автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Обоснование требуемой скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения

•г

На правах рукописи

г О ЬВГ 2009

КЛИМОВ ВАЛЕРИИ ВИКТОРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБУЕМОЙ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ В КАНАЛАХ ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТИ АСУ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.12.13 Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2009

003475305

Работа выполнена в ЗАО «Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем» (г. Москва)

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Цимбал Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полушин Петр Алексеевич

кандидат технических наук Ковалев Сергей Владимирович

Ведущая организация: ФГУП «Калужский НИИ телемеханических устройств», г. Калуга.

Защита состоится « 30 » 09 2009 года в_-{Ц _на

заседании диссертационного совета ДС 212.025.04 при Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ7 к. 3(301)

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета

Автореферат разослан «2Я» МО,¿,9 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.025.04

доктор технических наук, профессор

А.Г. Самойлов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.- Современный этап научно-технического прогресса характеризуется возрастанием объема информации, поступающей к руководителю производства и необходимой для принятия обоснованного управленческого решения. Повышение эффективности управления в настоящее время невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий и прогрессивных математических моделей управления. Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации в системе в целом. Примером таких АСУ являются АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств.

АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют' выделить для исследования новый объект - АСУ общего назначения (АСУ ОН), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез се информационной сети. Огметим, что в АСУ 011 имеются звенья управления (ЗУ), состоящие друг с другом и иерархической зависимости и связанные информационной сетью. При этом, как правило, имеются: верхнее звено управления (ВЗУ), средние ЗУ (СЗУ), нижние ЗУ (ПЗУ) и исполнительные ЗУ (ИЗУ). Как правило, п АСУ ОН нее ЗУ являются подвижными объектами (ПО).

Необходимость обеспечения высокой динамики управления различными ПО в современных изменяющихся условиях требует совершенствования как АСУ ОН в целом, так и ее информационной сети связи, являющейся материальной базой управления. При этом показателем оперативности управления всех ЗУ в АСУ ОН ПО являются вероятностно-временные характеристики (ВВХ) доведения управляющих сообщений «сверху вниз».

Основу информационной сети для АСУ ОН территориально распределенных ПО составляет система радиосвязи метрового диапазона, спутниковая на базе подсистемы спутниковой связи, тропосферная, а также КВ связь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ОН ПО является система радиосвязи метрового диапазона, которая базируется на различных приемо-передающих комплексах (ППК). Особенностью функционирования данных ППК в рамках информационной сети АСУ ОН ПО является формирование ими, так называемых, комбинированных радиосетей, когда передача «вниз-многим» ЗУ осуществляется в радиосети, а «вверх-от всех» ЗУ - в радионаправлениях.

Данные ППК должны формировать первичную сеть связи для вторичных сетей территориально распределенных ПО: информационную сеть АСУ ОН, вторичную сеть оперативного речевого управления (ОРУ), вторичную сеть межкомпыотерного обмена (МКО). Кроме того, данные каналоформи-

рующие системы должны решать задачу резервирования проводных каналов связи в зоне размещения ПО. Основными типами связей, формируемыми при этом, являются соедииения типа «точка-точка». Подчеркнем, что трафик информационной сети АСУ ОН обладает наивысшим приоритетом, речевой трафик - средним приоритетом и трафик МКО - низшим приоритетом. Огмстим также, что информационная сеть АСУ ОН строится на основе выделенных (закрепленных) каналов первичной сети, а сети речевого трафика и МКО строятся на основе незакрепленных каналов, выделяемых по требованию.

Основным принципом построения указанных II1IK различного типа, формирующих первичную сеть, является применение разделяемых во времени цифровых потоков. При этом цифровой поток представляет собой временной кадр, разделенный на некоторое число временных окон, каждое из которых представляет собой единичный канал связи с наименьшей пропускной способностью (например, 1200 бит/с). Реализация функций временного каналообразования и коммутации в ППК (узлах сети) обеспечивает гибкое перераспределение общего коммуникационного ресурса первичной сети между вторичными сетями (АСУ, речь и МКО). Кроме того, такой подход достаточно просто позволяет реализовать рокадные направления в первичной сети связи.

Вопросам построения сетсй с коммутацией пакетов большое внимание уделено в школах таких ученых как Якубайтис Э.А., Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Бутрименко А.И., Глушков В.М., Мизин И.А., Самойленко С.И., Оли-фер В.Г., Присяжшок С.П., Цимбал В.А., Шиманов С.П., Клейнрок Л., Дэвис Д., Барбер Д. и другие. Однако вопрос обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах сети АСУ ОН для условий выполнения заданных ВВХ доставки сообщений является открытым.

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, необходимость обеспечения требуемых ВВХ доведения сообщений в информационной сети АСУ ОН требуез увеличения скорости передачи в ее каналах, с другой стороны, предоставляемый коммуникационный ресурс первичной сети АСУ Oil ограничен потенциальными возможностями канало-формирующих ППК и потребностями вторичных сетей низшего приоритета. Разрешение этого противоречия заключается г> разработке программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доведения сообщений.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Обоснование требуемой скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения».

Цель диссертационных исследований - обоснование требований по скорости передачи к каналам многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

Объест исследования - информационная сеть АСУ ОН.

Предмет исследования - научно-методический аппарат обоснования

требуемой скорости передачи в каналах сети с коммутацией пакетов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решена научная задача разработки программно-матсматического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи.

Основные результаты, предстаплиемые к защите

1. Математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов.

2. Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

Научная новизна полученных результатов

1. Математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН впервые учитывает разную длину сообщения и квитанции и конечную готовность каналов.

2. Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН, п отличие от известных, снимает проблему размерности уровней иерархии сети.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории поглощающих конечных марковских цепей (ПКМЦ), теории оптимизации, согласованностью полученных результатов расчета с физикой процесса доведения сообщения в иерархической сети с протоколом типа HDLC.

Практическая значимость результатов диссертационных исследований обусловлена тем, что они доведены до уровня методики, алгоритмов и машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации задавать в формируемой информационной сети корректные (минимально достаточные) значения скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения. Использование предлагаемого подхода к заданию требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ общего назначения позволит, как минимум, на 37,5% снизить выделяемый первичной сетью ресурс пропускной способности. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при оценке временных и вероятностно-временных характеристик доставки сообщений в иерархических сетях с каналами разной пропускной способности и качества, а также в вузах при изучении соответствующих учебных дисциплин.

Результаты работы реализованы:

1. В ЗАО «НИВЦ АС» в виде математической модели процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности

каналов в рамках ОКР «Отлучка» (акт о реализации ЗАО «НИВЦ АС» от 12.03.2009 г.);

2. В в.ч. 08310 при обосновании ТЗ на ОКР «Бутон» в части обоснования требований по скорости передачи к ППК метрового диапазона в интересах информационной сети АСУ общего назначения (акт о реализации в.ч. 08310 от 07.04.2009 г.);

3. В Серпуховском военном институте ракетных войск в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (акт о реализации СВИ РВ от 22.04.2009 г.).

