автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка методов и алгоритмов моделирования вторичных сетей передачи дискретной информации

На правах рукописи

Мальков Станислав Борисович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Специальность:

05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог - 2005

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете на кафедре систем автоматического управления

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Финаев В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Золотовский Виктор Евдокимович, ТРТУ г. Таганрог;

кандидат технических наук, доцент Янушко Валерий Владимирович, ТРТУ г. Таганрог;

Ведущая организация: ФГУП НИИ «Градиент»

г. Ростов на Дону

Защита состоится «29» декабря 2005г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д212.259.03 по защите диссертаций при Таганрогском государственном радиотехническом университете (аудитория Д-406) по адресу:

пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, г. Таганрог, Ростовская область, 347928

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Автореферат разослан «25» ноября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор , АН. Целых

¿100

Актуальность темы. Развитие экономики России связано с внедрением средств связи, требует решения задач технического и программного оснащения систем и сетей передачи дискретной информации (СПДИ). Актуальными являются задачи проектирования вторичных сетей передачи дискретной информации и организации их оптимального функционирования на выделенных линиях связи.

При решении задачи синтеза СПДИ выбирают критерии оптимальности. Одним из наиболее часто встречаемых критериев оптимальности является время доставки сообщений. При синтезе вторичной СПДИ на первичных линиях связи требуется выбрать такую структуру сети и такие методы управления потоками сообщений, чтобы аренда каналов связи была оправданной, т.е. СПДИ приносила наибольшую прибыль при наименьших эксплуатационных издержках и удовлетворении требований абонентов сети.

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

Объединение методов математического моделирования и эвристических подходов эффективно, т.к. неформальные, экспертные методы системного анализа позволяют анализировать ситуации, соответствующих реальному процессу функционирования сетей передачи дискретной информации. Применение аппарата СМО позволит разработать математические модели и программные приложения для определения оптимального числа абонентов, которых можно «подключить» к каналам сети передачи дискретной информации.

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

Цель диссертационной работы в развитии системных методов синтеза оптимальных по эксплуатации и времени доставки сообщений вторичных сетей передачи дискретной информации.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- исследованы особенности организации и моделирования вторичных сетей передачи дискретной информации;

-разработаны модели для исследования времени задержки сообщения в сетях передачи дискретной информации в виде характеристических функций и функций распределения реального времени;

- разработаны модели для исследования периода занятости и времени ожидания в сети поступающих сообщений;

- разработан метод и имитационная модель для исследования коллизий;

- разработан критерий эффективности вторичной сети передачи дискретной информации;

- разработан метод синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации.

Основные научные результаты:

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

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

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

Практическая ценность результатов работы состоит в применении полученных результатов для решения задач предприятий связи, а также в применении программного обеспечения для задач синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации, определения числа абонентов сети.

Методы проведения исследования. В диссертационной работе использованы методы функционального анализа, теория массового обслуживания, теория вероятностей и математическая статистика, теория построения сетей передачи данных, принципы системного анализа.

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

Достоверность получаемых в диссертации результатов подтверждается логическими выводами, программными приложениями.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на предприятии ФОАО «ЮТК» «КЧЭлектросвязь»; ООО «Цифровые Телефонные Сети», использованы при выполнении НИР «Разработка и исследование методов аналитического синтеза интеллектуальных систем принятия решений и многокритериального управления в условиях неопределенности на основе современных информационных технологий», а также в учебном процессе Таганрогского радиотехнического университета.

Апробация результатов работы. Научные и практические результаты, полученные в диссертации изложены в монографии, в трех статьях, использованы при подготовке и чтении лекций, постановке лабораторных работ

на кафедре систем автоматического управления Таганрогского радиотехнического университета.

Основные результаты докладывались и осуждались на 4-й Всероссийская научная конференция с международным участием молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии разработка и аспекты применения» (Таганрог, 2001); третьей международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002» (Санкт Петербург, 2002); Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (Таганрог, 2003); VIII международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт Петербург, 2004); VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2004); IV международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2004); Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные» САПР» (Таганрог, 2005); Международной научно-практической конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (Таганрог, 2005).

Публикация. По теме диссертации опубликована монография в соавторстве, три статьи и восемь тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 204 страницы машинописного текста, включая введение, четыре раздела, заключение, три приложения на 52-х страницах, список литературы из 103-х наименований, 58 рисунков, 100 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования, научная новизна, практическая ценность работы, основные положении, выносимые на защиту, достоверность и обоснованность научных положений диссертации, апробация работы.

В первом разделе рассмотрены особенности организации и моделирования вторичных СПДИ.

Различают первичные и вторичные сети связи. На первичной сети могут быть образованы ведомственные, коммерческие вторичные сети при аренде отдельных каналов и их пучков различными организациями, предприятиями или юридическими лицами. На эффективность функционирования вторичной СПДИ влияет тип аппаратуры управления распределением информационных потоков, пропускная способность выделенных каналов связи, сетевые и канальные протоколы. Рассмотрена классификация устройств современных систем связи, структура системы связи и классификация коммутационного оборудования.

Выполнен анализ управляемости сетей передачи дискретной информации. Отмечена необходимость применения эвристических методов системного анализа СПДИ, как неформальных методов, требующих научных исследований. Устойчивость СПДИ обеспечивается за счет гарантии выполнения заданных критериев функционирования при изменениях нагрузки в каналах связи. Основными критериями являются время доставки сообщений, надежность сети, стоимость, достоверность передачи информации.

Рассмотрены задачи моделирование сети передачи дискретной информации. СПДИ представима как система, на вход которой подано входное воздействие X, а на выходе существует выходной параметр У. Состояние сети определено вектором Ъ.

Задают матрицу интенсивностей адресных связей Л= | | ац | |, элементы которой определяют «тяготение» абонентов друг к другу, причем ау -интенсивность сообщений, адресуемых от ¡-го абонента к ]-му абоненту сети.

