.8

"Ь-ь - среднее время обработки телеметрического пакета ;

"Ер - среднее время обработки пакета низкоскоростных данных между Д. Л® •• А*. Яр установлено относительно приоритетно отношение . На второй фазе от каждого,терминального контроллер поступает поток пакетов в канал X) , интенсивность которого рави рЛв + Д? + + Ар , где Р -доля входящих пакетов, вызывавши ответное действие,С I - Р ) уходит из системы. В работе, чере 1-к обозначена средняя длина кадра всех типов,тогда среднее врем передачи по каналу определяется : тЕ^ = , где5д

скорость передачи . Все терминальные контроллеры находятся в оди наковои положении. Контроллер,получивший доступ к каналу ф, - пе редаёт все накопленные кадры и даёт возможность другим кон^ролле рам занять к&нах• На основе формулы Полячека-Хинчина и с помощь теоремы Литла получена общая формула для определения среднег времени ожидания каждого приоритета:

Для информации высшего приоритетного уровня среднее время ожида яг. -

Щ- И]

а для других приоритетных уровней среднее время -ожидания определяется по следующим формулам:

о-АМ-*-«] V ( )

__tu\

>аботе также получена формула для определения среднего времени «Дания начала передачи по каналу Í) :

и гпиш jtilL, (5)

! U - постоянное время переключения прибора или 7/Sq, fV - число поступающих потоков, в данном случае М«8 , А- интенсивность поступающего потока ^

Л=рЛв+As+A-t+Лр

Ь- моменты времени обслуживания , р- коэффициент использования системы Р»вЬА • lee время пребывания в системе определяется как сумма времени Убывания на первой и второй фазах системы для

пакетов типа g : Те =^8 + Wk+^k , ^

пакетов типа s Ts = Ws + "ts + VVfc4-t.K M

пакетов типа t ft- Щ + tt+ W*-+-Ík , (S)

пакетов типа p : fp_ + tp + t* • (э)

Полученные аналитические формулы важны для опенки качества кционирования канала О при реализации базового доступа.

В третьем разделе разработан метод расчёта, оятностно - временных характеристик ( ВВХ ) процесса оба информацией по каналу Z) базового доступа к ПСИО.

Особенность разработки такого метода обусловлена тем , что луживание вызовов з терминальном контроллере происходит по оритетным уровням, а в самом канале 0 по циклическому способу учёта приоритетов, отсюда следует необходимость рассматривать 1ал Т) как физический объект , оостоящий из двух отдельных фаз. Для расчёта среднего времени ожидания в работе разраоотаид

методика определения ингенсивностей , . и .Яр ,

На основе формул С 1 ), ( 2 ).. ( 3 ), ( V )поотроею графики зависимостей среднего времени ожидания от загрузки 1

терминальном контроллере для заявок всех типое <

Л л я процесса обработки всех тнпои информации в терминально« контроллере получена функция распределения времени ожидания свыпе допустимого времени при относительном приоритете обслуживаню следующего вида: .(о^и

=&*(*«*> о) е , Ш

где = АТ(Д ,

Ятк - + Ь + Лр >

■Ь - среднее время обработки пакета в терминальном контроллере, при расчёте

X + . 4- МЪ* 4- .Яр»* /.л

* ^ -' { 1

В выражении С И ) "Ь - время обработки заголовка;

Паз ГЦ., Пр- число байтов сообщения каждого поступавшего потока,'

X - среднее время обработки одного байта ; среднее время ожидания начала обработки в терминальном контроллере к-го типа;

Лтк- поступавшая нагрузка в терминальный контроллер от заявок всех типов.

Функция' распределения времени ожидания свыше допустимог

рекени для пакетов всех типов заявок принимает вид:

. да

огласно формуле (12 ) имеем

ъ(£*№На

Полученные выражения позволяют оценить ВВХ терминального >итроллера при относительном приоритете обслуживания и при раз-1чных интенсивностях поступающих потоков заявок.

В зтои разделе также разработан метод расчёта ВВХ на ЬшроЯ 1зе , т.е. в канале 7) .