Апробации работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: трех Сессиях Российского НТОРЭС им A.C. Попова; семи НТК различного уровня. Работа выполнена лично автором и является результатом исследований, в которых автор принимал непосредственное участие в течение последних 7 лет. За это время непосредственно по теме диссертации опубликовано 28 работ, о том числе: 15 научных статей (пять статей в журнале из Перечня ВАК), тезисы 6-и докладов на НТК, 4 отчёт о НИР и 1 отчет об ОКР. Получены два патента на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложения, изложена на 118 страницах машинописного текста. В список литературы внесено 107 научных источников.

И. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задача исследования, изложены научные результаты, представляемые к защите, приведены аннотация и структура работы.

В первом разделе проведён анализ структуры информационной сети АСУ ОН ПО, анализ структуры и протоколов доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ Ol 1, а также дана постановка задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН и приведены направления ее решения.

Типовая информационная сеть АСУ ОН представлена на рисунке 1. Данная сеть является иерархической, радиально-узловой и включает четыре уровня иерархии. Норма управляемости на каждом уровне иерархии равна трем (как вариант). Каналы направлений СПД каждого уровня сформированы ППК метрового диапазона, при этом пропускная способность каналов может принимать одно из ряда следующих значений: 1200; 2400; 4800; 9600; 16000; 19200 бит/с. В рассматриваемой иерархической сети выделяется базовая сеть (базовый сегмент), представляющая собой единичную радиапьно-узловую сеть, из совокупности которых строится вся сеть связи.

При решении поставленной научной задачи введен ряд допущений, вытекающих, во-первых, из физики исследуемого процесса и, во-вторых, являющихся типовыми в данной предметной области.

Допущение 1. Доведение сообщения в базовых сетях каждого уровня

иерархии сети осуществляется независимо и параллельно.

Допущение 2. Время обработки сообщения в ЗУ и время подготовки радиоканалов к информационному обмену в сети во времени доставки сообщения в информационной сети не учитываются.

Допущение 3. Стоимостные затраты на пропускную способность каналов связи СПД прямо пропорциональны скорости передачи.

Допущение 4. Качество каналов в базовой сети по вероятности ошибки на элементарный символ одинаково.

Задача нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах трехуровневой иерархической сети передачи данных сформулирована в следующей постановке. Пусть заданы ВВХ доведения сообщений от ВЗУ до всех ИЗУ в виде:

'ЛоЛ' ~ 'Лт > - 'Ш

где - требуемая вероятность доведения сообщения, - допустимое время доведения сообщения.

Пусть V/, У2 и Уз - значения канальных скоростей СПД первого, второго и третьего уровней иерархии сети АСУ ОН соответственно; К - множество вариантов значений канальных скоростей СПД первого, второго и третьего уровней, являющееся декартовым произведением вариантов канальных скоростей на первом, втором и третьем уровнях иерархии информационной сети АСУ ОН, т.е.

Л = Д, X Л, X Л,, (2)

где К, , Я2 и - множество значений канальных скоростей СПД первого, второго и третьего уровней соответственно.

Тогда требуется найти вектор каначьных скоростей У*о> на множестве Я такой, что общая стоимость пропускной способности базовых сегментов трехуровневой сети АСУ ОН 5* на их реализацию будет удовлетворять выражению

S'(V,M,V<'\V}r)) = ттВД(,) + к2У.¡r) + к^г)]

e R^ivrWW^.t < С) * PàT (3)

где к|, к2, к3 - коэффициенты пропорциональности между скоростями передачи каналов первого, второго и третьего уровней базовых сегментов иерархической сети АСУ ОН и стоимостью реализующих их каналоформирующе-го оборудования.

Структура решения данной задачи вытекает из структуры процесса доведения сообщений, представленной на рисунке 2. Сделано предположение, что на каждом уровне реализуется доставка сообщений по протоколу типа HDLC. Общее время разбивается на три независимых этапа. На каждом этапе в базовых сегментах имеется своя канальная скорость (Vb V2, V3). Общая вероятность доведения есть произведение вероятности доведения на каждом уровне. Тогда порядок решения задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической СПД таков.

1. Находится требуемая вероятность доведения сообщения в СПД первого, второго и третьего уровня соответственно. Учитывая, что данные вероятности - величины меньше единицы, максимум их произведения будет обеспечиваться только при их равенстве. Отсюда следует

(4)

l ,(/■„,) ад Ь(Ли)

HDLC. V, HDLC, V, HDLC. V,

Рисунок 2 - Структура процесса доведения сообщений

2. Выделяются на каждом уровне иерархии информационной сети АСУ ОН базовые сегменты сети. Из рисунка 1 следует, что на первом уровне иерархии имеется один базовый сегмент, на втором уровне - три сегмента, на третьем уровне - девять сегментов. Полагая, что на каждом уровне иерархии сети доведение сообщения в каждом базовом сегменте сети проистекает параллельно, общая вероятность доведения во всей информационной сети распределяется по базовым сегментам каждого уровня иерархии.

^. = ^..(5) (6) = (?)

где Рщах, f мсг, ?а/гез ~ вероятность доведения в базовом сегменте первого, второго и третьего уровня иерархии общей сети АСУ ОН соответственно.

3. Строится модель доведения сообщений в базовом сегменте информационной сети. Вероятность доведения сообщения по протоколу HDLC есть следующая зависимость

P«c{t£t,) = f{N,Lc, LkB ,p0,V„ Кп, m, ), (8)

где N - число абонентов базового сегмента сети (для рассматриваемого случая jV = 3 - норма управляемости); -ц - длина сообщения в битах; -длина квитанции в битах; Ро - вероятность ошибки в каналах базового сегмента сети; Vj - скорость передачи в каналах базового сегмента сети i -го уровня иерархии; _ коэффициент готовности каналов базового сегмента

сети / -го уровня иерархии; - число повторов сообщения в базовом сегменте сети i -го уровня иерархии.

На основе данной модели находится требуемое число повторов сообщения в базовом сегменте сети на каждом уровне иерархии, обеспечивающее требуемую вероятность доведения P,I:J - 1,3. Знание величины т, позволит найти совокупный объем информации /,, передаваемой в базовом сегменте сети согласно протоколу HDLC, обеспечивающий заданную вероятность доведения искомого (целевого) сообщения. Величина If находится так

I,=ty„H, (9)

где С, - время доведения сообщения в базовом сегменте каждого уровня иерархии с заданной вероятностью доведения на скорости Vm ;

VnH - некоторая эталонная (виртуальная) скорость передачи информации (в расчетах данная величина принимается равной 1200 бит/с).

4. Задача нахождения вектора V*<j> на множестве RJ формулируется в виде задачи нелинейного программирования, при этом полученные значения числа шагов т, являются параметрами оптимизационной задачи, а Т^ - ограничением.

5. Нахождение физически реализуемого варианта V*<3> для иерархической сети АСУ ОН.

Во втором разделе разработаны марковские модели доведения сообщения для варианта двухполюсного и многополюсного базового сегмента информационной сети АСУ ОН, а также алгоритм автоматизированного синтеза матрицы переходных вероятностей (МПВ) поглощающей конечной марковской цепи (ПКМЦ) для произвольного числа ЗУ базового сегмента. Кроме того, приведены особенности моделирования процесса доведения сообщения в базовом сегменте при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов связи базового сегмента.