Сообщения характеризуются длительностью в битах и степенью важности 8к, к = 1, К, где к - номер приоритета. СПДИ определена набором:

Од, Н, <2„, В, Ъ, си, АТ, 14, Ь]ч>. (1)

где: - А={а1}, ¡е1={1,2,...,п} - множество элементов сети, п - количество элементов; (}А - множество свойств элементов, 11={г]}, ]е^{1,2,...,т} -множество электрических, функциональных и информационных связей между элементами сети, ш - количество связей между элементами; Ой - множество свойств связей элементов; В- вектор конструктивных параметров; Ъ-цель, обеспечивающая достижение экстремальных значений критериев оптимизации функционирования; и-условия целеобразования; АТ —интервал времени, в течение которого будет существовать сеть; Р*- наблюдатели или лица, принимающие решения, Ьм - язык общения наблюдателей.

Определение (1) соответствует концепции системного аналитического исследования процессов функционирования.

Введено понятие вектора конструктивных параметров сети в виде множества

В={В1,В2,...,ВП}, где В, ={Ь',,1>2,...Ь^}. Под компонентом Ь] вектора В, будем

понимать измеримое состояние ¡-го элемента сети, достигаемое в соответствии с определенной целью (задачей) Определим множество X как

Х=Ах8хРх1хУ, где: А - параметры абонентов сети; в - параметры сообщений, передаваемых по сети; Р - параметры системного программного обеспечения; I

- параметры каналов связи; V - параметры коммутационного оборудования.

Множество выходных параметров сети У определим как Y=KxWxR, где: К

- это критерии эффективности функционирования, - параметры структуры сети, И - множество реакций внешней среды.

Модель СПДИ в теоретико-множественном представлении определим в виде функций переходов и функции выходов. Между элементами множества V, элементами множеств X и В определим соответствие (функция выхода):

Я =<{(Ах8хРх1хУ)х(В,хВ2х...хВи)},(Кх\УхК),С >, (2)

где С - нечеткий график нечеткого соответствия <| . Между элементами множества В, элементами множеств X и В определим соответствие (функция переходов):

ф =<{(Ах8хРх1хУ)х(В1хВ2х...хВп)},(Кх\Ух11), >, (3)

где Р - нечеткий график нечеткого соответствия ф . Графики С , Е нечетких соответствий подлежат идентификации в зависимости от поставленных задач.

Классификация подходов к моделированию сети передачи дискретной информации представлена на рис. 1.

Рис. 1

Модели оценки эффективности функционирования сетей связаны с интегральными критериями, с различными неопределенностями, эффективным способом преодоления которых является имитационное моделирование. Наиболее эффективный результат при моделировании в данном случае дает применение аппарата систем массового обслуживания. В диссертационной работе рассмотрены модели узла коммутации как системы массового обслуживания (СМО).

Так как критерии сети зависят от организации ее функционирования, то выполнен анализ протоколов и стандартов сетей передачи дискретной информации. Рассмотрены структуры и характеристики стандартов.

Рассмотрено образование времени задержки при доступе абонентов к каналам связи и при передаче сообщений по сети. Приведены требования к задержке, вероятности ошибки на один бит, вероятности потери пакета и вероятности передачи пакета не по адресу для основных служб.

Обосновано применение моделей систем массового обслуживания для исследования доступа абонентов к каналам связи и для оценки времени задержки сообщений. Могут быть применены модели одноканальной, либо многоканальной СМО в зависимости от конфигурации сети, числа абонентов, числа каналов связи в пучке. По каналам связи может осуществляться передача сообщений различной степени важности, что определено приоритетами, присваиваемыми сообщениям. В этом случае для описания процессов доступа к каналу связи можно применить следующие модели.

Модель 1. Если во время обработки сообщения поступает сообщение высшего приоритета, то обработка прерывается и начинается обработка поступившего сообщения. По освобождению канала связи от сообщения более высокого приоритета, чем сообщение с прерванной обработкой, последнее дообрабатывается в оставшееся время.

Модель 2. То же, но прерванное сообщение «теряется».

Модель 3. То же, но прерванная обработка сообщения возобновляется заново.

Модель 4. Если сообщение начинает обрабатываться, то оно. обрабатывается до конца, несмотря на поступление сообщения более высокого приоритета.

По виду приоритета будем разделять существующие системы доступа абонентов к каналу связи на системы с абсолютными и системы с относительными приоритетами.

В разделе 2 разработаны модели для исследования времени задержки сообщений. Рассмотрены возможности применения теории массового обслуживания для моделирования СПДИ. При моделировании объектов СПДИ с применением математических схем СМО требуется выделить при формализации понятия: заявка, поток заявок, прибор обслуживания, очередь на обслуживание, дисциплины выбора на обслуживание, закон обслуживания, поток обслуженных заявок, поток потерянных заявок.

Для абонента сети передачи дискретной информации важен один критерий -время доставки информации, поэтому рассмотрены методы, позволяющие разрабатывать аналитические модели для исследования времени задержки сообщений.

Для одноканальной СПДИ с однородным потоком заявок время ожидания при входном пуассоновском потоке определено интегро-дифференциальной моделью Линди-Такача-Севостьянова:

ap(w,t) _ ap(w,t) dt 5w

О

aPiw^ + ajBiw-x^PiM)- (4)

0

где P(x,t)=P[w(t)^x] - вероятность того, что сообщение, поступившее в момент t, имеет время задержки w(t) меньшее либо равное х, В(х)=Р(хп^х) -распределение продолжительностей времени Хп=*п-*п-1 передач. Для стационарного режима (а - величина постоянная) уравнение (4) примет вид:

Если применить к уравнению (5) преобразование Лапласа-Стилтьеса, то для распределения Р^) будет получена характеристическая функция:

где р(я) — характеристическая функция распределения ВО).

По виду приоритета будем разделять СПДИ на сети с абсолютными и системы с относительными приоритетами. В сетях с абсолютными приоритетами при поступлении сообщения высшего приоритета оно либо ■Немедленно принимается к передаче, независимо от того, осуществлялись или нет операция с сообщением низшего приоритета. Происходит прерывание операции с сообщением низшего приоритета, которая возобновляется по окончании операции с сообщением высшего приоритета в той временной точке, в которой произошло прерывание, либо ожидает конца операции с ранее поступившим сообщением. В этом случае вероятностный процесс описывается так же, как в выше рассмотренных моделях 1 и 4.

