Харківський національний університет радіоелектроніки

Зуєв Сергій Іванович

УДК 519.216.8

ОПТИМІЗАЦІЯ ПРОЦЕСІВ УПРАВЛІННЯ МЕРЕЖНИМИ

ЕЛЕМЕНТАМИ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.12.13 – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Телекомунікаційні системи” Харківського національного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Поповський Володимир Володимирович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, завідувач кафедри

“Телекомунікаційні системи”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Беркман Любов Наумівна,

Державний університет

інформаційно-комунікаційних технологій,

м. Київ; завідувач кафедри

„Телекомунікаційні системи”;

кандидат технічних наук, доцент

Безрук Валерій Михайлович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, доцент кафедри

„Мережі зв`язку”.

Провідна установа: Одеська національна академія зв’язку ім. О.С.Попова, кафедра автоматичного електрозв’язку, Держкомітет зв`язку та інформатизації України, м. Одеса.

Захист відбудеться “ 29 “ жовтня 2003 р. о 13:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою : 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд.13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “25” вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чурюмов Г.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток ринкових відносин змусив операторів зв`язку до пошуку нових все більш ефективних і привабливих методів надання послуг. Особливо поширилось коло послуг з появою інформаційної системи Internet та з переходом на цифрові системні технології. Але і при переоснащенні новим обладнанням сучасні цифрові мережі швидко вичерпують свої можливості, бо їх використання та режими роботи в умовах нестаціонарного трафіка в своїй більшості не є оптимальними. Велика частка ресурсу залишається невикористаною. Між тим, сучасні телекомунікаційні технології досить легко піддаються відповідній корекції режимів окремих елементів і мережі в цілому, відповідному конфігуруванню, що враховує поточні потреби з передачі трафіка. Отже, ТКС – це динамічна система, в якій доцільно враховувати динамічність режимів і потреб в наданні послуг, що вимагає відповідного реагування на всю цю динаміку. Очевидно, адекватною реакцією є побудова телекомунікаційної системи з управлінням щодо алгоритмів і режимів, а також можливого конфігурування структури відповідно до динаміки трафіка. Таке управління відносно легко можна побудувати для телекомунікаційних систем, що обладнані однорідними елементами одного і того ж виробника. Але на практиці так не буває. Обладнання у багатьох операторів різноманітне. Його часто досить важко узгодити одне з одним, що завдає труднощів в реалізації управління на рівні управління мережними елементами, а тим більш на рівні управління самою мережею.

Згідно з Рекомендацією х.700 визначено наступні групи функцій управління: обробка похибок, управління конфігурацією, управління ресурсами, управління безпекою. Для системоутворюючого транспортного рівня, де ці групи найбільш явно зосереджені, можна виділити 3 основних компоненти, які формують архітектуру системи управління: функціональний, в який входять елементи NE та лінії передачі; інформаційний, відповідальний за збір і обробку даних щодо стану мережі та логічний. Сам логічний компонент в свою чергу, згідно з технологією TMN, розпадається на 5 окремих рівней: мережних елементів (NEL), управління елементами (EML), управління мережею (NML), управління послугами (SML) та управління бізнесом (BML).

Незважаючи на досить добру структурованість систем управління (TMN, TINA та ін.) виникає багато проблем і неочікуваних режимів, де телекомунікаційні системи поводяться непередбачувано. Так виникають хаотичні, збурені режими типу “маршрутних коливань”, “вибуху фрагментів” та ін., що характерні для динамічних режимів. За останні роки прийняті спроби IETF (RFC 3198) ввести нові правила системної політики (ПСП), згідно з якими управління ТКС повинно бути побудоване узгоджено з цими ПСП. Самі правила повинні бути побудовані узгоджено з ПСП, і сама політика в свою чергу будується за ПСП. Задачі маршрутізації планується узгоджувати з новою адаптивною технологією Traffic Engineering.

Таким чином, виникла потреба проаналізувати сучасний стан ТКС, визначити найбільш ефективні алгоритми управління, а також вимірювання і оцінки параметрів, що є невід`ємною часткою задач управління, а також надати рекомендації щодо втілення нових алгоритмів управління для умов функціонування ТКС типу MAN. Це і визначило актуальність даної роботи. Іншими словами: сутність задачі дисертації полягає в розробці найбільш ефективних алгоритмів управління в ТКС та в аналізі їх режимів з урахуванням впровадження цих пропозицій в реальні ТКС.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконувалась згідно з Концепцією розвитку ЄНСЗ в Україні, планами перспективного розвитку ВАТ “Укртелеком” та його Харківської дирекції.

Крім того, результати роботи були використані в науково-дослідних роботах кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, що виконувались по держбюджетному та госпрозрахунковому планах. Зокрема, вони використані в НДР “Парус - 1” (№ 197 - 1), де знайшли відображення аналіз та синтез алгоритмів управління в ТКС, та НДР “Сфера” (№ 01 - 97) де автор розмістив свої матеріали щодо аналізу 2-х фазної системи масового обслуговування. Матеріали дисертації використані в учбовому процесі: при написанні підручника, а також в дисциплінах: “Управляючі комплекси ТКС” та “Метрологічне забезпечення ТКС”.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень було вдосконалення методів мережного управління, елементами та засобами зв`язку.