Структура информационной подсети для типового варианта построения базового сегмента - многополюсной сети с нормой управляемости, равной трем, - представлена на рисунке За, а направленный граф переходов, отображающий процесс передачи в виде ПКМЦ, - на рисунке 36. Состояния этой цепи формализованы следующим образом: S0 - ЗУ-отправитель (В) выдало повтор сообщения, ни одно из ЗУ-получателей (ЗУ], ЗУ2, ЗУЗ) сообщение не получило; Si - какое-либо одно из ЗУ-получателей из трех возможных

(ЗУ 1 или ЗУ2 или ЗУЗ) приняло поитор сообщения и выдало квитанцию; 82 -ЗУ- В от одного ЗУ-получателя квитанцию получило; - второе из двух оставшихся ЗУ-получателей получило повтор сообщения и выдало квитанцию;

- ЗУ-В квитанции от двух ЗУ-получателей получило; - третье ЗУ-получатель получило повтор сообщения и выдало квитанцию; 8<, - одновременно любые два из трех ЗУ-получателей получили повтор сообщения и выдали квитанции; - оба оставшихся ЗУ-получатели получили сообщение и выдали квитанцию; - все три ЗУ-получатели получили сообщение и выдали квитанции; 89 - 8ц - фиктивные состояния, их семантика соответствует состояниям 84, во; 812 - поглощающее и соответствует состоянию, когда квитанции от всех ЗУ-получателей ЗУ-В получены.

Переход анализируемого процесса доведения из одного состояния в другое является случайным и происходит через определенные моменты времени, называемые шагами, при этом длительность шага тш равна либо времени передачи сообщения, либо времени передачи квитанции. Природа исследуемого процесса такова, что его переход из одного состояния в любое другое зависит только от данного состояния и не зависит от того, как процесс в это состояние пришел. Следовательно, анализируемый процесс является марковским, имеющим конечное число дискретных состояний с дискретным временем. Динамика такого процесса хорошо описывается теорией ПКМЦ. Тогда ВВХ доведения сообщений в базовом сегменте описываются уравнением Колмогорова-Чепмена (УКЧ)

С = = (ю)

где '> Р<п> ~ векторы вероятностей состояний процесса на нулевом,

0-1)-м и ;'-м шагах соответственно; Р{„,л - МПВ, которая для данного варианта сети имеет вид (11).

0 Р0| 0 0 0 0 Рм, 0 Рм 0 0 Рои 0

Рю 0 Р12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 Р23 0 0 0 Р2? 0 0 Р210 0 0

0 0 Р32 0 Р)4 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 Р*5 0 0 0 Р49 0 0 0

0 0 0 0 Рм 0 0 0 0 0 0 0 Р512

РбО 0 о 0 Рм 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 Р72 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Р712

Ряа 0 Рк 0 Р»4 0 0 0 0 0 0 0 Р»|2

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

В работе сформированы правила синтеза МПВ для ПКМЦ, отображающей доведение сообщений в базовом сегменте сети при произвольной норме управляемости N.

Пусть N - число абонентов сети передачи данных, тогда 1. Изменяем 1 от 0 до N-1,] от 2 до N и по правилам (П) 1-5

П1: P2i+i,2i = Чкв, при 0 < i < N-l"^ П2: p2l4i,2(i+1) = pKa, при О < i < N-1 ПЗ: P2N-1, (N11XN+2V2-I =Ркв,

при i = N-l у,

П4: p2i.z=qcN"i, при О < i < N-1 Г

П5: P2i. 2N+(2N-j< 1 )(j-2y2+i = С N_i Рс Чс '''

при 2 < j < N, О < i < N-j

+5/Z-2

где z =------

(13)

вычисляем ненулевые элементы первых 2И строк МПВ. Остальные элементы этих строк равны 0.

Рисунок 3 - Структура базового сегмента сети для варианта «1-3» (а) и граф переходов соответствующей ему ГТКМЦ (б)

II. Изменяем] от 2 до N. 1 от 0 до], 1 от 0 до и по правилам 6,7

П 6: P2N+(2N-j+IXj-2V2H2(i+l) _ Cj' ркв' qK„J',

при Г 2 <j <N 1 0<l<j | [ 0 < i < N-j

П7: P3N+( 2N-j+lXj-2)/2-j, (N2+5N)/2= Pkb',

1

A

(14)

при 2<j <N, l=j, i = N-1 вычисляем ненулевые элементы следующих строк МПВ. Остальные элементы этих строк равны нулю.

III. Изменяем i от 0 floN-l и находим номера строк и столбцов МПВ, на пересечении которых стоят 1, т.е. Pz.j, 2i = 1. А остальные элементы предпоследних N строк матрицы (1) равны 0.

IV. Ненулевой элемент последней строки МПВ с номером (N2+5N)/2 стоит в последнем столбце с таким же номером равен 1. Остальные элементы последней строки МПВ равны 0.

В третьем разделе проведено исследование ВВХ доведения сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН для нахождения совокупного объема информации /„ передаваемой в базовом сегменте сети согласно протоколу HDLC, обеспечивающего заданную вероятность доведения искомого (целевого) сообщения.

При расчете величины h рассматриваются следующие варианты вероятности ошибки в каналах связи базового сегмента сети рв={10 ; 5*10 '; 10"3; 104}, что является реальным в условиях сложной помеховой обстановки, вызванной мешающим воздействием сторонних радиосредств. Диапазон значений коэффициента готовности каналов связи базового сегмента сети Кг находится в пределах {0,95; 0,99; 1}, что обусловлено особенностями воздействия на каналы связи как помех от сторонних радиосредств, так и помех естественного и индустриального происхождения. Число повторов сообщения в сети зададим равным 96 (общее число шагов процесса, соответствующее 48 повторам сообщения и 48 повторам квитанции). Длина сообщения равна 120 бит, длина квитанции равна 56 бит. Скорость передачи информации для определенности примем равной V = 1200 бит/с. Подчеркнем, что на данном этапе нас интересует только требуемое число повторов (шагов процесса), которое не зависит от скорости передачи.

На рисунке 4 представлены ВВХ доведения сообщения, в таблице 1 представлены рассчитанные /,.

Рисунок 4 - Графики ВВХ доведения сообщений в базовом сегменте при ро= 10"2; ра=5 * 10"3; рд= 10"3; ро= 10"4 Решена задача нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН.

Рассматривается п-уровневая СПД, построенная по радиально-узлово^у принципу. Предположим, что стоимость канальной скорости

(скорости передачи информации Vk) в канале связи базового сегмента к-го уровня иерархии определяется зависимостью:

S, = к, - У, +С,, S, = к, У2 +С2, ..., S„ =к„ -У, +С„ (15)

где к/, к2ъ ... , к„ - коэффициенты пропорциональности между скоростью передачи информации и ее стоимостью на каждом уровне иерархии;

С/, C¡, ... ,С„ - начальные значения стоимости пропускных способностей, определяемые, например, стоимостью используемого модема. Таблица 1 - Совокупные объемы информации /„ которые необходимо передать в базовом сегменте сети (повторы сообщений и квитанций) для обеспечения заданных ВВХ доставки сообщений на каждом уровне иерархии мши аа ........i 'и i 11 i —"- .. ■ '• V"н1'^"?

