автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Модели параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией сетей передачи данных специального назначения

На правах рукописи СВИНЦОВ Александр Александров/^/" б О Л

'"К

МОДЕЛИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА АЛГОРИТМОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.13.16- «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях» (технические науки в области средств автоматизации и связи)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 2000

Работа выполнена на кафедре информационно-технического обеспечения ОВД Воронежского института МВД России.

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Сысоев В.В.

Научный консультант:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Крутских П.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Коренной A.B.

кандидат физико-математических наук, доцент, Горбатенко В.В.

Ведущая организация:

Федеральный научно-производственный

центр "Воронежский НИИ связи'

Защита состоится " 25 " июля 2000 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета К052.17.01 при Воронежском институте МВД России по адресу: 394065, г. Воронеж, уд. Проспект Патриотов, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского института МВД России.

Автореферат разослан " 24 " июня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основной особенностью применения систем передачи данных специального назначения является то, что при их развертывании в силу ряда причин невозможно обеспечить нормальные условия функционирования с точки зрения электромагнитной совместимости с радиоэлектронными средствами, эксплуатирующимися в регионе, а также влияния индустриальных и других помех в спектре электромагнитных волн. Возможны также преднамеренные помехи, создаваемые системами радиоэлектронного подавления (РЭП). Недостаточный учет реальных условий функционирования систем передачи данных специального назначения может привести к существенному снижению качества передачи информации в условиях существенной неопределенности характеристик помеховой обстановки.

С другой стороны, интенсивные процессы стандартизации и унификации аппаратного и программного обеспечения обмена информацией обусловливают экономическую нецелесообразность создания узко специализированных систем радиосвязи.

Одним из наиболее эффективных путей разрешения данного противоречия в практике рассматриваемой предметной области является развитие методов параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией, обеспечивающих оптимальную настройку стандартных алгоритмов применительно к реальным условиям, характеризующимся состоянием помеховой и информационной обстановки.

При этом применение известного научно-методического аппарата сопряжено с рядом трудностей, связанных с кгличественной оценкой эффективности того или иного варианта организации процесса обмена информацией в сетях передачи данных специального назначения (СПД СН) и выбором параметров алгоритмов обмена информацией, обеспечивающих заданное значение показателя эффективности функционирования СПД СН в реально ожидаемой обстановке.

Это связано с тем, что в настоящее время проблема обеспечения помехоустойчивости систем радиосвязи решается в основном за счет синтеза оптимальных методов различения сигналов на фоне помех, а также применения различных способов помехозащиты на физическом уровне функционирования радиосистем. При синтезе алгоритмов обмена информацией основное внимание уделяется проблеме их надежности и выбору компромисса между их эффективностью и величиной ресурса системы, необходимого на поддержание их функционирования.

Задача обеспечения помехозащищенности систем радиосвязи за счет выбора оптимальных для заданных условий параметров алгоритмов обмена информацией ранее не ставилась. Вследствие этого задача обеспечения помехоустойчивости СПД СН в реальных условиях функционирования решена не полностью.

Цели и основные задачи диссертационной работы. Целью диссертационного исследования является разработка моделей параметрического синтеза эффективных алгоритмов обмена информацией в сложной помеховой обстановке инвариантных к предметным областям функционирования СПД СН.

Для достижения поставленной цели решены следующие научно-

технические задачи:

• анализ СГ1Д СН, функционирующих в сложной помеховой обстановке, как объекта моделирования;

• выбор и обоснование показателей качества обмена информацией в условиях помех, обеспечивающих оценку помехоустойчивости СПД СН и чувствительных к изменению параметров исследуемых алгоритмов;

• формализация задач анализа эффективности алгоритмов обмена информацией и их параметрического синтеза;

• разработка аналитической и имитационной модели процесса передачи данных в сложной помеховой обстановке, на базе которых осуществляется выбор и обоснование состава алгоритмов обмена информацией, и обеспечивающие инвариантность функционирования СПД СН в предметных областях;

• параметрический синтез алгоритмов обмена информацией в условиях векторных оценок эффективности их функционирования;

• разработка программного комплекса, реализующего проведение вычислительного эксперимента;

• внедрение результатов работы в процесс проектирования систем радиосвязи специального назначения.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы. системного анализа, математического моделирования, исследования операций, теории телетрафика, математического программирования и принятия решений.

Научная новнзна и практическая ценность работы.

1. Разработана аналитическая модель параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией линии передачи данных с решающей обратной связью и оконным управлением потоком в условиях воздействия помех (качество функционирования определяется по двум показателям: время задержки и вероятность потери пакета), разработанная с использованием аппарата теории массового обслуживания и отличающаяся от известных комплексным учетом таких параметров алгоритма управления обменом информацией канального уровня как величина окна передачи кадров, число допустимых повторов передачи кгдрг, величина тайм-аута процедуры квитирования, а также таких параметров помеховой среды как характеристики потока помех, распределения мощности помех, распределения видов помех, характеристики потоков сбоев аппаратуры линии передачи данных.

2. Разработана имитационная, параметрически настраиваемая на структуру сети передачи данных, параметры среды генерации и помеховой среды в районе дислокации АСУ СН, модель параметрического синтеза сетевых алгоритмов обмена информацией в СПД СН, отличающаяся от известных тем, что в ней комплексно учтены характеристики коммутационных узлов и особенности реализуемых на них протоколов сетевого уровня, характеристики линий передачи данных и особенности протоколов канального уровня и позволяющая проводить исследования эффективности различных вариантов алгоритмов обмена информацией СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке.

3. Разработана модель выбора рациональных параметров алгоритмов обменом информацией СПД СН, отличающаяся от известных во-первых, решением многокритериальной задачи выбора значений окна передачи кадров, величины тайм-аута и допустимого чис^а повторов передачи кадров алгоритмов канального уровня, во-вторых, решс'' ■ м задачи выбора параметров алгоритма маршрутизации, использующего для выбора маршрутов передачи информации одновременно два критерия: минимум потерь и минимум задержек, а также рекомендации по использованию алгоритмов обмена информацией в СПД СН, функционирующих в сложной помеховой обстановке.

Практическая значимость работы состоит в разработке программного комплекса параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией, который может использоваться в предметных областях САПР, проектирования АСУ и СПД СН; внедрении научных результатов диссертационного исследования в научно-исследовательский и учебный процесс.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, докладывались и обсуждались на следующих Всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях: "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 1999 г.); "Проблемы внедрения новых информационных технологий в жизнедеятельность военного ВУЗа" (г. Тамбов, 1999 г.); "Актуальные проблемы информационного мониторинга" (г.Воронеж, 1998 г.); Воронежской весенней математической школе "Понтрягинские чтения - X" (г. Воронеж, 1999 г.); научно-практических конференциях Воронежского института МВД России (г. Воронеж, 1998, 1999, 2000 г.г.). Результаты работы представлялись на рассмотрение и обсуждение научно-техническим семинарам: кафедры математического моделирования информационных и технологических систем ВГТА; кафедры радиосвязи ТВАИИ; кафедры информационно-технического обеспечения ВИ МВД РФ.

Публикации. Результаты проведенных исследований отражены в 2 отчетах о НИР, в 7 статьях, а также докладывались на 11 научных конференциях и опубликованы в 10 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы -165 страниц. Список литературы содержит 89 наименований отечественной и I зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определяются основные направления исследований, формулируются цели работы, перечисляются основные задачи, решаемые в диссертации, и приводится краткая характеристика работы.

Первая глава. Обоснована общая схема проведения исследований.

Необходимость ее обоснования обусловлена иерархической структурой синтезируемых алгоритмов с одной стороны и требованием, в соответствии с системным подходом, рассмотрения СПД СН как единой системы в динамике взаимодействия и взаимовлияния элементов с другой стороны.