Получена функция: распределения времени ожидания начала пере-чи заявок по каналу О в виде

е »Р - коэффициент использования канала,

1%.- среднее время ожидания начала передачи по каналу, , "¿"д- допустимое время ожидания, ражения ( (3 ) и ( 5 ) позволяют определить вероятности ювных потерь в канале и допустимую максимальную загрузку кана.

Разработан алгоритм и программы расчётов среднего временя идания начала обработки информации в терминальном контроллере я всех типов заявок , среднего времени ожидания начала передачи

по каналу и вероятность условных потерь при относительнь приоритетных уровнях на первой фазе и при циклическом обслуживе нии на второй фазе на ЭВМ ЕС -1035 ( на языке ФОРТРАН ).

Приводятся графики зависимостей

3 $ Т5=ПР) = ЯР) 3Tp.fi

На основе анализа полученных результатов установлено , 41 основные задержки заключается в ожидании начала передачи по каш *У » т*е* на второй фазе, а в терминальном контроллере (перве фаза)ожидание фактически отсутствует.Таким образом для построен« терминального устройства при реализации базового доступа к ЦС1 вполне приемлимо использовать терминальный контроллер с небольис скоростью обработки информации. В работе также показано,что мож* максимально загрузить канал £) до 0,5 Эрл, после чего происходи резкое увеличение времени ожидания..,.

Четвёртый раздел. Из-за сложности аная» тического описания Функционирования канала 50 в работе был еде лан ряд допущений, которые вносят определённые искажения. С цел] оценки достоверности аналитических методов исследования в рабоч было проведено имитационное моделирование функционирования канш на ЭВМ. Сопоставление результатов моделирования, полученш о помощью ЭВМ, с аналитическими результатами показывает, что рас хождение между расчётными и экспериментальными методами не прев! ■ает 15Л.

1*3

Таким образом , проведённое исследование функционирования нала Л} подтвердило правильность выводов и расчётов, полученных диссертационной работе.

В заключении сформулированы основные выводы, лученные в результате проведённых исследований.

В приложениях содержится составленная для ЭВМ языке ФОРТРАН 12 программа расчёта ВВХ функционирования нала 3 , а также приведена программа статистического моделиро-ния.процесса обмена информацией по" каналу © при реализации зового доступа к 11СИ0. Программа моделирования на ЭВМ написана языке •

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования,выполненные в диссертационной работе, позволяют эрмулировать следующие основные результаты:

1. Произведено теоретическое исследование протоколов функ-энирования канала £) , позволяющее сформулировать конкретные вачи исследования.

2. На основе исследования элементов ЦСИО удалось определить ьём информации »передаваемой по каналу /Э . Детальное изучение рматов сообщений- показывает приближённое равенство между значении математического ожидания и средне квадратического отклоне-я длини команды (сообщения), обмениваемой по каналу X) *> можно кближёкно считать,что длина сообщения распределена по экспонен-

3. Разработана математическая модель функционирования канала > при реализации базового доступа к ЦСИО.

4. Получены аналитические выражения для расчёта вероятност-- временных характеристик в терминальном контроллере и в

канаде О •

5. На основе анализа вероятностно - времешш* характерно! функционирования канала £) базового доступа к 11СИ0 можно сделе вывод , что основная причина задержки _информации заключается ожидании начала передачи по каналу X) * который рекомендуем максимально загрузить до 0,5 Эрл.

6. Разработана имитационная модель процесса обмена инфор» ции по каналу £) путём моделирования на ЭВМ. Сопоставление р зультатов моделирования с результатами расчёта.предложенными а« литическими формулами , показало достаточную степень совпадения точки зрения инженерного приложения результатов исследования д проектирования и внедрения ЦСИО.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Иухамад Гассан. Математическая модель для определен средней • временной задержки информации в канале базово доступа к ЦСИО //Сети связи и распределение информации: Сб.науч тр.учеб.завед.связи / ЭИС.- СПб, 1991.- * 154,с.84 - 88.

2. Цухамад Гассан. Характеристика информации,обменивав по каналу X) базового доступа к 11СИ0: Сборник науч.тр. ,//ЭИС.--СШ, 1593. - * 157 (в печати)