По СПД передаются сообщения фиксированной длины по протоколу, аналогичному протоколу HDLC. На каждом уровне иерархии по каналам базовой сети передается совокупный объем бит информации (I/. 12...../„), обеспечивающий доведение целевого сообщения с вероятностью Р^6.

Время передачи совокупного объема бит информации при доведении сообщений в СПД первого и второго уровней соответственно равны:

/, Л /.. (16)

'2 У, ' " V„

Тогда задача нахождения оптимального (минимально достаточного) распределения канальных скоростей всех уровней СПД, обеспечивающих заданные ВВХ доставки сообщений при минимуме расходов на пропускную способность в базовом сегменте, формулируется в виде задачи нелинейного программирования и решается методом множителей Лагранжа. Целевая функция при этом имеет вид:

ДУ') = к, -У, +к, У, + ...+*„■ К„+С = ¿А, У, + С (17)

, 1

где V е Я".

Ограничения с учетом ТЩ = Т приобретают следующий вид:

Я(К)<0=>|^-Г<0 (18)

Общее выражение для метода множителей Лагранжа таково:

щ,у2,...,у.,Л) = £к,-у, + Л(Г-£{;) (19)

Тогда для общего случая решение системы (19) имеет вид:

(20)

(хда

(21)

Т ' ' т'

По выражению (20) проведен расчет минимально достаточных скоростей передачи в каналах связи базовых сегментов первого, второго и третьего уровней иерархической информационной сети АСУ ОН для исходных данных таблицы 1. Поскольку конкретные значения коэффициентов к,, к2, к3 нам неизвестны, примем их равными единице. Тогда оптимизироваться (минимизироваться) будет не стоимость канальных скоростей, а непосредственно значения канальных скоростей всех базовых сегментов общей СПД. Учитывая также, что число уровней иерархии сети равно трем, выражение (20) примет вид (22).

¡ = Гз. (22)

' " ' Т

Пусть требуемое время доведения сообщения в информационной сети АСУ ОН Тпринимает значения из следующего ряда - {10 с; 5 с; 3 с}. Тем самым косвенно учтем временные затраты на обработку сообщения в ЗУ АСУ, а также подготовку радиоканалов к информационному обмену в сети. На рисунке 5 представлены в виде диаграмм минимально достаточные (оптимальные) пропускные способности каналов базовой сети первого, второго

и третьего уровней иерархии при 3 с, Р2Т =0,999 и 0,95.

6000 5000

Скорость 4Д00 передачи 3000

сообщений (бит/с)

2000

РТ- 0,999 =3 с

Н VI

шмг

□ УЗ

Вероятность ошибки на символ

Рисунок 5 - Зависимость минимально достаточных скоростей передачи каналов базовых сегментов информационной сети АСУ ОН от вероятности ошибки при К[=0,95 Известно, что существующие ЗУ АСУ ОН способны вести информационный обмен на скоростях передачи информации, принадлежащих следующему ряду: 1,2; 2,4; 4,8; 9,6; 16; 32; 64 кбит/с. Расчет, проведенный по разработанному программно-математическому аппарат)', показал, что для самых «жестких» условий доставки сообщений требуется

минимально достаточная канальная скорость базового сегмента информационной сети АСУ ОН, равная 5982 бит/с. При этом на стадии эксплуатации от первичной радиосети метрового диапазона будет «отбираться» скорость, ближайшая по возрастанию из указанного ряда, т.е. 9600 бит/с (т.е. 8 временных окон в кадре по 1200 бит/с). Однако, если ряд скоростей передачи информации в ЗУ АСУ сделать кратным 1,2 кбит/с, то ближайшей допустимой скоростью окажется величина 6000 биг/с (т.е. 5 временных окон в кадре по 1200 бит/с). Тогда выигрыш у в снижении требований по скорости передачи к каналам базовой сети составит 9600-6000 5 % ' 9600

Следовательно, использование предлагаемого подхода к заданию требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ ОН позволит на 37,5% снизить выделяемый первичной сетью ресурс пропускной способности.

Разработана методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН, которая представлена на рисунке 6.

Ввод исходных данных

рщкб удоп , , ¡Г ДГ

'ом ■ 'дт ' -Ч-' Ч«'/Л|>Л( •

"ЗЛГ

Расчет требуемой вероятное!и доведения в базовых сечях каждого уровня иерархии РоаЧч РдЬС: " РдЬГЗ ("о формулам <4)-(7))

Синтез МПВ н МШИ для ПКМЦ доведения сообщения в базовом сегменте сети АСУ 011 каждогоуровня иерархии (по правилам (12Н14))

лиг

Расчет числа повторов сообщения и об «»см а передаваемой информации в базовом сегменте сети каждого уровня иерархии т, и ¡i (по

математической модели процесса доведения сообщения в битовом сегменте информационной сети АСУ ОН при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов)

Нахождение минимально достаточных канальных скоростей базовых сегментов каждого уровня иерархии (но решению задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ О! I)

Вывод вектора минимально достаточных канальных скоростей базовых сегментов каждогоуровня иерархии (У*/, У*2, V*})

Рисунок 6 - Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертации исследований решена актуальная, имеющая важное народнохозяйственное значение задача разработки программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи.

В области теоретических исследований получены следующие основные результаты:

• математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН, впервые учитывающая разную длину сообщения и квитанции и конечную готовность каналов;

• методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН, в отличие от известных, снимающая проблему размерности уровней иерархии сети.

Внедрение полученных результатов на стадии проектирования и эксплуатации АСУ ОН ПО позволит, с одной стороны, обеспечи ть удовлетворение требуемых ВВХ доведения сообщений между всеми ЗУ. С другой стороны, также удовлетворить требования по информационному обмену пользователей речевой связи и МКО, что позволит более эффективно использовать общую пропускную способность первичной радиосети связи.

Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:

• разработки научно-методического аппарата оптимизации параметров стека протоколов информационного обмена в базовой сегменте информационной сети АСУ ОН, обеспечивающего более эффективное использование энергетических и спектральных характеристик радиоканалов;

• разработки научно-методического аппарата установления адекватной зависимости между реализованной пропускной способностью СПД и затратами на ее реализацию в широком диапазоне возможных скоростей передачи сообщений.

Список основных трудов, опубликованных по теме диссертации:

1. Цимбал В.А., Климов В.В., Устинов И.А. Оценивание связности базового сегмента информационной сети АСУ с рокадными связями / Информация и космос №2, 2008. - С.22-25.

2. Цимбал В.А., Климов В.В., Устинов И.А. Оценивание связности информационной сети АСУ с рокадными связями на основе связности базового сегмента / Информация и космос №3, 2008. - С. 17-20.