Схему проведения исследования целесообразно представить рядом логически законченных этапов, основными из которых являются следующие. • Исследование зависимостей показателей качества функционирования ЛПД от характеристик алгоритмов обмена информацией канального уровня.

• Исследование границ области допустимых значений параметров алгоритмов обмена информацией канального уровня.

• Применение к полученной области БКП- оператора с целью выделения па-рето-оптимального множества значений вектора параметров алгоритмов обмена информацией канального уровня.

• Качественное исследование влияния показателей эффективности функционирования ЛПД на СПД СН в целом и выбор на этой основе формы условного критерия предпочтения.

• Разработка модели параметрического синтеза сетевых алгоритмов обмена информацией с учетом вложенности модели параметрического синтеза алгоритмов канального уровня.

• Разработка математической модели внешней среды, адекватной условиям функционирования СПД СН.

• Выбор рациональных сетевых алгоритмов и оценка с учетом их эффективности параметров условного критерия предпочтения значений вектора параметров алгоритмов канального уровня.

• Применение условного критерия предпочтения с целью выбора условно оптимального значения вектора параметров алгоритмов обмена информацией канального уровня.

• Сравнительный анализ эффективности синтезированных алгоритмов обмена информацией СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке.

Обоснована структура предмета исследования, которая приведена на рис. 1.

Рис.1. Структура предмета исследования

■ В представляемой работе развивается подход, основанный на выборе в качестве концептуальной модели процесса обмена информацией в условиях помех и основы его декомпозиции эталонной модели взаимодействия откры-

тых систем (ЭМВОС). В соответствии с этим подходом, формализованное описание процесса передачи информации в условиях помех представляется в форме взаимодействия внешней среды (Е) и сетевой среды (М). Е- среду представим совокупностью среды генерации (СЕ- среды) и помеховой среды (\УЕ- среды), К- среду транспортным, сетевым, канальным и физическим уровнями ЭМВОС.

В соответствии с выбранным подходом, в качестве объекта исследования будем рассматривать систему связи специального назначения, а в качестве предмета исследования - информационный процесс, протекающий на четырех нижних уровнях ЭМВОС, с такими значениями внешних информационных параметров и параметров возмущающих воздействий, которые характерны для функционирования систем связи специального назначения.

Обоснованы показатели и критерии оценки эффективности исследуемых алгоритмов (вторая задача исследования).

Для оценивания эффективности функционирования системы связи специального назначения в условиях воздействия помеховой среды и выбора рациональных алгоритмов управления обменом информацией, выбирается обобщенный показатель, чувствительный к изменению условий функционирования системы и параметров применяемых алгоритмами управления обменом информацией.

Наиболее полно качество функционирования СПД СН в условиях воздействия помеховой среды, степень ее соответствия своему целевому назначению, оценивается при сравнении показателей эффективности \УР, полученных в реальных условиях (в условиях воздействия на элементы сети помеховой среды), с эффективностью в идеальных условиях функционирования (без воздействия помеховой среды). Для сценки качества функционирования системы используется пропускная способность, опре деляемая как количество обработанных заявок в единицу времени в заданных условиях функционирования.

В зависимости от целей исследования рассматриваются динамический и интегральный коэффициенты выполнения системой связи функциональных задач, определяемых соотношениями:

N Рг

ЕЕ^А^.о

ЕЕ

Л„4{Л1,1)

¡=1

N Рг

г2

КГГ^-Л' (2)

'Г,

71

>1/=]

где N - количество пар отправитель-адресат (ОА- пар), обслуживаемых системой связи;

Рг - количество приоритетов заявок, обслуживаемых системой связи;

А,, - вес (важность) заявок ¡-го приоритета в обеспечении решения задач

АСУ специального назначения; Ку{А1,1) - количество заявок 1-го приоритета, обслуженных системой связи в условиях воздействия помех; К®(А1,1) - количество заявок ¡-го приоритета, обслуженных системой связи в идеальных условиях.

На основе показателя К1' строится скалярный критерий эффективности функционирования СПД СН.

Функционирование алгоритма канального уровня основано на поддержании приемлемого баланса двух противоречивых показателей, отсюда непосредственно следует векторный характер критерия качества алгоритма ограничения потока канального уровня.

Разработаны постановки научных задач диссертационного исследования, к основным из которых относятся.

1. Разработана аналитическая модель параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией линии передачи с решающей обратной связью и оконным управлением потоком в условиях воздействия помех.

- К У= ^ /Г(рг" ОК^ рисх ^ ц,фу ^ ¡уку^ (3)

Рку = р*у[тку вх,а вх^(РСк1риа<(')Жру^ку), (4)

— XV

где т -- среднее время задержки пакета на канальном уровне, Рку - вероятность потери пакета на канальном уровне, Тку - вектор технических параметров канального модуля, X вх - интенсивность входного потока требований на обслуживание,

- множество оптимизируемых параметров алгоритмов обмена ин формацией канального уровня, ^Рг™*| - дискретное распределение вероятностей появления пакетов

различных приоритетов, риск{1) - вероятность искажения одного бита при передаче, 1~уФУ . вектор параметров помеховой среды физического уровня,

И,ку- вектор параметров помеховой среды канального уровня.

2. Разработана модель выбора рациональных параметров алгоритмов обмена информацией СПД СН.

й - От >■ Ор, Г"У(ТКУ), Р*У\т™), (5)

гку =(г4у .г^ГсТ)

3. Разработана имитационная модель выбора рациональных сетевых алгоритмов обмена информацией СПД С Н, функционирующая в сложной по меховой обстановке.

/-гу=]";^¿/-[г0006(7гу,/г,г,гС1/,,гФУ,^ )]. (б) о

тах КР\(7)

\ I / -ТУ ТУ Т-СУ ТСУ тС:у и '4 .'9 -'Ъ >'4 >УШ

Вторая глава. Разработана аналитическая модель функционирования линии передачи данных с решающей обратной связью и оконным управлением потоком в условиях воздействия помех.

Целью синтеза аналитической модели является решение задачи векторной оптимизации параметров алгоритмов канального уровня, а также описание функционирования ЛПД при моделировании системы в целом. В известной литературе отсутствуют аналитические модели функционирования ЛПД, увязывающие воедино рассматриваемый комплекс факторов, поэтому разработанная модель является новым научным результатом. Получены следующие соотношения, позволяющие учитывать параметры алгоритмов обмена информацией канального уровня при функционировании линии передачи данных в условиях помех.

Результирующая интенсивность входного потока в условиях воздействия помех:

Лу =Аг(1 + Дв-Хв)-(1-Р1вг). (8)

Вероятность однократного возврата кадра: Г^-7зКУ_71У'

;=1

7-ТУ ,,-КУ ,л ТКУ ,.

ха-^иоУ9 '(Гз +'ЧскГз (9)

Математическое ожидание числа возвращений кадра:

ГКУ

7-КУ

-

Р1 -1

1 ГГС 1

(10)

/=] и Математическое ожидание величины отката алгоритма автоматического запроса на повторение:

квз ~ Л у

Р° У

.ГУ

л Та

КУ\

КУ+АТУ

'-('¿г

• р.

пор

ТКУ

4.1 , ТКУ

77 Л

он

(12)

о

т-КУ

Я Ч к=\

В выражениях (8)-(14) введены следующие обозначения. Рп(ут - вероятность

удаления кадра из системы, - интенсивность потока пакетов, впервые постуКУ

пающих на вход (¡Л -й ЛПД; Ту - мощность помехоустойчивого кода по ис-

ТУ

правлению ошибок; Риск - вероятность искажения бита информации; -

КУ

объем информационного пакета; Тд - допустимое число повторных обслужи-~КУ

вании кадра; Уд ) - размер окна алгоритма автоматического запроса на повто-

КУ о

рение; Т42 - величина тайм-аута; У " - вероятность отсутствия информационных пакетов в (],1)- й ЛПД.