В сетях с относительными приоритетами при поступлении сообщения высшего приоритета во время операции с сообщением потока низшего приоритета сообщение высшего приоритета принимается к операции только после окончания обработки всех находящихся в сети сообщений низших приоритетов. Прерывания операций не происходит. Сообщения одного приоритета в сетях с приоритетной передачей сообщений становятся в очередь на передачу и обработку, если сеть занята.

Для СПДИ с радиальной структурой, с циркулярной передачей и обработкой сообщений, рассматриваемой как одноканальной СМО с групповым поступлением требований, определена функция распределения времени задержки Р^(^х]=\¥(1,х), как вероятность того, что сообщение, поступившее в момент I, имеет время задержки меньшее либо равное х. Функция распределения времени задержки определена дифференциальным уравнением:

(5)

(6)

s

cWrt.*> flWit.** nit)

W(t,0)[l-B(x)J,

(7)

где В(х) - функция распределения времени передач. Преобразование Лапласа-Стилтьеса решения уравнения (7) имеет вид:

1- |е,и!1р(и)|\У(и,0)х о

Р00

А

(1-р(8) + 8(1-р(и))

ёиУ.

Для стационарного режима уравнение (7) примет вид

йх р1

Преобразование Лапласа-Стилтьеса уравнения (9) имеет вид:

Ф(8) = 1-р + /-[1-Р(8)] Р,8

(8)

(9)

(10)

Для СПДИ с шинной топологией, функционирование которой аппроксимируется приоритетной СМО по типу «модель 1», получена функция распределения времени задержки сообщений, определяемая интегро-

дифференциальным уравнением

ь ж " (»)

¡-1 О

где с^ - интенсивности потоков сообщений 1-ых приоритетов, Вс1(х) -дополнение функции распределения времени передач сообщений ¡-ых приоритетов. Преобразования Лапласа-Стилтьеса уравнению (11) определит характеристическую функцию распределений \¥к(1,х) для каждого к:

1

-в!«

Wk(u,0)du

(12)

где Г(«,8) = 2о.(0-2а!(0р.(»), а(1)= /«.(и^и-

1=1 О

Для стационарного режима, при котором а! - постоянные величины, функция распределения времени задержки определится уравнением

<1\Ук(х) к к х

ах

=£а^(х)-Ёа1/вс»(х-у)^(у) (13)

¡=1 0

Применяя преобразования Лапласа-Стилтьеса к уравнению (13), получим характеристическую функцию распределений Wk(x) для каждого к:

к

1-ЕР.

Фк(8) =-£-Ы-. (14)

¡.1 в

Для СПДИ с относительными приоритетами сообщений определена функция распределения вероятностей времени задержки в виде интегро-дифференциального уравнения

3Wk(t,x) = 5Wk(t,x)

dt ôx i=1 i=1

-¿ai(t)Wk(t,x)+¿ai(t)/Bc.(x-y)dyW1[(t,y), (15)

где характеристическая функция для каждого распределения ВС|(х) определится

М*)=ЙМ8) (,6>

3=1

Применив преобразования Лапласа-Стилтьеса к уравнению (15), получим характеристическую функцию для распределения Wk(t,x):

t

1-8/е-,и+Г(1Х(и,0)<1|1 , (17)

Ok(t,s) = e*-f(t)

где Г(х) = £а.(х)-£а,(х)ПРД8); a(t) = fa,(u)du. i-i 1-1 н «

При условии стационарности ^а^р^ < 0 функция распределения

1-1 j=i

времени задержки определится уравнением

dW fi) k k V

—nLi = Ëa,(t)Wk(X)-£a1(t)fBri(X-y)dyWk(y). (18) 01 i=l 1=1 о

Характеристическая функция для распределения Wk(x) определится формулой:

Фк(з) ~ h м J1— <19>

i-Z^H-nAC)]

i-1 s j=l

При исследовании времени задержки сообщений в СПДИ с входящим потоком сообщений при ограниченном последействии и экспоненциальном

времени передач с параметром 1/^1 распределение времени задержки имеет вид:

уг-к во

(р+1)г

+ |\У(х-у)е ^у

_^(х+у)е<*У_к<1у +

к)• о

решение которого определится выражением

(х) = 1 - ,

(20)

(21)

а

где

а = 1-цЭх, (-)г= 1-цр,.

а+ц

Степень интенсивности эксплуатации каналов связи в сетях - важный показатель функционирования, который интегрируется со временем задержки сообщений в практике проектирования вторичных сетей, т.к. прибыль от эксплуатации вторичной сети образуется в процессе использования каналов для работы с сообщениями пользователей. Теория массового обслуживания позволяет производить количественную оценку степени интенсивности использования каналов связи, т.к. процесс обслуживания требований в СМО идентичен процессам выполнения операций с сообщениями в сети.

Определен период занятости в сетях с радиальными каналами без отказа соединения, как функция суммы случайных величин - периодов занятости отдельных 1-ых каналов, распределенных по законам передач соответствующих потоков сообщений. Характеристическая функция плотности распределения периода занятости для системы с п параллельными каналами имеет вид

1>1

П1+й8

1=1

(22)

где

Р,(«)-

1+р;в

преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распределения

времени передач В.(1) -1-е р1.

Характеристическая функция Эрланговского распределения времени

1

передач сообщений порядка г имеет вид =

-. При условии, что

о+р;*)г

распределение времени передач сообщений по всем каналам одинаково и имеет

математическое ожидание рь плотность распределения периода занятости действительного параметра времени в этом случае определится формулой

п„т =-е *. (23)

(Р,Г Г(иг)

Произведено определение периода занятости в сети при последовательных спорадических операциях с сообщениями. Примером является структура сети с общей шиной.