3. Климов В.В., Чайков С.С., Новиков A.B. Решение задачи нахождения параметров подсистемы кадровой синхронизации цифровой сети радиосвязи с подвижными объектами и временным разделением кана-

лов/Труды 63-й Научной сессии, посвященной Дню радио. - М.: РНТОРЭС, 2008. - С.469-471.

4. Цимбал В.А., Климов В.В. Задача нахождения минимально достаточной скорости передачи информации в каналах многоуровневой ИСПД /Труды 64-й Научной сессии, посвященной Дню радио. - М.: РНТОРЭС, 2009. - С.255-257.

5. Климов В.В., Барышев А.Н. Оценивание оперативности доведения сообщений в базовом сегменте сети передачи данных многоуровневой автоматизированной системы управления/Труды VII Российской НТК. - Калуга: КНИИ ТМУ, 2008. - С.62-65.

6. Ковальков Д.А., Климов В.В., Войтов С.Э. Полунатурное моделирование радиоканалов передачи данных/Труды VI Российской НТК. - Калуга: КНИИ ТМУ, 2007. - С.333-335.

7. Цимбал В.А., Климов В.В., Ковальков Д.А., Войтов С.Э. Аппаратно-программное моделирование радиосистем передачи данных/Труды 62-й Научной сессии, посвященной Дню радио. - М.: РНТОРЭС, 2007. -С. 19-20.

8. Климов В.В., Ятульчик О.В., Кулешов В.В. Методика обоснования требований к пропускной способности СПД многоуровневой АСУ/Труды II Международной НПК. - Серпухов, 2008. - С.536-539.

9. Климов В.В., Парамонов Г.Б. Выбор сигнально-кодовых конструкций для радиосистемы передачи данных в условиях воздействия импульсных помех/Труды I Международной НПК. - Серпухов, 2007. - С.374-377.

Ю.Климов В.В. Алгоритм синтеза конечной марковской цепи процесса доведения сообщений в радиальной сети передачи данных/Труды I Международной НПК. - Серпухов, 2007. - С.370-374.

11.Ковальков Д.А., Климов В.В., Крикунов А.А. Компьютерное моделирование радиоканалов передачи данных на физическом уровне/Труды I Международной НПК. - Серпухов, 2007. - С.383-385.

12.Климов В.В. Предложения по построению корректирующих кодов и их декодированию для радиосистемы передачи данных/Труды XV Межрегиональной НТК. - 4.8. - Серпухов, 2006. - С.57-62.

1 З.Климов В.В. Модель процесса доведения сообщений в коммуникационной сети низкочастотного диапазона с нестационарными каналами/Труды XV Межрегиональной НТК. - 4.8. - Серпухов, 2006. - С.63-67.

Н.Климов В.В. Численное решение задачи обоснования пропускной способности сети передачи данных в многоуровневой автоматизированной системе управления/Труды XVII Межрегиональной НТК. - Ч.З. - Серпухов, 2008. -С.71-74.

15.Цимбал В.А., Косарева Л.Н., Климов В.В. Оценивание связности базового сегмента информационной сети АСУ с рокадными связями/Труды XVII Межрегиональной НТК. - Ч.З. - Серпухов, 2008. - С. 183-187.

16.Климов B.B. Задача обоснования пропускной способности сети передачи данных в многоуровневой автоматизированной системе управления/Груды XVH Межрегиональной НТК. Ч.З. - Серпухов, 2008. -С.67-70.

1?.Цимбал В.А., Климов В.В. Стенд моделирования радиоканала на базе IBM PC/Труды XVI Межрегиональной НТК. - 4.2. - Серпухов, 2007. -С.201-203.

18.Ковальков Д.А., Климов В.В., Крикунов A.A. Компьютерное моделирование радиоканалов передачи данных на физическом уровне/Журнал «Информационные технологии в проектировании и производстве», 2008. - №1. - С.72-73.

19.Климов В.В. Подходы к нахождению вероятностно-временных характеристик процесса передачи сообщений в радиальной сети передачи данных с использованием элементов теории конечных марковских цепей/Журнал «Информационные технологии в проектировании и производстве», 2008. - № 1. - С.93-94.

20.Климов В.В., Парамонов Г.Б. Обоснование структуры сигналов и способов кодирования в радиосистемах передачи данных с учетом воздействий импульсных помех/Журнал «Информационные технологии в проектировании и производстве», 2008. - №1. - С.95-97.

21.Климов В.В. Методика нахождения минимально достаточной пропускной способности каналов многоуровневой сети передачи данных/ Труды VIII Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ'2009». - Владимир-Суздаль, 2009. - С.86-88.

22.Патент №73514 на полезную модель «Устройство для моделирования подсистемы кадровой синхронизации», заявка №2007148706/22 от 24.12.2007 г. МПК G06F 15/00 Н04В 7/00. Авторы: Цимбал В.А., Чайков С.С., Климов В.В.

23.Патент №63080 на полезную модель «Устройство для моделирования системы связи», заявка №2006136505 от 16.10.2006 г. МПК G06F 15/00 Н04В 7/00. Авторы: Цимбал В.А., Чайков С.С., Климов В.В.

24.Отчет о НИР «Сектор-2». Научный руководитель Цимбал В.А. - Серпухов: СВИ РВ, 2006.- 102 с.

25.Отчет о НИР «Сектор-2» Научный руководитель Цимбал В.А. - Серпухов: СВИРВ, 2007,- 117 с.

26,Отчет о НИР «Сектор-2» Научный руководитель Цимбал В.А. - Серпухов: СВИ РВ, 2008.- 144 с.

27.Отчет о НИР «Секгор-З» Научный руководитель Цимбал В.А. - Серпухов: СВИ РВ, 2008. - 75 с.

28.Отчет об ОКР «Отлучка» Научный руководитель Цимбал В.А. - Москва: ЗАО «НИВЦ АС», 2008. - 171 с.

Отпечатано: ИП Д. А. Кулаков, г. Серпухов, Борисовское шоссе, 18 тел.: (4967) 39-11-20, 8 (915) 200-86-98 Подписано в печать: 17.07.2009г. Тираж 60 экз.

Введение.

1. Анализ особенностей информационного обмена в сети АСУ общего назначения и задача нахождения требуемой скорости передачи в ее каналах.

1.1. Анализ структуры информационной сети АСУ общего назначения.

1.2. Анализ структуры и протоколов доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения.

1.3. Постановка задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения и направления ее решения

Выводы по первому разделу.

2. Математическое моделирование процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов.

2.1. Марковская модель доведения сообщения для варианта двухполюсной базовой информационной сети АСУ.

2.2. Марковская модель доведения сообщения для вариантов многополюсных базовых информационных сетей АСУ.

2.2.1. Вариант базовой сети АСУ для нормы управляемости, равной двум.

2.2.2. Вариант базовой сети АСУ для нормы управляемости, равной трем.

2.3. Алгоритм автоматизированного синтеза МПВ ПКМЦ для произвольного числа ЗУ базового сегмента информационной сети АСУ.

2.4. Особенности моделирования процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ при разной длине сообщения и квитанции.

Выводы по второму разделу.

3. Обоснование требований по скорости передачи к каналам многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

3.1. Исследование ВВХ доведения сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения.