Данная аналитическая модель позволяет определить зависимости частных показателей качества функционирования ЛПД от выбранного множества характеристик ЛПД. Причем, характеристики протоколов обменена информацией в соответствии с постановкой задачи являются варьируемыми параметрами при определении множества рациональных решений.

Это позволяет реализовать первый этап решения задачи многокритериальной оптимизации - определение области компромисса. Для этого с использованием аналитической модели в области допустимых решений проводится оптимизация по каждому из частных критериев, что позволяет перейти от исходной области (в нашем случае бесконечной) к ограниченной области, включающей в себя область компромиссов. Далее, учитывая дискретность задачи и ограниченность полученной области, осуществляется непосредственное применение БКП- оператора, что позволяет выделить в области допустимых решений парето-оптимальное множество.

На рис.2 представлены результаты выбора парето-оптимальной области с использованием полученной модели.

Моделирование на ЭВМ показало, что увеличение интенсивности помех приводит к уменьшению доли парето-оптимапьных областей в исходной области возможных решений. Для параметров помеховой среды, характерных для СПД СН, доля парето-оптимальных значений вектора характеристик алгоритмов обмена информацией канального уровня составляет порядка 10% исходного множества возможных значений. Т.о., для исследуемых условий, разработанная модель в сочетании с непосредственным применением оператора безусловного критерия предпочтения позволяет существенно сузить область поиска рациональных значений вектора параметров исследуемых алгоритмов.

• То =4

10

100

Рис.2.

Дальнейшее сокращение области оптимальных значений параметров исследуемых алгоритмов проводилось путем обоснования корректной схемы компромисса и построения на ее основе условного критерия предпочтения.

Анализ показателя эффективности СПД СН показывает, что его значение определяется характеристиками двух основных процессов: во-первых, процесса блокировки некоторой доли обслуживаемых заявок в канальном модуле, обусловленного влиянием помеховой среды; во-вторых, сброса с обслуживания заявок в сетевом и транспортном модуле, обусловленного превышением допустимого времени обслуживания. Таким образом, значение показателя эффективности СПД определяется величиной доли потока необслуженных заявок. Этот поток представляет собой сумму потока заблокированных заявок и потока заявок, превысивших допустимое время обслуживания.

Т.о., физика процессов обуславливает выбор в качестве формы условного критерия предпочтения значений вектора характеристик алгоритмов . канального модуля линейную комбинацию частных показателей качества функционирования ЛПД:

С'УКП

-«У -ку

Т так ~

-ку -"У V. г — г т]п /

■Р\ +

— к У

Р тах '

— к у

Р -

- к У

Р 1)1111

'Р2-

(¡5)

В общем случае, доли составляющих потока необслуженных заявок не равны, поэтому в условный критерий предпочтения частные критерии должны входить с весами, численно равными отношению долей соответствующих составляющих к общей величине потока необслуженных заявок.

Смысл этих весов в условном критерии предпочтения - относительная важность минимизации того или иного частного критерия.

Третья глава. Анализ методов построения моделей сетей передачи данных показал, что для рассматриваемых условий функционирования наиболее адекватно применение метода имитационного моделирования.

Представлена структура имитационной модели процесса обмена информацией в сети передачи данных специального назначения, целью разработки которой является оценка параметров условного критерия предпочтения значений вектора характеристик алгоритмов канального модуля, а также экспериментальное исследование эффективности и выбор сетевых алгоритмов обме-

на информацией, эффективные точки зрения принятых критериев помехоустойчивости системы.

Исходя из цели моделирования, в модели имитируются только те функции элементов сети, которые отражают процесс обмена информацией: формирование очередей пакетов, анализ приоритета и заголовка пакета, сбор и обработка управляющей информации, актуализация служебных таблиц, выбор исходящего направления передачи пакета в соответствии с процедурой маршрутизации, передача служебных сообщений, воздействие помеховой среды на элементы сети, восстановление элементов после сбоев. При этом учитывается задержка пакета на время, необходимое для выполнения перечисленных операций.

ИМ является трехуровневой. Первый уровень представлен процедурой "Имитация взаимодействия элементов сети" и является ядром модели. Его основной функцией является организация взаимодействия моделей элементов сети в процессе моделирования обработки пакетов, поступающих на входы сети.

Второй уровень модели предназначен для описания функционирования каждого элемента сети, входного потока требований на обслуживание и потока помеховых воздействий. Он представляет собой набор следующих процедур: "Имитация входного потока требований", "Имитация помеховой среды", "Имитация функционирования линии передачи данных", "Имитация функционирования узла коммутации" и является настраиваемой частью модели. Интерфейс между первым и вторым уровнем позволяет без перестройки всей модели менять набор функциональных модулей, описывающих функционирование каждого элемента сети. Это дает возможность исследовать влия- ние основных характеристик каждого элемента на характеристики сети в целом. Это также позволяет независимо разрабатывать модели функционирования элементов сети, модели входного потока и помеховой среды.

Третий уровень модели представляет собой набор независимых функциональных модулей, реализующих модели протоколов сетевого и транспортного уровней, являющихся исходным множеством альтернатив.

Использование имитационной модели позволяет решить задачи (6) и (7).

Четвертая глава. Проведенные с помощью имитационной модели процесса обмена информацией эксперименты по определению возможностей применяемых алгоритмов маршрутизации при функционировании СПД СН в условиях отсутствия помех показали, что по критерию максимума обобщенного показателя эффективности системы управления обменом информацией СПД СН наиболее эффективным методом управления обменом информацией является метод динамического распределения информационных потоков по всем возможным маршрутам пары отправитель-адресат с использованием текущей информации о состоянии маршрутов.

Этот алгоритм целесообразно использовать в СПД СН, как наиболее эффективный для рассматриваемых условий функционирования. Результаты моделирования представлены на рис. 3-12.

Выбор рациональных параметров системы для рассматриваемых условий полностью определяет параметры условного критерия предпочтения значений вектора характеристик алгоритмов канального модуля, что позволяет выбрать из парето-оптимального множества векторов единственное значение,

оптимальное в смысле выбранного условного критерия предпочтения.

Рис 3. Зависимость среднего времени задержки пакета от интенсивности входного потока

! 1 " '

1 ,

гцЦ А1 1 -

¡=¡1—|

0 4 1. мин .12 16 20

Рис. 5 Зависимость среднего времени задержки от времени для алгоритмов статическом маршрутизации

5.0

-1__

1- А4 'г-р

-1

А2 г~Г

) ....... 1 2- 16 20

Рис. 7. Зависимость коэффициента выполнения

функциональных задач К л от времени е случае прнменення алгоритмов динамической маршрутизации

5.0 -1.4 О 3.0 2.0 1.0

--- А2 - —1

1 1—

1—

8 и мин Гб

Рис. 9 Зависимость вероятности потерн пакета от врсменн для алгортмов динамической маршрутизации

Рис. 11. Зависимость средне го времени задержки пакета Т„ от времени при использовании в качестве крит ерия выбора маршрута минимума ьероятнссти потери пакета(Р„)

"—п-1 '

1)1 |аГ"

АЧ 1—1 -'¿—Г

, -р

12

1Г-

Рис. 4. Зависимость коэффициента выполнения функциональных задач ^ от времени в случае применения алгоритмов статическом маршрутизации

1.0

0.