Из характеристической функции периода занятости для систем с к приоритетами определена функция распределения

При эрланговском распределении времени передачи определено распределение периода занятости действительного параметра 1 при пуассоновском входном потоке сообщений

X ^сг/^а+рг^1'-1^. (25) 1=1 1 п»(г+1)1-1 Р1 п •

Получена модель периода свободного состояния системы, т.е. ожидания поступления требований. Для организации эффективного функционирования вторичной сети передачи дискретной информации данная оценка важна, т.к. прибыль от использования арендуемых каналов связи в данные отрезки времени не поступает, а аренда каналов оплачивается. Для инженерных расчетов достаточно определить - первый момент распределения времени ожидания сетью поступающих сообщений от абонентов. Моменты функции распределения времени ожидания сетью сообщений соответственно определяются:

у _а-Р)Р.; у _(1-2р)Р? (26)

2рг Уг~ 2р4

В разделе 3 разработан метод исследования коллизий, позволяющий вводить реальные параметры доступа в канал абонентов (станций) сети и получать оценки вероятностей возникновения коллизий.

Произведено описание и выполнен анализ существующих методов доступа к каналу. В исследованиях диссертационной работы уделено главное внимание методу СБМА/СО, обеспечивающему высокую эффективность в сетях магистрального типа.

Рассмотрено три основных подхода для реализации стандарта случайного доступа к среде: непостоянный, 1-постоянный и р-постоянный.

Разработана математическая модель для решения задачи исследования коллизий.

Адресация сообщений между абонентами (станциями) задается матрицей интенсивностей адресных связей (МИАС) Л= | | а.^ | |. Длина сообщения (кадра) может быть в пределах от 64 байт до 1518 байт, поэтому необходимо задать вероятностное распределение длин сообщений (в битах) в виде матрицы средних длин сообщений (МСДС) В= | | ßy | |, где ßy - средняя длина сообщения, адресованного i-ой станцией к j-ой станции.

Загрузка (степень использования) канала связи определится по формуле:

¡=1 J=1 к

где R - пропускная способность канала, выраженная в бодах.

Рассматривая канал связи, как одноканальный прибор обслуживания,

определим вероятность нахождения его в занятом состоянии:

Pjic = — (28)

1 + р

Вероятность того, что в канал связи выйдет сразу к станций при предложении пуассоновского распределения потока сообщений абонентов и экспоненциальном распределении длин сообщений, определены по формулам Эрланга:

Р"

р __kL (29)

гк ~ k i

Вероятность того, что в канал не выйдет с сообщением ни одной из станций определится формулой:

Р0=—Ц- (30)

tfiJ

Размер коллизионного домена MD определится как математическое ожидание событий, вызывающих коллизию, по формуле:

MD=jrp,i. (31)

¡=2

Вероятность появления сообщения за минимально возможный отрезок времени At, равный передачи одного бита информации, определится формулой

Pi(At) = 1 - exp{-£ ayAt} * X a4At. (32)

i—1 i=l

Зная вероятность Pi(At), можно определить вероятность одновременного выхода в канал двух станций Р2, трех станций Р3 и так далее.

Для исследования случайного доступа к каналу разработаны алгоритмические модели доступов абонентов к каналу: непостоянный, 1-постоянный и Р-постоянный.

Вероятность того, что станция застанет канал занятым, определяется по формуле:

■ ■

„ . ЕЕр«

'«-ЕЗХ-^Ч?—■ (33)

¡=1 ¡=1 п

На время доставки сообщений будет влиять помехоустойчивость приема кадра. В результате имитационного моделирования можно найти значение вероятности искажения одиночного символа Рош, что позволяет рассчитывать корректирующую способность циклического кода, который применяется в модемах при передаче данных по дискретному каналу.

Для исследования времени доставки сообщений адресации (У) разработана имитационная модель, в основу которой положен алгоритм протокола СвМА/СБ. Протокол множественного доступа к каналу СБМА/СБ обладает возможностью разрешения коллизий. Для своевременного обнаружения коллизий станция непрерывно прослушивает среду во время передачи собственных сообщений.

Разработка адекватной аналитической модели, которая бы представляла собой функциональное отображение всех входных параметров задачи во время доставки сообщений, является неразрешимой задачей из-за сложности структурирования отношений между параметрами задачи и временем задержки, невозможностью вывода аналитических отношений. Поэтому предложенный эвристический метод оценок параметров коллизий и разработанная имитационная модель удобны для решения задачи по оптимизации времени доставки сообщений. Разработан план проведения эксперимента, направленного на исследование информационных параметров сети.

В разделе 4 разработан метод синтеза вторичной сети передачи дискретной информации, отличающийся от известных интегрированным учетом показателей сети: задержек при передаче сообщений абонентов, простоев оборудования сети, достоверности передачи сообщений и интенсивности отказов оборудования.

Произведено исследование эффективности функционирования сетей с шинной и радиальной топологией с равнозначными сообщениями абонентов в зависимости от изменения коэффициента загрузки, длительности и функции распределения времени передач сообщений, длины кода, его избыточности, суммарной интенсивности отказов элементов сети, частоты импульсных помех, стоимости системы и каналов связи.

Рассмотрены принципы построения вторичных сетей. Синтез вторичной СПДИ рассматривается как задача поисковой оптимизации с позиции оптимизации стоимости и времени задержки сообщений. В качестве

переменных функционала оценки эффективности f(X|,x2,...,x„) могут быть приняты:

- стоимости узлов коммутации и каналов связи;

-задержки при передаче, выраженные также через стоимостные оценки задержек из-за занятости оборудования, а также задержек из-за исправления ошибок в сообщениях, вносимых помехами;

- затраты на обслуживание и другие факторы.

Эффективность вторичной СПДИ определена в виде математического ожидания выходного эффекта за определенный период времени:

F(x)= ¡С, (x)dll(x)+ JCj (x)dW(x)+ Jc3 (x)dPM (x)' (34)

XXX

где П(х) - функция распределения периода занятости; Ct(x) - функционал, определяющий прибыль в зависимости от интенсивности эксплуатации вторичной СПДИ; W(x) - функция распределения времени задержки сообщений; С2(х) - функционал, определяющий потери, вызванные задержкой сообщений абонентов вторичной СПДИ; Р0„(х) - вероятность ошибочного приема сообщения абонента; С3(х) - функционал, определяющий потери обусловленные ошибочной передачей сообщения абонента; X={xi,x2,...,x„} -параметр (вектор) оптимизации, заданный на множестве Х1хХ2х...хХш где Х| - область определения переменной x¡.