3.2. Решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

3.3. Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети

АСУ общего назначения.

Выводы по третьему разделу.

Современный этап научно-технического прогресса характеризуется возрастанием объема информации, поступающей к руководителю производства и необходимой для принятия обоснованного управленческого решения. Повышение эффективности управления в настоящее время невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий и прогрессивных математических моделей управления [1, 13, 34, 66, 87]. Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации в системе в целом [61, 62, 70, 79, 84]. Примером таких АСУ являются АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств [33, 35, 36, 57, 59].

АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект — АСУ общего назначения (АСУ ОН), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез ее информационной сети. Отметим, что в АСУ ОН имеются звенья управления (ЗУ), состоящие друг с другом в иерархической зависимости и связанные информационной сетью. При этом, как правило, имеются: верхнее звено управления (ВЗУ), средние ЗУ (СЗУ), нижние ЗУ (НЗУ) и исполнительные ЗУ (ИЗУ). Как правило, в АСУ ОН все ЗУ являются подвижными объектами (ПО).

Необходимость обеспечения высокой динамики управления различными ПО в современных изменяющихся условиях требует совершенствования как АСУ ОН в целом, так и ее информационной сети связи, являющейся материальной базой управления. При этом показателем оперативности управления всех ЗУ в АСУ ОН ПО являются вероятностно-временные характеристики (ВВХ) доведения управляющих сообщений «сверху вниз».

Основу информационной сети для АСУ ОН территориально распределенных ПО составляет система радиосвязи метрового диапазона, спутниковая на базе подсистемы спутниковой связи, тропосферная, а также KB связь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ОН ПО является система радиосвязи метрового диапазона, которая базируется на различных приемо-передающих комплексах (ППК). Кроме того, данные ППК предназначены для резервирования проводных каналов связи между стационарными ЗУ [75, 90]. Особенностью функционирования данных ППК в рамках информационной сети АСУ ОН ПО является формирование ими, так называемых, комбинированных радиосетей, когда передача «вниз-многим» ЗУ осуществляется в радиосети, а «вверх-от всех» ЗУ - в радионаправлениях.

В настоящее время промышленностью РФ ведутся работы по созданию перспективных цифровых ППК метрового диапазона, обеспечивающих передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 и даже 19,2 кбит/с. Его особенностью является то, что, во-первых, его пропускная способность (коммуникационный ресурс) есть цифровые потоки информации (по передаче и приему), во-вторых, эта пропускная способность является ресурсом, разделяемым во времени (по передаче) и разделяемым по времени и по пространству (по приему), в-третьих, формирование сигналов на передающей стороне и их прием и обработка на приемной стороне осуществляется методами цифровой обработки сигналов, в-четвертых, обеспечение заданной помехозащищенности радиоканалов осуществляется за счет использования широкополосных сигналов (ШПС), реализуемых либо способом псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ), либо способом ШПС-ФМ [5, 8, 11, 80, 81].

В настоящее время промышленностью также ведутся работы по созданию перспективного цифрового ППК декаметрового (KB) диапазона, обеспечивающего передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 кбит/с и KB ППРЧ системы, разработанной НПО «Импульс», со скоростью до 22 кбит/с [71, 72].

К настоящему времени предприятиями промышленности НПО «Элас» и ЗАО «НИВЦ АС» уже создана подсистема спутниковой связи, обеспечивающая с помощью земных станций передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 9,6 кбит/с [73, 74].

Данные ППК и системы радиосвязи должны формировать первичную сеть связи для вторичных сетей территориально распределенных ПО: информационную сеть АСУ ОН, вторичную сеть оперативного речевого управления (ОРУ), вторичную сеть межкомпьютерного обмена (МКО). Кроме того, данные канало-формирующие системы должны решать задачу резервирования проводных каналов связи в зоне размещения ПО [75, 90].

Основными типами связей, формируемыми при этом, являются соединения типа «точка-точка». Кроме того, отметим, что развитие систем поддержки принятия решения по управлению ПО в АСУ ОН выявило новый тип трафика - МКО. Как правило, такая передача данных осуществляется в конфигурациях типа «точка-точка». Подчеркнем, что трафик информационной сети АСУ ОН обладает наивысшим приоритетом, речевой трафик — средним приоритетом и трафик МКО — низшим приоритетом [43]. Отметим также, что информационная сеть АСУ ОН строится на основе выделенных (закрепленных) каналов первичной сети, а сети речевого трафика и МКО строятся на основе незакрепленных каналов, выделяемых по требованию [74, 90, 92].

Основным принципом построения указанных ППК различного типа, формирующих первичную сеть, является применение разделяемых во времени цифровых потоков. При этом цифровой поток представляет собой временной кадр, разделенный на некоторое число временных окон, каждое из которых представляет собой единичный канал связи с наименьшей пропускной способностью (например, 1200 бит/с). Реализация функций временного каналообразования и коммутации в ППК (узлах сети) обеспечивает гибкое перераспределение общего коммуникационного ресурса первичной сети между вторичными сетями (АСУ, речь и МКО). Кроме того, такой подход достаточно просто позволяет реализовать рокадные направления в первичной сети связи [14, 19, 24, 50].

Разрабатываемая в настоящее время аппаратура передачи данных (АПД) АСУ ОН способна вести информационный обмен между ЗУ со стандартными скоростями, лежащими в диапазоне от 300 бит/с до 64 кбит/с. При этом на ВВХ доставки сообщений накладываются жесткие требования: доведение управляющего сообщения сверху вниз до всех ИЗУ в иерархической сети АСУ ОН должно быть осуществлено за время не более 10 секунд с вероятностью не менее 0,999 [90].

Вопросам построения сетей с коммутацией пакетов большое внимание уделено в школах таких ученых как Якубайтис Э.А., Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Бутрименко А.И., Глушков В.М., Мизин И.А., Самойленко С.И., Олифер В.Г., Присяжнюк С.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н., Клейнрок JL, Дэвис Д., Барбер Д. и другие [2-4, 6, 7, 10, 12, 15-18, 26, 28, 30, 32, 41, 60, 62, 63, 65, 68, 86, 91, 92, 102]. Однако вопрос обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах сети АСУ ОН для условий выполнения заданных ВВХ доставки сообщений является открытым [44, 46].

В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, необходимость обеспечения требуемых ВВХ доведения сообщений в информационной сети АСУ ОН требует увеличения скорости передачи в ее каналах, с другой стороны, предоставляемый коммуникационный ресурс первичной сети АСУ ОН ограничен потенциальными возможностями канал сформирующих ППК и потребностями вторичных сетей низшего приоритета.

Разрешение этого противоречия заключается в разработке программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доведения сообщений.

Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Обоснование требуемой скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения» на основе разработки соответствующих аналитических зависимостей, правил, алгоритмов и моделей, методики.

Целью диссертационных исследований является обоснование требований по скорости передачи к каналам многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

Объектом исследования является информационная сеть АСУ общего назначения.

Предметом исследований является научно-методический аппарат обоснования требуемой скорости передачи в каналах сети с коммутацией пакетов.