Э.6

0,2

О 4 8 ц ми'и 12

Рис. 6. Зависимость вероятности потери пакета от времени для алгорхтмов статической маршрутизации

5.0 г 4.0

А4 , _1-

I _1 ——

[ ; а ц

1—

о 1 мин' г 16 20

Рис. 8. Зависимость среднего времени задержка пакета от времени для алгоритмов дннамическои маршрутизации

...»тГ^ г? я>

Рис. Ш. ЗависимостьоОоОшенного показателя К^ от преч^ик при использовании в качестве критерия рыбора маршрута минимума вероятности потери пакета (Р„)

_I 1|—^ Р—I

— ,-1 | А4 --■- ^^-

Рис. 12. Зависимость вероятности потери пакета Р, от времени при использовании в качестве критерия выоора маршрута минимума ьероятносш потери пакет» (Р^

На рис. 13. приведены результаты численной оценки условного критерия предпочтения допустимых значений вектора параметров алгоритма обмена информацией канального уровня.

Результаты численных экспериментов показывают, что за счет выбора рациональных параметров системы управления обменом информацией эффективность функционирования СПД СН (в смысле критерия (2)) повышается на 15-20%.

Рис. 13. Зависимость Сг от Т4К[У и Г4К2У при Т9КУ = 4, Жбфу = 0.1

Натурный эксперимент по оценке сравнительной эффективности синтезированных алгоритмов проводился на базе отдела вневедомственной охраны. Данные эксперимента подтверждают результаты математического моделирования в пределах статистической погрешности оценки исследуемых показателей и позволяют сделать вывод о том, что комплексное использование существующих средств обеспечения помехоустойчивости отдельных элементов сетей передачи данных и разработанной методики выбора рациональных параметров системы управления обменом информацией позволяют существенно повысить качество процесса обмена информацией в СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке.

Заключение и основные результаты

Таким образом, в результате диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты.

1. Аналитическая модель параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией линии передачи данных с решающей обратной

зью и оконным управлением потоком в условиях воздействия помех (качество функционирования определяется по двум показателям: время задержки и вероятность потери пакета), разработанная с использованием аппарата теории массового обслуживания и отличающаяся от известных комплексным учетом таких параметров алгоритма управления обменом информацией канального уровня как величина окна передачи кадров, число допустимых повторов передачи кадра, величина тайм-аута процедуры квитирования, а также таких параметров помеховой среды как характеристики потока помех, распределения мощности помех, распределения видов помех, характеристики потоков сбоев аппаратуры линии передачи данных.

2. Имитационная, параметрически настраиваемая на структуру сети передачи данных, параметры среды генерации и помеховой среды в районе дислокации АСУ СН, модель параметрического синтеза сетевых алгоритмов обмена информацией в СПД СН, отличающаяся от известных тем, что в ней комплексно учтены характеристики коммутационных узлов и особенности pea-

лизуемых на них протоколов сетевого уровня, характеристики линий передачи данных и особенности протоколов канального уровня и позволяющая проводить исследования эффективности различных вариантов алгоритмов обмена информацией СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке;

3. Модель выбора рациональных параметров алгоритмов обменом информацией СПД СН, отличающаяся от известных во-первых, решением многокритериальной задачи выбора значений окна передачи кадров, величины тайм-аута и допустимого числа повторов передачи кадров алгоритмов канального уровня, во-вторых, решением задачи выбора параметров алгоритма маршрутизации, использующего для выбора маршрутов передачи информации одновременно два критерия: минимум потерь и минимум задержек, а также рекомендации по использованию в СПД СН, функционирующих в сложной помеховой обстановке, алгоритмов обмена информацией.

4. Результаты оценки эффективности синтезируемых алгоритмов, полученные на основе математического моделирования функционирования СПД СН в сложной помеховой обстановке и экспериментальных исследований помехоустойчивости алгоритмов обмена информацией канального уровня.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Свинцов A.A. Математическое моделирование алгоритма обнаружения сигнала в хаотических импульсных помехах // Научно-практическая конференция ВВШ МВД России: Тезисы докладов. Часть 2,-Воронеж: Воронежская высшая школа МВД России, 1998.-C.6.

2. Свинцов A.A. Оценка влияния хаотических импульсных помех на эффективность обработки информации методами математического моделирования // Актуальные проблемы информационного мониторинга: Тезисы на-учн.-практ. конф.-Воронеж: Воронеж, филиал Моск. акад. экономики и права, Межд. акад. информатизации, 1998.-C.102-104.

3. Ветров C.B., Сысоев В.В., Свинцов A.A. Статистическое моделирование систем оценки момента появления сигнала при воздействии хаотических импульсных помех//Радиотехника, 1998.-№6.-с.87-89.

4. Свинцов A.A. Выбор рациональных параметров алгоритмов управления обменом информацией в условиях информационного конфликта II Межвузовская научно-практическая конференция Воронежского института МВД России: Тезисы докладов. Часть 2.-Воронеж: ВИ МВД России, 1999.-с.63-64.

5. Свинцов A.A. Модель процесса обмена информацией в условиях помех с учетом функционирования алгоритмов управления // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Тезисы докладов I Всероссийской научно-технической конференции. В 19 частях. Часть 12.-Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, l999.-c.36.

6. Сысоев В.В., Свинцов A.A. Имитационная модель процесса обмена информацией в условиях нестационарносги параметров внешней среды // Воронежская весенняя математическая школа "Понтрягинские чтения-Х". Современные методы в теории краевых задач: Тезисы докладов.-Воронеж: ВГУ, 1999.-c.237.

7. Свинцов A.A. Анализ структуры передачи информации в условиях помех // Математическое моделирование технологических систем. Выпуск 3. Сб. научн. тр.-Воронежская гос. технол. акад.-Воронеж, 1999.-С.50-55.

8. Солодуха P.A., Свинцов A.A., Сысоев Д.В. Анализ взаимодействий в структурном представлении систем. Программная реализация // Математическое моделирование технологических систем. Выпуск 3. Сб. научн. тр.-Воронежская гос. технол. акад.-Воронеж, 1999.-С.61-65.

9. Сысоев В.В., Крутских П.П., Дикарев В.А., Свинцов A.A. Математическая модель информационного конфликта//Радиотехника, 1999.-№3.-с.77-80.

10. Свинцов A.A. Структура и формализация процесса передачи информации в условиях помех // Материалы XXXVII отчетной научной конференции за 1998 год: В 2ч./Воронеж.гос.технол.акад.Воронеж.ч.1.,1999.-с.212-214.

11. Свинцов A.A. Обоснование системы показателей качества алгоритмов управления обменом информацией // Энергия: Науч.-практ.вестн.-;1999.-Вып.1-2 (35-36).-с.41-44.

12. Крутских П.П., Золотарев И.И., Никитин О.Г., Свинцов A.A. Оценка эффективности алгоритмов управления обменом информацией в условиях информационного конфликта // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз.сб.науч.тр. Воронеж: ВГТУ, 1999.

13. Сысоев В.В., Сысоев Д.В., Солодуха P.A., Свинцов A.A. Обучающая программа по анализу взаимодействий элементов в структурном представлении систем // Проблемы внедрения новых информационных технологий в жизнедеятельность военного вуза: Материалы Всероссийской научно-методической конференции.- Тамбов: ТВАИИ, 1999.-c.210-211.

14. Свинцов A.A., Мальцев А.И. Структура имитационной модели процесса обмена информации в сетях передачи данных специального назначения // Научно-практическая конференция ВИ МВД России: Тезисы докладов.-Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2000.-c.211-212.

15. Свинцов A.A. Оценка эффективности алгоритмов управления обменом информацией // Информационные технологии и системы Материалы III Всероссийской научно-тех. конференции / Воронеж, гос .технол. акад. Воронеж, 1999.-С.246-247.