Если при оценке эффективности вторичной СПДИ использовать усредненные значения, то формула (34) примет вид

F=C,*,+CiWi+C2(l-Pnp)T, (35)

где Т - время, на которое рассчитывается эффективность вторичной СПДИ, «i - математическое ожидание периода занятости, wj - математическое ожидание времени задержки сообщений.

Коэффициент С! (руб./ед.времени) определяет ту прибыль, которую приносит эксплуатация вторичной СПДИ - положительный эффект от передачи сообщений абонентов сети, коэффициент С2 (руб./ед.времени) есть средняя величина потерь, обусловленных задержкой сообщений абонентов, возможными простоями оборудования, уплатой «штрафов» и прочее, коэффициент С3 (руб/ед.времени) есть величина средних потерь, обусловленных искажениями сообщений абонентов, простоя оборудования вторичной СПДИ, вследствие отказа ее компонент.

Затраты на линию связи определены: Цк (t) = Сп (Al)+Сп (Af)t, как сумма

первоначальных затрат (^(Af) и затрат, пропорциональных времени эксплуатации сп (Af)t • Затраты на передачу, коммутацию и прием сообщений абонентов определены: Цс (t) - Сп>(Qc,М)+Сп (Q,M)t, как сумма первоначальных затрат cn>(Qc,M) и затрат, пропорциональных времени С„ (Q,M)t • Введем условия нормирования коэффициентов Сь С2, С3:

Цс+Цк=1, С,+С2+С3=1. (36)

Величину коэффициента С2 определим через величину коэффициента С^

Сг=^ (37)

Если стоимость прибыли и затрат, связанных с функционированием вторичной СПДИ отнести к стоимости аппаратуры Цс и стоимости канала связи Цк сети, то коэффициенты Сь С2, С} определятся из системы уравнений:

„ Цс „ Цсу! Цз=—^--(38)

Эффективность вторичной СПДИ определится по формуле:

г Цс*,___Цс*? ЦКРМТ (39)

Ги-^Це+Ц,) Л^К + Ц,)

V *1) \ )

Разработаны этапы проектирования вторичной СПДИ.

С учетом ожидаемой задержки сообщений удельная скорость передачи информации для идеального случая безошибочной передачи сообщений с неизбыточным равнодоступным кодом Су определится формулой

_ пкцк (40)

' (Р, +*Г,)Р

Для реального случая оценку удельной скорости передачи сообщений будем оценивать по формуле

^ ^отн.эф^язбр.прСу, (41)

где котн.эф - коэффициент относительной эффективности; кнзбр.пр - коэффициент преднамеренной избыточности.

Зная моменты распределений периода занятости щ и времени "ожидания вторичной СПДИ сообщений, введем оценку эффективности в виде дроби, в числителе которой показатели, увеличивающие значение эффективности, а в знаменателе - уменьшающие величину эффективности:

Цся,__(42)

Р =

Исходя из критериев оценки эффективности, составим методику действий при проектировании вторичной СПДИ.

Этап 1. Наиболее существенными параметрами вторичной СПДИ, которые подлежат определению, являются скорость передачи, занимаемая полоса частот, превышение мощности сигнала над мощностью помехи, помехоустойчивость системы. В технических условиях ставится задача обеспечения требуемой скорости сообщений при определенной верности

приема. Выбор частот, отношения сигнал/шум, кода, обеспечивающего требуемую достоверность передачи, позволит определить максимальную величину коэффициента загрузки р.

Этап 2. Зная, что р=арь находим верхний предел допустимых значений длительности передач Рим,.

ЭтапЗ. Анализ формулы (42), определение коэффициентов Сь С2, С3, через Ць Ц2 позволяет установить условие эффективного кодирования

р я>1-М. (43)

"р цкт

Исходя из условия (43), производится определение нижнего дела допустимых значений длительности передач Рш,,.

Этап 4. При выбранной длительности передач Р! по требуемой достоверности Рпр происходит выбор кода, его параметров.

Этап 5. При выбранных и уточненных параметрах производится оценка эффективности по формуле (49) или (35).

Выполнены исследования сети с шинной топологией, и со спорадической передачей равнозначных сообщений абонентов сети, которые принимаются к передаче в порядке поступления.

Определение эффективности сети при постоянной длительности передач осуществляется по формуле

р____(44)

Цср1Р1+Т(1-Цс)4(1-р)^ + ^Р.я

Определение эффективности сети с экспоненциальным распределением длительности передач осуществляется по формуле

Ж-__^___. (45)

ЦсР'МО-Ц^-Р^ТР...

Выполнены исследования сети с радиальной структурой при постоянной длительности передач

Эффективность сети с радиальной структурой при постоянном времени передач сообщений абонентов определится формулой

р =___(46)

Р,Цс(1-е ")ге гр+(1-Цс)е р[2+е р(1-е (>)]2ТРош

Эффективность сети с радиальной топологией при экспоненциальном распределении длительности передач сообщений абонентов определится формулой

р =-ЗеЁ!-. (47)

Р1Цс(1-е-р)2е-2р+(1-Цс)е-р[1 + е-р(1-е-р)]2ТРош

Выполнены исследования сети с шинной топологией, в которой осуществляется передача сообщений трех приоритетов: поток П^О сообщений абонентов первого приоритета с интенсивностью а,; поток П^) сообщений абонентов первого приоритета с интенсивностью а2; поток П3(1) сообщений абонентов первого приоритета с интенсивностью а3.