Научной задачей является разработка программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи.

Для решения этой общей научной задачи в диссертации ставятся и решаются следующие подзадачи:

• разработка математической модели доведения сообщений до произвольного числа ЗУ по протоколу HDLC в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения с учетом разной длины сообщения и квитанции и конечной готовности направлений связи;

• нахождение требуемого числа повторов доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения на каждом уровне иерархии, обеспечивающего требуемую вероятность доведения;

• формулирование и решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети передачи данных в общем виде. Решение задачи для типовых исходных данных информационной сети АСУ общего назначения;

• разработка методики обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

В ходе решения этих задач были сформированы следующие результаты, представляемые к защите:

1. Математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов.

2. Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:

• математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения впервые учитывает разную длину сообщения и квитанции и конечную готовность каналов;

• методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения, в отличие от известных, снимает проблему размерности уровней иерархии сети.

Достоверность и обоснованность разработанного научно-методического аппарата подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории поглощающих конечных марковских цепей (ПКМЦ), теории оптимизации, согласованностью полученных результатов расчета с физикой процесса доведения сообщения в иерархической сети с протоколом типа HDLC.

Практическая значимость результатов диссертационных исследований обусловлена тем, что они доведены до уровня методики, алгоритмов и машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации задавать в формируемой информационной сети корректные (минимально достаточные) значения скорости передачи в каналах информационной сети АСУ общего назначения. Использование предлагаемого подхода к заданию требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ общего назначения позволит, как минимум, на 37,5% снизить выделяемый первичной сетью ресурс пропускной способности. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при оценке временных и вероятностно-временных характеристик доставки сообщений в иерархических сетях с каналами разной пропускной способности и качества, а также в вузах при изучении соответствующих учебных дисциплин.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения.

Выводы по третьему разделу

Основу процесса обоснования требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ ОН ПО составляет математическая модель процесса доставки сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН ПО при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности направлений связи. На основе данной модели разработан программно-математический аппарат нахождения ВВХ доставки сообщения в базовом сегменте иерархической СПД с удобным пользовательским графическим интерфейсом. Программный продукт, реализующий данный программно-математический аппарат, представлен в приложении. Использование данного программно-математического аппарата и анализ полученных результатов позволили сделать следующие выводы:

1. Найденные ВВХ доставки сообщения в базовом сегменте информационной сети каждого уровня иерархии соответствуют физике описываемого процесса. При этом выявлено, что:

• чем ниже коэффициент готовности каналов базовой сети, тем большей канальной скоростью должен обладать канал;

• чем «жестче» требования по ВВХ доставки сообщения (чем меньше требуемое время доведения при фиксированной вероятности доведения), тем большей канальной скоростью должен обладать канал;

• найденные канальные скорости являются реализуемыми существующим и перспективным каналоформирующим оборудованием (система подвижной спутниковой связи, ППК «Бутон», адаптивная КВ радиосистема).

2. Решена задача нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО, базирующаяся на известном методе оптимизации множителей Лагранжа. При этом решение получено в общем виде и доказан его минимум. В качестве исходных данных используются массивы информации, циркулирующей в базовом сегменте каждого уровня иерархии СПД.

3. Сформирована методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО, которая позволяет интерпретировать полученное распределение минимально достаточных канальных скоростей в значения реально реализуемых скоростей передачи данных, обеспечиваемых существующими (перспективными) каналоформирующими ППК метрового, декаметрового диапазона частот и спутниковых систем связи.

4. Разработанная методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО применима как на стадии разработки информационной сети, так и на стадии ее эксплуатации.

5. Использование предлагаемого подхода к заданию требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ ОН ПО позволит, как минимум, на 37,5% снизить выделяемый первичной сетью ресурс пропускной способности. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при оценке временных и вероятностно-временных характеристик доставки сообщений в иерархических сетях с каналами разной пропускной способности и качества, а также в вузах при изучении соответствующих учебных дисциплин.

90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высокая значимость осведомленности (информированности) всех ЗУ в рамках АСУ ОН территориально распределенных ПО о ситуациях на каждом из них диктует необходимость гибкого и оперативного управления ПО. Ведущаяся модернизация системы управления ПО затрагивает как ЗУ АСУ ОН, так и ее информационную сеть, которая должна обеспечить выполнение жестких требований по ВВХ доставки сообщений с ВЗУ до всех ИЗУ по радиоканалам метрового, декаметрового диапазонов и спутниковой связи.

В настоящее время разрабатываются и вводятся в технический состав АСУ ОН ПО цифровые ППК метрового диапазона «Бутон», цифровые станции системы спутниковой связи и другие перспективные каналоформирую-щие радиосредства. Их отличительной особенностью является достаточно высокая пропускная способность (до 16 кбит/с и более), которая способна разделяться между различными пользователями системы оперативного управления.

В связи с изложенным возникает актуальная научная задача разработки программно-математического и методического аппарата нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи. Решение данной задачи позволит, с одной стороны, в АСУ ОН ПО обеспечить требуемые ВВХ доведения сообщений. С другой стороны, позволит удовлетворить требования по информационному обмену пользователей речевой связи и МКО, что даст возможность более эффективно использовать общую пропускную способность первичной сети радиосвязи.

В ходе выполнения диссертационного исследования получены следующие основные научные результаты, представляемые к защите:

1. Математическая модель процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов.

2. Методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ общего назначения.

В результате исследований, проведенных в работе, выявлено, показано, доказано и разработано следующее:

• необходимость всестороннего оперативного управления территориально распределенными ПО требует наличия между ЗУ трех информационных подсетей: информационной сети АСУ, сети ОРУ и сети МКО. При этом ЗУ АСУ ОН связаны между собой в рамках информационной сети закрепленными (выделенными) каналами, сети ОРУ и МКО допускают работу как по выделенным, так и по незакрепленным (предоставляемых по требованию) каналам;

• указанные информационные подсети являются вторичными и базируются на первичной информационной сети. Существующая информационная сеть строится на основе морально и физически устаревших ППК метрового диапазона «Бант» и «Бант-М». Пропускная способность существующей такой информационной сети АСУ ОН ПО составляет 1200 бит/с, что является недостаточным для обеспечения заданных требований по ВВХ доставки сообщений;

• в настоящее время промышленностью РФ ведутся работы по созданию перспективных цифровых ППК метрового («Бутон») и декаметрового диапазонов частот (адаптивная KB радиосистема, ФГУП НПО «Импульс»), а также подсистемы подвижной спутниковой связи (НПО «Элас», ЗАО «НИВЦ АС»), реализующих передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 и более кбит/с, что позволит создать на их основе указанные вторичные подсети ПО;

• необходимость обеспечения требуемых ВВХ доставки сообщений в АСУ ОН ПО, с одной стороны, требует увеличения скорости передачи каналов в ее информационной сети, с другой стороны, предоставляемый коммуникационный ресурс первичной сети связи территориально распределенных ПО ограничен потенциальными возможностями кана-лоформирующих ППК и потребностями вторичных сетей низшего приоритета (сети ОРУ и МКО);