16. S.V.Vetrov, V.V.Sysoev, and A.A.Svintsov Statistical modeling of systems for estimating the instant of signal appearance in the presence of random pulsed interference П Radio and Communications Technology, vol.3, No.6, pp.74-77,

1998.

/

JIP № 020728 от 09.02.98 г. Подписано в печать 22.06.2000 г. Усл. печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 204

Воронежский институт МВД России 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОМЕХ.

1.1. Анализ особенностей моделирования процесса функционирования систем передачи данных специального назначения.

1.2. Декомпозиция процесса передачи данных в условиях воздействия помех.

1.2.1. Факторы, учитываемые при моделировании процесса обмена информацией в условиях помех.

1.2.2. Анализ системных связей объекта моделирования.

1.3. Обоснование системы показателей качества алгоритмов обмена информацией.

1.4. Выводы, постановка цели и задач исследования

2. РАЗРАБОТКА АНАЛИТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА АЛГОРИТМОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯ В 58 УСЛОВИЯХ ПОМЕХ.

2.1. Обоснование общей схемы проведения исследований.

2.2. Выбор математического аппарата для описания процесса обмена информацией в сетях передачи данных специального назначения.

2.3. Аналитическая модель функционирования линии передачи данных с решающей обратной связью и оконным управлением потоком в условиях воздействия 76 помех.

2.4. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА АЛГОРИТМОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ СЕТЕВОГО УРОВНЯ В УСЛОВИЯХ ПОМЕХ.

3.1. Морфологическая модель сети передачи данных специального назначения.

3.2. Модель взаимодействия элементов сети.—.

3.3. Модель входного потока требований на обслуживание.

3.4. Модель функционирования линии передачи данных.

3.5. Модель функционирования узла коммутации.

3.6. Модель помеховой среды.

3.7. Процедура текущего статистического контроля качества выборки.

3.8. - Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА АЛГОРИТМОВ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ СПД СН.

4.1. Результаты аналитического моделирования по выбору рациональных параметров алгоритмов обмена информацией канального уровня в условиях помех.

4.2. Результаты имитационного моделирования по определению зависимостей качества алгоритмов обмена информацией сетевого уровня от характеристик 126 помеховой среды.

4.3. Рекомендации по выбору параметров алгоритмов обмена информацией для сетей передачи данных, функционирующих в условиях воздействия помех.

4.3.1. Выбор параметров алгоритмов обмена информацией канального уровня.

4.3.2. Выбор параметров алгоритмов обмена информацией сетевого уровня.

4.4. Выводы.

Актуальность темы. Современная политическая обстановка в Российской Федерации характеризуется возникновением в ряде регионов межнациональных и религиозных конфликтов различной интенсивности. Основным инструментом поддержания стабильности в условиях таких конфликтов являются силы МВД при поддержке вооруженных формирований силовых министерств РФ. Эффективное управление разнородными силами в ходе решения конфликтов невозможно без широкого применения современных систем (средств) управления (СУ). При этом основным системообразующим элементом практически любой СУ является подсистема связи и передачи данных.

В соответствии с Концепцией развития системы связи МВД России (Приказ Министра внутренних дел №340 6.05.99 г.) формирование ведомственной цифровой интегрированной сети связи с общим номерным и адресным пространством планируется проводить на основе создания коммутационных узлов с использованием цифровой аппаратуры связи военного и гражданского назначения, связанных цифровыми каналами (трактами), арендованными у государственных операторов Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Кроме того могут создаваться выделенные сети связи министерста на основных информационных направлениях (с районами со сложной оперативной обстановкой - в мирное время, с районами мобилизационного развертывания - в особый период). Одним из основных направлений является развитие радиосистем передачи данных.

Основной особенностью применения систем передачи данных специального назначения (СПД СН) является то, что при их развертывании в силу ряда причин невозможно обеспечить нормальные условия функционирования с точки зрения электромагнитной совместимости с радиоэлектронными средствами, эксплуатирующимися в регионе, а также влияния индустриальных и других помех в спектре электромагнитных волн. Возможны также преднамеренные помехи, создаваемые системами радиоэлектронного подавления (РЭП). Недостаточный учет реальных условий функционирования систем передачи данных специального назначения может привести к существенному снижению качества передачи информации в условиях существенной неопределенности характеристик помеховой обстановки.

Одним из наиболее эффективных путей решения данной задачи является реализация в СПД СН методов динамического изменения структуры информационного обмена в ходе ведения боевых действий. При этом учитывается как состояние СПД СН, так и складывающиеся в районе ее дислокации помеховая и информационная обстановка.

При этом возникает ряд трудностей, связанных с количественной оценкой эффективности того или иного варианта организации процесса обмена информацией в автоматизированных системах управления специального назначения (АСУ СН), и выбором параметров системы управления обменом информацией, обеспечивающих заданное значение показателя эффективности функционирования АСУ СН в реально ожидаемой обстановке.

Это связано с недостаточным объемом экспериментальных исследований воздействия сложноорганизованных помех на элементы АСУ СН, сложностью математического описания процессов, происходящих в СПД СН при реализации протоколов информационного обмена различных уровней, сложностью учета большого количества факторов различной физической природы.

Современные АСУ представляют собой сложные распределенные в пространстве системы, состоящие из множества сосредоточенных (локальных) подсистем (абонентских узлов), располагающих программно-аппаратными средствами реализации тех или иных функций управления подчиненными силами и средствами, и множества средств, обеспечивающих соединение и взаимодействие этих подсистем (сеть передачи данных). АСУ характеризуются наличием многоканальных связей, процессов организации и управления, множеством разнообразных составляющих информационного процесса, распределенных в пространстве, непрерывно сменяющих друг друга во времени.

Эффективность различных вариантов организации процесса обмена информацией в АСУ СН, функционирующей в сложной помехо-вой обстановке, исследована в настоящее время лишь частично. Вследствие этого задача обеспечения помехоустойчивости СПД СН в реальных условиях функционирования решена не полностью.

В связи с этим работа посвящена разработке математических моделей выбора рациональных параметров алгоритмов управления обменом информацией сетей передачи данных специального назначения, функционирующих в сложной помеховой обстановке.

Целью диссертационной работы является разработка моделей параметрического синтеза эффективных алгоритмов обмена информацией СПД СН, функционирующих в сложной помеховой обстановке.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи: анализ СПД СН, функционирующих в сложной помеховой обстановке, как объекта моделирования; выбор и обоснование показателей качества обмена информацией в условиях помех, обеспечивающих оценку помехоустойчивости СПД СН и чувствительных к изменению параметров исследуемых алгоритмов; формализация задач анализа эффективности алгоритмов обмена информацией и их параметрического синтеза; разработка аналитической и имитационной модели процесса передачи данных в сложной помеховой обстановке, на базе которых осуществляется выбор и обоснование состава алгоритмов обмена информацией, и обеспечивающие инвариантность функционирования СПД СН в предметных областях; параметрический синтез алгоритмов обмена информацией в условиях векторных оценок эффективности их функционирования; разработка программного комплекса, реализующего проведение вычислительного эксперимента внедрение результатов работы в процесс проектирования систем радиосвязи специального назначения.

Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использований теории сложных систем, теории массового обслуживания, теории планирования экспериментов, теории телетрафика, методов математической статистики и имитационного моделирования.

Общей методологической основой является системный подход. Научная новизна. Разработаны математические модели, параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией систем передачи данных специального назначения, позволяющие решать задачи синтеза для различных предметных областей функционирования, в том числе в условиях сложной помеховой обстановки. На защиту выносятся.

1. Аналитическая модель параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией линии передачи с решающей обратной связью и оконным управлением потоком в условиях воздействия помех.

2. Имитационная модель параметрического синтеза сетевых алгоритмов обмена информацией СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке.