Эффективность функционирования сети с шинной топологией и передачей сообщений трех приоритетов определится формулой

р =-^Т1—,-;-т- (48)

+ СЛ +См1¥и +|С31 (1_е-^) + СяР_]т

Определены условия выбора допустимых задержек сообщений каждого из приоритетов и времени передачи сообщений. Заключение содержит выводы о работе:

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

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

Получены новые научные результаты:

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

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

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

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

- исследованы особенности организации и моделирования вторичных СПДИ;

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

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

- разработан метод синтеза вторичных СПДИ.

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ

1. Мальков С.Б. Самоорганизующиеся сети, высокой стабильности // Тезисы докладов 4-й Всероссийская научная конференция с международным участием молодых ученых и аспирантов «Новые информационные технологии разработка и аспекты применения». - Таганрог: ТРТУ, 2001.

2. Мальков С.Б. Планирование радиотелекоммуникационных сетей. Электронный журнал ТРТУ «Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы» Xsl. 2002. -http://pitis.tsure.ru

З.Чернов Н.И., Мальков С.Б. Системы передачи данных повышенной достоверности//Тезисы докладов Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Информационные технологии, системный анализ и управление». - Таганрог: ТРТУ, 2003

4. Мальков С.Б. Компьютерное моделирование транкинговых сетей связи // Тезисы докладов третьей международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002». - Санкт Петербург. СПб ГПУ, 2002.

5. Мальков С.Б., Макаров С.С., Финаев В.И. Системное проектирование вторичных сетей передачи дискретной информации//Тезисы докладов VIII .международной научно-практической конференции Системный анализ в проектировании и управлении. Часть 2. - Санкт Петербург. СПб ГПУ, Изд-во «Нестор», 2004

6. Мальков С.Б., Финаев В.И. Задачи проектирования вторичных сетей передачи дискретной информации//Тезисы докладов VII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». - Таганрог, ТРТУ, 2004.

7. Мальков С.Б. Модели систем массового обслуживания//Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. №7(42). С. 94 - 101.

8. Мальков С.Б., Макаров С.С., Финаев В.И. Моделирование коллизий в информационно-вычислительных системах/ЛГезисы докладов IV международной научно-практической конференции Моделирование. Теория, методы и средства. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004.

9. Мальков С.Б. Задачи интерактивного синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации //Тезисы докладов XII международной конференции «Туполевские чтения»,2004.

10. Финаев В.И., Мальков С.Б. Модели для исследования занятости вторичных сетей связи//Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Интеллектуальные САПР». Материалы Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. №3 (347).

11. Мальков С.Б., Пушнин A.B. Оптимизация загрузки арендуемых каналов связи//Тезисы докладов Международной научно-практической конференции

«Оптимальные методы решения научных и практических задач». - Таганрог: ТРТУ, 2005.

12. Финаев В.И., Мальков С.Б. Аналитико-эвристические методы моделирования и синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации. Монография. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.

Лично автором в работе [3] исследован метод повышения достоверности; в работах [5,6] разработан системный подход к решению задачи проектирования вторичных сетей; в работе [8] разработан метод моделирования коллизий; в работе [9] разработаны модели для исследования времени задержки в сетях; в работе [10] разработаны модели для исследования периода занятости; в работе [11] предложен подход для определения эффективности использования арендуемых сетей; в работе [12] разработан метод синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации.

Соискатель

С.Б.Мальков

ЛР№ 020565 от 23.06.97 Подписано к печати Формат 60x84 '/16

Бумага офсетная Офсетная печать

Усл. п. л. - 1,2 Уч.-изд.л. - 1,0

Заказ № 328 Тираж 100 экз.

«С»

Издательство Таганрогского государственного

радиотехнического университета, Некрасовский 44, ГСП 17А, Таганрог 347928 Типография Таганрогского государственного радиотехнического университета,. 2005 г.

№24462

РНБ Русский фонд

2006-4 25400

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

1.1. Назначение вторичных сетей передачи дискретной информации.

1.2. Управляемость сетей передачи дискретной информации.

1.3. Моделирование СПДИ.

1.4. Анализ протоколов и стандартов СПДИ.

1.5. Время задержки информации.

1.6. Обоснование применения моделей систем массового обслуживания.

1.7. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВРЕМЕНИ 3АДЕРЖКИ СООБЩЕНИЙ.

2.1. Особенности применения методов теории массового обслуживания.

2.2. Исследование времени задержки сообщений в системах с радиальными каналами.

2.3. Исследование времени задержки сообщений в системах с абсолютными приоритетами.

2.4. Исследование времени задержки сообщений с относительными приоритетами.

2.5. Время задержки сообщений при эрланговском входном потоке сообщений.

2.6. Модели периода занятости.

2.7. Определение времени ожидания поступающих сообщений.

2.8. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ КОЛЛИЗИЙ.

3.1. Методы доступа к моноканалу.

3.2. Алгоритмы доступа к моноканалу.

3.3. Разработка математической модели для задачи исследования коллизий.

3.4. Разработка имитационной модели для исследования коллизий.

3.5. Анализ времени доставки сообщений.

3.6. Оптимизации времени доставки сообщений.

3.7. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ СИНТЕЗА ВТОРИЧНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ.

4.1. Принципы построения вторичных сетей.

4.2. Синтез вторичной сети, как задача поисковой оптимизации.

4.3. Формализация критерия эффективности.

4.3. Этапы проектирования вторичной сети.

4.4. Исследование сети с шинной топологией.

4.5. Исследование сети с радиальной структурой.

4.6. Исследование сети с приоритетной передачей сообщений.

4.7. Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

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

Определим основную задачу проектирования и исследования вторичных СПДИ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- исследование особенностей организации и моделирования вторичных СПДИ;

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

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

- разработка метода исследования коллизий;

- разработка имитационной модели для исследования коллизий;

- разработка критерия для оценки эффективности вторичной СПДИ;

- разработка метода синтеза вторичных СПДИ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение содержит выводы о работе.

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

Результаты работы внедрены:

- на предприятии;

-в госбюджетной НИР 13158 «Разработка методов моделирования и проектирования программно-аппаратных средств распределенных информационно-управляющих систем»;

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

Получены новые научные результаты:

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

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

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

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

- исследованы особенности организации и моделирования вторичных СПДИ;

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

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

- разработан метод синтеза вторичных СПДИ.