• сформированы допущения, в рамках которых возможна формализация и решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи. Данные допущения вытекают, во-первых, из физики исследуемого процесса и, во-вторых, являются типовыми в данной предметной области;

• актуальной является задача нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН при заданных требованиях на ВВХ доставки сообщений и конечной готовности каналов связи. При этом такая информационная сеть является вторичной по отношению к первичной сети, создаваемой на основе перспективных цифровых ППК. Решение данной общей задачи требует решения следующих подзадач:

- разработка математической модели доведения сообщений до произвольного числа ЗУ по протоколу HDLC в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН с учетом разной длины сообщения и квитанции и конечной готовности направлений связи;

- нахождение требуемого числа повторов доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН на каждом уровне иерархии, обеспечивающего требуемую вероятность доведения;

- формулирование и решение задачи нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети передачи данных в общем виде. Решение задачи для типовых исходных данных информационной сети АСУ ОН ПО;

- разработка методики обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ

ОН ПО;

• при норме управления, равной трем, информационная сеть АСУ ОН ПО может иметь базовые сегменты сети в вариантах «один-один», «один-два», «один-три», «один-четыре» и «один-пять»;

• процесс доставки сообщений в базовом сегменте информационной сети АСУ ОН ПО имеет дискретное время, конечное число состояний и в нем соблюдается марковское свойство. Именно поэтому наиболее приемлемым математическим аппаратом для описания исследуемого процесса доставки сообщений являются поглощающие конечные марковские цепи. При этом искомые ВВХ находятся в ходе пошагового решения уравнения Колмогорова-Чепмена;

• разработаны правила автоматизированного синтеза элементов матрицы переходных вероятностей ПКМЦ, которые снимают проблему размерности базового сегмента информационной сети АСУ ОН ПО и, кроме того, учитывают конечную готовность направлений связи;

• решен вопрос с некорректным использованием разных шагов перехода в ПКМЦ, описывающих процесс доставки сообщений в базовой информационной сети АСУ ОН ПО, за счет введения в ПКМЦ фиктивных состояний;

• разработаны правила автоматизированного построения матрицы шагов переходов, снимающие проблему размерности базового сегмента информационной сети АСУ ОН ПО;

• найденные ВВХ доставки сообщения в базовом сегменте информационной сети каждого уровня иерархии соответствуют физике описываемого процесса. При этом выявлено, что:

- чем ниже коэффициент готовности каналов базовой сети, тем большей канальной скоростью должен обладать канал; чем «жестче» требования по ВВХ доставки сообщения (чем меньше требуемое время доведения при фиксированной вероятности доведения), тем большей канальной скоростью должен обладать канал;

- найденные канальные скорости являются реализуемыми существующим и перспективным каналоформирующим оборудованием (система подвижной спутниковой связи, ППК «Бутон», адаптивная KB радиосистема);

• решена задача нахождения минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО, базирующаяся на известном методе оптимизации множителей Лагранжа. При этом решение получено в общем виде и доказан его минимум. В качестве исходных данных используются массивы информации, циркулирующей в базовом сегменте каждого уровня иерархии СПД;

• сформирована методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО, которая позволяет интерпретировать полученное распределение минимально достаточных канальных скоростей в значения реально реализуемых скоростей передачи данных, обеспечиваемых существующими (перспективными) каналоформирующими ППК метрового, дека-метрового диапазона частот и спутниковых систем связи;

• разработанная методика обоснования минимально достаточной скорости передачи в каналах многоуровневой иерархической сети АСУ ОН ПО применима как на стадии разработки информационной сети, так и на стадии ее эксплуатации;

• использование предлагаемого подхода к заданию требований по скорости передачи к каналам информационной сети АСУ ОН ПО позволит, как минимум, на 37,5% снизить выделяемый первичной сетью ресурс пропускной способности. Кроме того, результаты работы могут быть использованы при оценке временных и вероятностно-временных характеристик доставки сообщений в иерархических сетях с каналами разной пропускной способности и качества, а также в вузах при изучении соответствующих учебных дисциплин.

Представляемые к защите научные результаты доведены до алгоритмов и программных модулей, что позволяет их использовать в существующих и перспективных иерархических СПД с радиально-узловой структурой.

Результаты диссертационной работы внедрены в организации МО РФ и в промышленности при разработке новых систем и сетей связи, функционирующих по протоколу аналогичному HDLC. Эти результаты были использованы в частности при выполнении следующих работ:

- в рамках ОКР «Отлучка» в виде математической модели процесса доведения сообщения в базовом сегменте информационной сети АСУ общего назначения при разной длине сообщения и квитанции и конечной готовности каналов (ЗАО «НИВЦ АС»);

- при обосновании ТЗ на ОКР «Бутон» в части обоснования требований по скорости передачи к ППК метрового диапазона в интересах информационной сети АСУ общего назначения (в.ч. 08310);

- при изучении дисциплин по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в учебном процессе СВИ РВ).

В дальнейшем полученные научные результаты, практические рекомендации могут быть использованы предприятиями промышленности и организациями МО РФ при разработке ТТТ и ТЗ к инфотелекоммуникацион-ным системам, функционирующим в режиме коммутации пакетов и обеспечивающим доведение сообщений с «жесткими» ВВХ.

В рамках сформулированной научной задачи дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:

- разработка научно-методического аппарата оптимизации параметров стека протоколов информационного обмена в базовой сегменте информационной сети АСУ ОН ПО, обеспечивающего более эффективное использование энергетических и спектральных характеристик радиоканалов;

- разработка научно-методического аппарата установления адекватной зависимости между реализованной пропускной способностью СПД и стоимостными затратами на ее реализацию в широком диапазоне возможных скоростей передачи сообщений.

1. Антоненко А.Д. Разработка методического аппарата и исследование характеристик физического уровня информационной сети АСУ. Диссертация. кандидата технических наук. МО, 1994.

2. Афанасьев В.В., Горностаев Ю.М. Эволюция мобильных сетей. Серия изданий «Связь и бизнес», М. 2000. 140 с.

3. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Сети мобильной связи / СПб ГУТ, СПб, 1999.-330 с.

4. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Михайлов П.А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование / СПб ГУТ,СПб, 2000. — 196 с.

5. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Петраков В.А., Рыжков А.Е., Сивере М.А. Передача информации в системах подвижной связи / СПб ГУТ, СПб, 1999.- 152 с.

6. Берлин А.Н. Коммутация в системах и сетях связи. — М.: Эко-Трендз, 2006.-344 с.

7. Бернард, Скляр Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е испр. / Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.

8. Борисов В.И. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. М.: Радио и связь, 2000. - 384 с.

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М.: Наука, 1980. - 976 с.

10. В.М. Вишневский, А.И. Ляхов, C.JL Портной, И.В. Шахнович Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005. - 592 с.

11. Варакин JI.E. Системы связи с ШПС. М.: Радио и связь. 1985. - 364 с.

12. Васильев В.И. и др. Системы связи: Учебное пособие для втузов. — М.: Высш.школа, 1987. 280 с.

13. Военный энциклопедический словарь РВСНУ Гл. редактор И.Д.Сергеев.14