3.Модель выбора рациональных (обеспечивающих эффективность не ниже заданной, 1.4, 1.5) параметров алгоритмов обмена информацией СПД СН.

4. Результаты математического моделирования, экспериментальных исследований выбора рациональных параметров алгоритмов обмена информацией СПД СН и внедрения в учебный и научно-исследовательский процесс.

Практическая значимость работы состоит в разработке программного комплекса параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией, который может использоваться в предметных областях САПР, проектирования АСУ и СПД СН; внедрении научных результатов диссертационного исследования в научно-исследовательский и учебный процесс.

Внедрение результатов исследований.

1. Разработанный программный комплекс использовался для уточнения требований к технике радиоэлектронного подавления в рамках НИР "Словесность" (№ 09681) и "Противодействие-2" (№ 09769) (акт внедрения от 30 марта 2000 г.).

2. Имитационная модель обмена информацией в СПД СН используется в учебном процессе в Воронежском институте МВД РФ при разработке и чтении курса лекций адъюнктам очной и заочной форм обучения по специальности 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (технические науки, в области средств автоматизации и связи) (акт внедрения от 10 февраля 2000 г.).

3. Результаты параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией использовались для выбора рациональных значений протоколов канального модуля линий передачи данных пункта централизованной охраны при Ленинском РОВД г. Воронежа (акт внедрения от 28 марта 2000 г.).

4. Рекомендации по оптимальной параметрической настройке протокола обмена информацией в системе автоматизированной охраны отдела вневедомственной охраны при Ново-Усманском РОВД.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, докладывались и обсуждались на следующих Всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях: "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (г. Нижний Новгород, 1999 г.); "Проблемы внедрения новых информационных технологий в жизнедеятельность военного ВУЗа" (г. Тамбов, 1999 г.); "Актуальные проблемы информационного мониторинга" (г. Воронеж, 1998 г.); Воронежской весенней математической школе "Понтрягинские чтения - X" (г. Воронеж, 1999 г.); научно-практических конференциях Воронежского института МВД России (г. Воронеж, 1998, 1999, 2000 г.г.). Результаты работы представлялись на рассмотрение и обсуждение научно-техническим семинарам: кафедры математического моделирования информационных и технологических систем ВГТА; кафедры радиосвязи ТВАИИ; кафедры информационно-технического обеспечения ВИ МВД РФ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 статей, 10 тезисов докладов на научно-технических конференциях. Результаты проведенных исследований отражены в 2 отчетах о НИР (№ 09681, № 09769).

Объем и содержание диссертации. Диссертационная работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 41 иллюстрацию, 1 таблицу и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и 1 приложения.

4.4. Выводы

1. Проведенные с помощью имитационной модели процесса обмена информацией эксперименты по определению возможностей применяемых алгоритмов маршрутизации при функционировании СПД СН в условиях отсутствия помех показали, что эффективность этих алгоритмов существенно зависит от интенсивности входного потока требований. В области малой нагрузки (Л < 9 мин1) лучшие характеристики с точки зрения среднего времени задержки обеспечивает алгоритм маршрутизации с использованием фиксированных каналов. При использовании этого алгоритма Т = 150 мс. Это на 25% меньше чем задержка, обеспечиваемая в области малых нагрузок статическим алгоритмом с балансировкой. В целом, использование статических алгоритмов маршрутизации в области малых нагрузок при отсутствии помех дает выигрыш по времени задержки пакета по сравнению с динамическими алгоритмами приблизительно на 60%. В области средних и больших нагрузок (Л > 9 мин1) лучшие характеристики по времени задержки пакета обеспечивает статический алгоритм маршрутизации с балансировкой. Это подтверждает корректность допущений, принятых при решении задачи оптимальной маршрутизации для сети, функционирующей в стационарных условиях. При Л = 25мин] наиболее эффективно использование алгоритмов маршрутизации с балансировкой (статического и динамического). По сравнению с алгоритмами, использующими один маршрут для передачи информации, эти алгоритмы дают выигрыш соответственно в 2 и 3 раза. Вероятность потери пакета для всех типов алгоритмов в исследуемом диапазоне нагрузки и при отсутствии помех пренебрежимо мала.

2. Результаты моделирования процесса обмена информацией в СПД СН в условиях нестационарной входной нагрузки и воздействия на элементы сети мощных помех показывают, что в случае использования статических алгоритмов маршрутизации значение интегрального коэффициента выполнения функциональных задач Кр не превышает 0.52. При максимальных интенсивностях входного потока и потока сбоев и отказов, вызванных воздействием помеховой среды на элементы сети, К снижается до 0.1 - 0.25. Использование динамических алгоритмов маршрутизации позволяет повысить Кр в среднем на 14 %.

3. Анализ частных показателей эффективности функционирования сети показал, что по критерию минимума задержки более предпочтительно использование статических алгоритмов маршрутизации, это, однако, вызвано тем, что при использовании этого класса алгоритмов весьма высока вероятность потери пакета. Средняя задержка пакета при использовании динамических алгоритмов возрастает на 16 - 27 %, с другой стороны, вероятность потери пакета уменьшается на 30- 50 %.

4. При использовании в динамических алгоритмах маршрутизации критерия минимума вероятности потери пакета наблюдается эффект перемещения потерь между уровнями обработки информации с уровня процесса обмена информацией на уровень процесса обработки информации. Или, в терминах ЭМВОС, с канального и сетевого уровней на прикладной уровень. При этом вероятность потери пакета на уровне процесса обмена информацией снижается на 8 - 10 %, а средняя задержка пакета увеличивается на 10 - 12 %.

5. Варьирование длительностью цикла управления относительно исходного значения не дает заметного увеличения показателя эффективности СПД СН для рассматриваемых условий функционирования.

6. По критерию максимума обобщенного показателя эффективности системы управления обменом информацией СПД СН наиболее эффективным методом управления обменом информацией является метод динамического распределения информационных потоков по всем

147 возможным маршрутам пары отправитель-адресат с использованием текущей информации о состоянии маршрутов. Этот .метод целесообразно использовать как основу при разработке помехоустойчивых методов обмена информацией.

7. Модель решения задачи выбора рациональных параметров системы управления обменом информацией СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке, должна включать в себя: разработку показателя для выбора маршрутов, учитывающего как задержку пакета, так и вероятность его потери; разработку модификации динамического алгоритма маршрутизации с балансировкой, позволяющего осуществлять выбор маршрута для передачи информации с использованием прогнозной информации значений среднего времени передачи пакета и вероятности потери пакета.

8. Результаты имитационных экспериментов показывают, что за счет выбора рациональных параметров системы управления обменом информацией эффективность функционирования СПД СН повышается на 15-20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационного исследования получены следующие основные научные и практические результаты.

1. На основе анализа СПД СН, функционирующей в сложной по-меховой обстановке, обоснована целесообразность разработки математических моделей параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией СПД СН, позволяющих осуществить обоснование методов динамического изменения структуры информационного обмена в ходе ведения боевых действий. Обоснованы и формализованы факторы, подлежащие учету при оценке влияния способов организации процесса обмена информацией на эффективность функционирования СПД СН и обеспечивающие достоверность результатов моделирования.

2. Для оценки качества процесса обмена информацией в СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке и параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией, выбраны динамический и интегральный коэффициенты выполнения системой связи специального назначения функциональных задач в составе АСУ СН. Первый определяется как отношение динамической пропускной способности СПД СН в условиях воздействия помеховой среды к динамической пропускной способности в условиях отсутствия воздействия, а второй -как отношение интегральной пропускной способности системы связи специального назначения в условиях воздействия помеховой среды на интервале моделирования к интегральной пропускной способности в условиях отсутствия помех. Введенные показатели характеризует следующие свойства СПД СН: помехоустойчивость элементов сети (определяется количеством заявок, потерянных при обработке в отдельных элементах сети в следствие воздействия помеховой среды), эффективность алгоритма ограничения потока (по количеству заблокированных заявок), эффективность алгоритма маршрутизации (по количеству заявок, отброшенных из-за превышения директивного времени обработки).