1. Блауберг И.В., Юдин Э.Т. Становление и сущность системного подхода. -М.: Наука, 1973 . 240 с.

2. Волков В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. -СПб.: Издательство СПбГТУ, 1997. 510 с.

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

4. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных. В 2-х томах. М.: Мир, 1975.

5. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488 с.

6. Перегудов Ф.И., Тарасенко В.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989.-367 с.

7. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. М.: Мысль, 1978. - 204 с.

8. Флейшман Б.С. Основы системологии. М.: Радио и связь, 1982. - 272 с.

9. Дэвис Д., Барбер Д., Прайс У., Соломонидес С. Вычислительные сети и сетевые протоколы. М.: Мир, 1982. - 562 с.

10. П.Лазарев В.Г., Саввин Г.Г. Сети связи, управление и коммутация. М.: Связь, 1973-264 с.

11. Лазарев В.Г., Паршенков НЛ. Игровой метод динамического управления сетью связи. Сб. Построение управляющих устройств и систем. М.: Наука, 1974.

12. Лазарев В.Г. Электронная коммутация и управление в узлах связи. — М.: Связь, 1974.

13. Макстеник М. Сравнение сетевых архитектур. Сети, №2, 1997 (http://www.osp.ru/nets/1997/02/14.htm).

14. Савельев А. Современные протоколы маршрутизации. "LAN/Журнал сетевых решений", №12, 1998 (http://www.osp.ru/lan/1998/12/108.htm).

15. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределённая обработка данных. Пер с англ. /Под ред. Штаркмана B.C. М.: Финансы и статистика. 1985.

16. Захаров Г.П., Симонов М.Б., Яновский Г.Г. Службы и архитектура широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания. М.: Эко-Трендз. Сер. Технологии электронных коммуникаций. Том 41, 1993.

17. David Е., McDysan, Darren L. Spohn. ATM: Theory and application. Mc Graw-Hill. 1994.

18. Шварц M. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. М.: Наука, 1992.

19. Симонов М. В. ATM: Технология высокоскоростных сетей. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1997.

20. Куо Ф.Ф. Протоколы и методы управления в сетях передачи данных. М.: Радио и связь, 1985.

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

22. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Пер. с англ. М.: Наука, 1979.

23. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.

24. Климов Г.П. Стохастические системы обслуживания. М.: Наука, 1966. - 243 с.

25. Саати Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М. -Сов. Радио, 1971.

26. Пушнин А.В. Разработка аналитико-эвристических системных методов синтеза структур и управления потокораспределением в сетях связи/Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Таганрог: библиотека ТРТУ, 2000.

27. Теория телетрафика. Пер. с нем./Под ред. Башарина Г. П. М.: Связь, 1971.

28. Шибанов B.C., Греков В.В. Новые телекоммуникационные технологии. СПб.: Издательство СПбГТУ. Телекоммуникационные технологии. Вып. 1, 1995.

29. Лазарев В.Ю. Эффективность применения динамического управления потоками вызовов на ГТС. Сб. Построение устройств управления сетями связи». М.: Наука, 1977. с.27-31.

30. Craig Hunt. ТСРЯР Network Administration. Nutshell Handbook. O'Reilly and Associates, 1992

31. В.Ф. Гузик, B.H. Решетняк, В.Г. Сидоренко Проектирование распределенных информационно-вычислительных сетей. Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ, 1996. 103 с.

32. Лазарев В.Г. Эффективность применения динамического управления потоками вызовов на ГТС. В сб. Построение устройств управления сетями связи. М.: Наука, 1977. С. 27-31.

33. Светлицкий А.М., Сагач В.В., Тавужнянский Г.Д. Децентрализованное управление распределением информации в сети с коммутацией сообщений. В сб. Построение устройств управления сетями связи. М.: Наука, 1977. С. 13-16.

34. Голоборцев Н.И. Адаптивные алгоритмы управления коммутационными системами. В сб. Сети связи и дискретные устройства управления. М.: Наука, 1976. С. 40-49.

35. Чернов Н.И., Мальков С.Б. Системы передачи данных повышенной достоверности//Тезисы докладов Всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Информационные технологии, системный анализ и управление». — Таганрог: ТРТУ, 2003

36. ITU-I. Recomendation G.164. Stability and Echo. Rev. 1, Geneva, 1991.

37. Мальков С.Б. Планирование радиотелекоммуникационных сетей. Электронный журнал ТРТУ «Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы» №1. 2002. http://pitis.tsure.ru

38. ITU-T. Recomendation 1.350. General Aspects of Quality of Service and Network Performance in Digital Networks. Including ISDN. 1988.

39. Мальков С.Б. Компьютерное моделирование транкинговых сетей связи // Тезисы докладов третьей международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2002». Санкт Петербург. СПб ГПУ, 2002.

40. Блох Э.Л., Попов О.В., Турин В.Я. Модели источника ошибок в каналах передачи информации. М.: Связь, 1971. - 312 с.

41. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных. М.: Радио и связь, 1982.-680 с.

42. Финаев В.И. Моделирование при проектировании информационно-управляющих систем. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. - 118 с.

43. Советов Б.Я. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.48.0птнер С. Системный анализ для решения деловых и промышленныхпроблем. М.: Сов. радио, 1969. — 216 с.

44. Месарович М., Такахара И. Общая теория систем: математические основы. -М.: Мир, 1978.-311 с.

45. Холл А. Опыт методологии для системотехники. М.: Сов. радио, 1975. - 448с.

46. Бурбаки Н. Теория множеств. М.: Мир, 1965. - 455 с.

47. Финаев В.И. Введение в теорию множеств. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. - 38 с.

48. Бусленко Н.П. Моделирование систем. М.: Наука, 1978.

49. Захаров Г.П. Статистика телефонной связи зарубежных стран. Техника средств связи. Сер. ТИС, вып. 1., 1989.

50. ITU-I. Recommendation 1.413. Basic User-Network Interface. Rev. 1, Geneva, 1993.

51. ITU-I. Recommendation 1.411. ISDN User-Network Interface Refrence Configurations. Rev. 1, Geneva, 1993.

52. ITU-I. Recommendation 1.321. ISDN Protocol Refrence Model and its Application. Geneva, 1991

53. ITU-I. Draft Recommendation 1.555. Frame Relay Bearer Service Internetworking. Geneva, 1993.

54. Белов С.А. Практика построения ведомственных сетей Frame Relay в России. Сети. №5, 1997.

55. Симонов М.В. ATM: Технология высокоскоростных сетей. М: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1997.

56. Мальков С.Б. Модели систем массового обслуживания//Известия ТРТУ. Тематический выпуск «Актуальные проблемы производства и потребления электроэнергии». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. №7(42). С. 94 - 101.

57. Хинчин А.Я. Работы по математической теории массового обслуживания. Под ред. Гнеденко Б.В. М.: «Физматгиз». 1963.

58. Кофман А., Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложение. М.: «Мир», 1966.

59. Башарин Г.П. и др. Массовое обслуживание и телефония. — М.: «Наука», 1968.

60. Гнеденко Б.В., Даниелян Э.А., Димитров Б.Н. Приоритетные системы обслуживания. М.: МГУ, 1973. - 326 с.

61. Финаев В.И. Разработка методов исследования структурной организации систем и сетей передачи дискретной информации. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Таганрог: Библиотека ТРТУ, 1979.

62. Takacs L., Investigation of Waiting Time Problems by Reduction to Markov Processes. Acta math. Acad/ scient. Hung. V.6. № 2-2, 1955.

63. Мальков С.Б., Макаров С.С., Финаев В.И. Моделирование коллизий в информационно-вычислительных системах//Тезисы докладов IV международной научно-практической конференции Моделирование. Теория, методы и средства. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004.

64. Башарин Г.П. О пуассоновских обслуживающих системах с абсолютными приоритетами и обратной связью//Сб. «Массовое обслуживание в системах передачи информации». М.: Изд-во АН СССР, ИППИ, 1969.

65. Лившиц Б.С., Фидлин Я.В., Харкевич А.Д. Теория телефонных и телеграфных сообщений. М.: «Связь», 1971.

66. Греков В.В., Мещеряков С. П., Симонов М.В. Региональные сети связи на технологии АТМУ/Сб. науч.трудов. СПб.: РИ-95. 1995.

67. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1966. - 336 с.

68. Башарин Г.П., Харкевич А. Д., Шнепс М.А. Массовое обслуживание в телефонии. М.: Наука, 1969. - 246 с.76.3яблов Р.П. Определение периода функционирования систем телемеханики//«Автоматика и телемеханика». М.: Изд-во АН СССР, №2, 1966.

69. Мальков С.Б. Задачи интерактивного синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации //Тезисы докладов XII международной конференции «Туполевские чтения»,2004.

70. Евтушенко И.Н. Телемеханика в автоматизированных системах управления на промышленных предприятиях. — М.: Энергия, 1970.

71. Севостьянов Б.А. Эргодическая теорема для марковских процессов и ее применение к телефонным системам с отказами//«Теория вероятностей и ее приложения», №1. М.: Изд-во АН СССР, 1957.

72. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1974.

73. Симонова С.Н. Полумарковские процессы и их приложения к теории массового обслуживания. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Киев: АН УССР, 1967.

74. Камке Е. Интеграл Лебега-Стильтеса. М.: Физматгиз, 1959.

75. Kiefer J., Wolfowitz J. On the Theory of Quenes with Many Servers. Trans. Om. Nath. Soc. Vol. 78. 1955.

76. Финаев В.И. Период занятости и время задержки сообщений в системах передачи информации с последействием//Сб. «Методы построения алгоритмических моделей сложных систем». — Таганрог: ТРТИ, 1976.

77. Прабху М. Методы теории массового обслуживания и управление запасами.1. М.: Машиностроение, 1969.

78. Решетняк В.Н. Компьютерные сети локального масштаба. Таганрог: ТРТУ, 1997. 170 с.

79. Финаев В.И., Кузыченко А.А., Львов А.В. Задача исследования коллизий CSMA/CD. Материалы международной научной конференции «Динамика процессов в природе, обществе и технике: информационные аспекты». Ч. 3.- Таганрог: ТРТУ, 2003.

80. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Издание седьмое, стереотипное. — М.: Высшая школа, 2001.

81. Кавчук А.А. «Основы передачи непрерывных сообщений по дискретным каналам связи». Учебное пособие. Таганрог: ТРТИ, 1978г.

82. Голенко Д.И. Моделирование и статистический анализ псевдослучайных чисел на ЭВМ. М.: Наука, 1965.

83. Мальков С.Б., Пушнин А.В. Оптимизация загрузки арендуемых каналов связи//Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «Оптимальные методы решения научных и практических задач». Таганрог: ТРТУ, 2005.

84. Финаев В.И., Мальков С.Б. Аналитико-эвристические методы моделирования и синтеза вторичных сетей передачи дискретной информации. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005.

85. Поваров Г.Н. Краткий очерк теории куммулятивных сетей//«Проблемы передачи информации». Вып. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1960.

86. Поваров Г.Н. О структурной теории сетей связи//«Проблемы передачи информации». Вып. 1. М.: Изд-во АН СССР, 1959.

87. Моисеев Н.Н. Методы оптимизации. М.: Наука, 1978. - 352 с.

88. Карелин В.П., Родзин С.И. Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы по методам математического программирования (поисковой оптимизации). Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1999. 80 с.

89. ЮО.Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-534 с.

90. Сервинский Е.Г. Оптимизация систем передачи дискретной информации. — М.: Связь, 1974.

91. Луцкий В.А. Расчет надежности и эффективности радиоэлектронной аппаратуры. Справочник. Киев: «Наукова думка», 1966.

92. ЮЗ.Шастова Г. А. Кодирование и помехоустойчивость передачи телемеханической информации. — М.-Л.: «Энергия» 1960.