Поскольку процессы канального уровня, в отличие от процессов сетевого уровня, имеют локальный (с точки зрения используемого ресурса) характер, то устранить перегрузки за счет перераспределения нагрузки невозможно. Поэтому устранение перегрузок на канальном модуле для поддержания приемлемых задержек может быть осуществлено только за счет блокировки (когда заявка не допускается в систему) части входного потока канального уровня. При этом увеличение доли заблокированного потока (управляемая характеристика алгоритма ограничения потока) влечет уменьшение задержек. То есть, функционирование алгоритма ограничения потока канального уровня основано на поддержании приемлемого баланса двух противоречивых показателей. Отсюда следует векторный характер критерия качества алгоритма ограничения потока канального уровня. В качестве частных показателей используются среднее время задержки и вероятность потери пакета на канальном уровне.

3. Разработана аналитическая модель параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией линии передачи данных с решающей обратной связью и оконным управлением потоком в условиях воздействия помех (качество функционирования определяется по двум показателям: время задержки и вероятность потери пакета), разработанная с использованием аппарата теории массового обслуживания и отличающаяся от известных комплексным учетом таких параметров алгоритма управления обменом информацией канального уровня как величина окна передачи кадров, число допустимых повторов передачи кадра, величина тайм-аута процедуры квитирования, а также таких параметров помеховой среды как характеристики потока помех, распределения мощности помех, распределения видов помех, характеристики потоков сбоев аппаратуры линии передачи данных.

4. Разработана имитационная, параметрически настраиваемая на структуру сети передачи данных, параметры среды генерации и поме-ховой среды в районе дислокации АСУ СН, модель параметрического синтеза сетевых алгоритмов обмена информацией в СПД СН, отличающаяся от известных тем, что в ней комплексно учтены характеристики коммутационных узлов и особенности реализуемых на них протоколов сетевого уровня, характеристики линий передачи данных и особенности протоколов канального уровня и позволяющая проводить исследования эффективности различных вариантов алгоритмов обмена информацией СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке;

5. Разработана модель выбора рациональных параметров алгоритмов обменом информацией СПД СН. Особенностями модели являются: во-первых, решение многокритериальной задачи выбора значений окна передачи кадров, величины тайм-аута и допустимого числа повторов передачи кадров алгоритмов канального уровня; во-вторых, решение задачи выбора параметров алгоритма маршрутизации, использующего для выбора маршрутов передачи информации одновременно два критерия: минимум потерь и минимум задержек, а также рекомендации по использованию в СПД СН, функционирующих в сложной помеховой обстановке, алгоритмов обмена информацией.

5. Разработан программный комплекс параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией, который может использоваться в предметных областях САПР, проектирования АСУ и СПД СН. Программная реализация осуществлена в среде Windows-95 с использованием системы программирования C++Builder3.0 и пакета математических программ MathCad7.0.

6. Комплекс внедрен в процесс проектирования техники радиоэлектронного подавления, в учебном процессе в Воронежском институте МВД РФ при разработке и чтении курса лекций адъюнктам очной и заочной форм обучения по специальности 05.13.16 - «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях» (технические науки в области> средств автоматизации и связи), для выбора рациональных значений протоколов канального модуля линий передачи данных пункта централизованной охраны при Ленинском РОВД г. Воронежа.

7. В целом проведенные научные и экспериментальные исследования показывают, что комплексное использование существующих средств обеспечения помехоустойчивости отдельных элементов сетей передачи данных и разработанной модели параметрического синтеза алгоритмов обмена информацией позволяют существенно повысить качество процесса обмена информацией в СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке. Показано, что использование комплексного показателя для выбора маршрутов передачи информации, учитывающего как вероятность потери пакета, так и его задержку, а также прогнозной информации при определении значения этого показателя позволяет повысить эффективность функционирования СПД СН на 12-15%.

Достоверность результатов оценок, приведенных в диссертационной работе, достигнута: учетом при моделировании процесса обмена информацией в СПД СН всех основных групп факторов, влияющих на эффективность АСУ СН: параметров внешней среды, топологической структуры сети, характеристик алгоритмов обмена информацией, реализующих протоколы различных уровней, реализованного в сети способа коммутации,

152 структуры и технических характеристик узлов коммутации, типа каналов связи, аппаратурной стойкости элементов СПД СН; выбором исходных данных из диапазона, характерного для современных сетей передачи данных; использованием адекватного решаемым задачам математического аппарата.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы: для оценивания эффективности функционирования СПД СН в условиях воздействия потоков помех; для оценивания эффективности различных вариантов организации процесса обмена информацией в СПД СН, функционирующей в сложной помеховой обстановке; для выбора параметров системы управления обменом информацией, позволяющих получить наибольшую эффективность функционирования АСУ СН в заданных условиях внешней обстановки; для оценивания с системных позиций вариантов построения СПД СН и выбора среди них рациональных с учетом ограничений на время реакции АСУ СН.

1. Надежность и эффективность в технике. Справочник. Том 1, -М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.

2. Зайцев С. С. и др. Сервис открытых информационно- вычислительных сетей: Справочник. М.: Радио и связь, 1990. 240 с.

3. Кравченко В. И., Болотов Е. А. и др. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987.

4. Надежность и живучесть систем связи / Б. Я. Дудник, В. Ф. Овчаренко, В. К. Орлов и др.; Под ред. Б. Я. Дудника. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

5. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Построение сетей интегрального обслуживания. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. - 332 с.

6. Морозов В. К., Долганов А. В. Основы теории информационных сетей. М.: Высш. шк., 1987. - 217с.

7. Ларионов А. М. и др. Вычислительные комплексы, системы и сети. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. 287 с.

8. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высш. шк., 1985. - 271 с.

9. Моделирование вычислительных систем / И. Н. Альянах. Л.: Машиностроение. Ленинг. отд-ние, 1988. - 223 с.

10. Моделирование сложных систем. Бусленко Н. П., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", М., 1968, 356с.

11. Бертсекас Д. Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. 544 с.

12. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. Пер с англ. -М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

13. Клейнрок JI. Коммуникационные сети (стохастические потоки и задержки сообщений). М.: Наука, 1970. - 256 с.

14. Элементы теории массового обслуживания и асимптотического анализа систем / В. В. Анисимов, О. К. Закусило, В. С. Донченко. К.: Вища шк. Головное изд- во, 1987. - 248 с.

15. Шнепс М. А. Системы распределения информации. Методы расчета: Справ, пособие. М.: Связь, 1979. - 344 с.

16. Жожикашвили В. А., Вишневский В. М. Сети массового обслуживания. Теория и. применение к сетям ЭВМ. М.: Радио и связь,1988.- 192 с.

17. Яшков С. Ф. Анализ очередей в ЭВМ. М.: Радио и связь,1989. -216 с.

18. Захаров Г. П. Методы исследования сетей передачи данных. -М.: Радио и связь, 1982. 208 с.

19. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979.- 600 с.

20. Дэвис Д. Вычислительные сети и сетевые протоколы: Пер с англ. М.: Мир, 1982. - 563 с.

21. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1969, 576 с.

22. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г., Корн Т. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы 1984, 831 с.

23. Вэнс Э. Ф. Влияние электромагнитных полей на экранированные кабели. М.: Радио и связь, 1982. - 120 с.

24. Вычислительные сети (адаптивность, помехоустойчивость, надежность). Самойленко С. И., Давыдов А. А., Золотарев В. В., Третьякова Е. И. М.: Наука, 1981, 277 с.

25. Суздалев А. В. Сети передачи информации АСУ. М.: Радио и связь, 1983. - 152 с.

26. Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 445 с.

27. Т. Ху. Целочисленное программирование и потоки в сетях. -М.: Мир, 1974, 519 с.

28. Форд JT. Р., Фалкерсон Д. Потоки в сетях: М.: Мир, 1966.

29. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы. М.: Наука. Гл. редакция физ- мат. лит., 1989. - 432 с.

30. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. М.: Наука. Гл. редакция физ-мат. лит., 1989. - 608 с.

31. Заварыкин В. М. и др. Численные методы. М.: Просвещение, 1990.- 176 с.

32. Нерретер В. Расчет электрических цепей на персональной ЭВМ: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 220 с.

33. Протоколы и методы управления в сетях передачи данных: Пер. с англ. / Под ред. Ф. Ф. Куо. М.: Радио и связь, 1985. - 480 с.

34. Блэк Ю. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы. -М.: Мир, 1990.- 506 с.

35. Дэвис Д., Барбер Д. Сети связи для вычислительных машин. -М.: Мир, 1976.- 680 с.

36. Лазарев В. Г. Методы распределения информации в сетях ЭВМ. В кн.: Информационный обмен в вычислительных сетях. - М.: Наука, 1980, с. 17-27.

37. Мизин И. А., Уринсон Л. С., Храмешин Г. К. Передача информации в сетях с коммутацией сообщений. М.: Связь, 1977. - 327 с.

38. Богатырев В. А. Мизин И. А. Тенденции развития методов коммутации. Электросвязь. - 1985. - №12. - с. 6 - 10.

39. Лазарев В. Г., Лазарев Ю. В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи. М.: Радио и связь, 1983. - 216 с.

40. Мизин И. А., Богатырев В. А., Куликов А. П. Сети коммутации пакетов. М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.

41. Якубайтис Э. А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, 1980. - 279 с.

42. Лукашин Ю. П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования. М.: Статистика, 1979. - 254 с.

43. Льюис К. Д. Методы прогнозирования экономических показателей. М.: Финансы и статистика, 1986. - 113 с.

44. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. М.: Мир, 1974, Вып. 1.

45. Четыркин Ё. М. Статистические методы прогнозирования. -М.: Статистика, 1977.

46. Кендал М., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976. - 736 с.

47. Вентцель Е. С. Исследование операций. М.: Сов. радио, 1972.- 550 с.

48. Taxa X. Введение в исследование операций: В 2- х книгах, Кн. 2.-М.: Мир, 1985.- 496 с.

49. Умрихин Ю. Д. Вероятностные методы прогнозирования и адаптивного управления сетью связи в условиях неопределенности // Автоматы и управление. Управление на сетях и узлах связи: Сб. статей. -М.: Наука, 1979.-е. 18-41.

50. Умрихин Ю. Д. Некоторые теоретические и прикладные аспекты системного подхода к синтезу адаптивного управления сетью передачи и распределения информации // Автоматы и управление. Системы управления сетями. М.: Наука, 1980. - с. 9 - 36.

51. Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. - 278 с.

52. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М., "Сов. Радио", 1970.- 728 с.

53. Кини Р. Л., Райфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. М.: Радио и связь, 1981.

54. Емельянов С. В. и др. Модели и методы векторной оптимизации. В кн.: Итоги науки и техники. Техническая кибернетика, т. 5. -М.: ВИНИТИ АН СССР, 1973.

55. Гуткин Л. С. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества. М.: Сов. радио, 1975.

56. Современное состояние исследования операций /Под ред. Н. Н. Моисеева. М.: Наука, 1979.

57. Акоф Р., Сасиени М. Основы исследования операций. М.: Мир, 1971.

58. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. Вып. 1,2.- М.: Статистика, 1978.

59. Советов Б. Я. Информационная технология. М.: Высш. шк., 1994.- 368 с.

60. Налимов В. В. Теория эксперимента. (Серия: "Физико-математическая библиотека инженера") М., 1971 г.- 208 с.

61. Стечкин С. Б., Субботин Ю. Н. Сплайны в вычислительной математике. Главная редакция физ.-мат. литературы издательства "Наука", М., 1976.- 248 с.

62. Антонюк Б. Д. Информационные системы в управлении. М.: Радио и связь, 1986. - 240 с.

63. Максимей И. В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1987. - 232 с.

64. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. Ч. I, II. -М.: Мир, 1975.

65. Калинин А. И., Черенкова Е. JI. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М.: Связь, 1971.

66. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Книга 1, 2. М.: Финансы и статистика, 1986.

67. Кузьмин И. В. Основы моделирования сложных систем. Киев: Вища школа, 1981. - 360 с.

68. Калашников В. В. Сложные системы и методы их анализа. -М.: Знание, 1980. 64 с.

69. Садовников В. П., Эпштейн. Потоки информации в системах управления. М., Энергия, 1974.

70. Харрари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973.

71. Шильяк Д. Децентрализованное управление сложными системами. М.: Мир, 1994.

72. Сысоев В.В. Некоторые вопросы анализа конфликта в структурном представлении систем./ Информационные технологии и системы. Воронеж: Воронеж, отдел. МАИ* 1998.-Вып.2.

73. Борисов В.И., Зинчук В.М. Помехозащищенность систем радиосвязи. М.: Радио и связь, 1999.

74. Свинцов A.A. Математическое моделирование алгоритма обнаружения сигнала в хаотических импульсных помехах // Научно-практическая конференция BBIII МВД России: Тезисы докладов. Часть 2.-Воронеж: Воронежская высшая школа МВД России, 1998.-с.6.

75. Ветров С.В., Сысоев В.В., Свинцов A.A. Статистическое моделирование систем оценки момента появления сигнала при воздействии хаотических импульсных помех // Радиотехника, 1998.-№6.-с.87-89.

76. Свинцов A.A. Анализ структуры передачи информации в условиях помех // Математическое моделирование технологических систем. Выпуск 3. Сб. научн. тр.-Воронежская гос. технол. акад.-Воронеж, 1999.-с.50-55.

77. Сысоев В.В., Крутских П.П., Дикарев В.А., Свинцов A.A. Математическая модель информационного конфликта // Радиотехника, 1999.-№3.-с.77-80.

78. Свинцов A.A. Структура и формализация процесса передачи информации в условиях помех // Материалы XXXVII отчетной научной конференции за 1998 год: В 2ч./ Воронеж.гос.технол.акад. Воронеж. Ч.1., 1999.-с.212-214.

79. Свинцов A.A. Обоснование системы показателей качества алгоритмов управления обменом информацией // Энергия: Науч.-практ вестн.-1999.-Вып. 1 -2 (3 5-36).- с.41 -44.

80. Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех.-М.: Радио и связь, 1986.264 е.: ил.(Стат. теория связи. Вып.26).

81. Свинцов A.A., Мальцев А.И. Структура имитационной модели процесса обмена информации в сетях передаяи данных специального назначения // Научно-практическая конференция ВИ МВД России:161

82. Тезисы докладов.- Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2000.-c.211-212.

83. Свинцов А.А. Оценка эффективности алгоритмов управления обменом информацией // Информационные технологии и системы Материалы III Всероссийской научно-тех. конференции / Воронеж.гос.технол.акад.Воронеж, 1999.-с.246-247.

84. S.V.Vetrov, V.V.Sysoev, and A.A.Svintsov Statistical modeling of systems for estimating the instant of signal appearance in the presence of random pulsed interference // Radio and Communications Technology, vol.3, No.6, pp.74-77, 1998.162