Задачами дослідження є:

1. Обгрунтування та вибір методів управління елементами та телекомунікаційними мережами, дослідження якості управління режимами в ТКС з урахуванням розподіленості мережі, наявності затримок в контурі управління та інших обмежень.

2. Розробка та аналіз математичних моделей управляючих розподілених телекомунікаційних систем з урахуванням затримок в контурі управління, з використанням лінійних та кубічних сплайн-функцій.

3. Вибір найбільш ефективних для управління в телекомунікаційних системах методів вимірювання та контролю режимів сучасних телекомунікаційних систем.

4. Розробка методики та аналізу якості управління інформаційними потоками в напрямках зв`язку та режимами мережних елементів з урахуванням особливостей сегментації в плаваючому вікні буфера, нестаціонарності трафіка та затримок в контурі управління.

Об`єктом досліджень є процес втілення методів оптимального управління з метою конфігурування структури та забезпечення стійкості алгоритмів функціонування ТКС.

Предметом досліджень є вибір і рекомендації щодо втілення оптимальних методів вимірювання, оцінки та управління елементами телекомунікаційних мереж та управління самими мережами.

Методи досліджень: теорія складних організаційно-технічних систем, елементи системного аналізу, прикладна математика, методи оптимізації, математична статистика, теорія ймовірностей, теорія масового обслуговування, теорія оцінок та управління; методи прийняття оптимальних та інтелектуальних рішень; математичне моделювання на ЕОМ окремих фрагментів ТКС та їх режимів.

Наукова новизна отриманих результатів

1. У відповідності до технологій TMN, TINA обгрунтовано та вибрано методи управління елементами та телекомунікаційними мережами з урахуванням розподіленості мережі, наявності затримок управління та інших обмежень [1,6,9,10].

2. Розроблені та проаналізовані математичні моделі розподілених управляючих телекомунікаційних систем з використанням лінійних та кубічних сплайн-функцій [2,8,11].

3. Проведено вибір найбільш ефективних для задач управління методів вимірювання, контролю та оцінювання параметрів та режимів мережних елементів та телекомунікаційних систем, досліджена їх якість [3,8].

4. Розроблена методика та проведено аналіз якості задач управління інформаційними потоками у відповідних напрямках зв`язку з урахуванням нестаціонарності трафіка, затримок та сегментації в плаваючих вікнах буферів[4,5]

Практична значимість результатів. Отримані наукові результати мають практичну значимість, оскільки вони орієнтовані на подальше втілення в реальні системи зв`язку, зокрема в Харківській дирекції ВАТ “Укртелеком”, де на даний час прийнято рішення про використання технології управління TMN. Матеріали дисертаційної роботи також частково використані в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ, в новому підручнику кафедри.

Особистий внесок здобувача. Робота виконана на кафедрі телекомунікаційних систем ХНУРЕ. Основні результати роботи належать особисто автору і повністю опубліковані в фаховій літературі [1,2,…,11].

В роботах, виконаних в співавторстві, особисто Зуєву С.І. належать наступні наукові результати:

1. В роботі [2,8,11] автору належить ідея використання сплайн-функцій в задачах управління, математична модель та проведення відповідних математичних викладок.

2. В роботі [3] авторі належить постановка задачі децентралізованого прийняття рішень в ТКС, а також результати математичного моделювання.

3. В роботах [4,5] автору належить постановка задачі, розробка методики та дослідження за темою статті.

4. В роботі [6] автор зробив огляд літератури, і обгрунтував можливість використання TINA в мультісервісних мережах.

5. В роботах [9,10] автор зформулював задачі досліджень, провів синтез та аналіз управління з урахуванням розподіленості мережі, динаміки трафіку.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаціїї доповідались на 4-х науково – технічних конференціях Міжнародного та державного рівнів [2,3,5,8].

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 робіт, у тому числі 6 робіт у спеціалізованих виданнях ВАК України [1,4,8,9,10,11]. Всі за темою дисертаційної роботи. Крім того, ці матеріали опубліковані в відомих часописах [2,5,6] та тезах доповідей на конференціях [3,7].

Структура та обсяг роботи. Робота складається зі вступу, 4-х розділів, висновку та списку використаної літератури. Загальний обсяг дисертації 161 сторінок: 151 стор.основного тексту, 39 рисунків, 97 джерел бібліографічного огляду.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації відмічається актуальність її теми для сучасного стану галузевої науки і практики, її зв`язок з науковими програмами, планами та темами, мета та задачі досліджень. Обговорюється об`єкт, предмет та методи наукових досліджень. Формулюється наукова новітність отриманих результатів, їх практична значимість, наводяться дані щодо кількості та якості публікацій та апробацій отриманих наукових результатів.

Дисертація присвячується аналізу особливостей та стану сучасних телекомунікаційних систем, які вже функціонують і плануються до використання в Україні. Показано, що сучасний стан розвитку ТКС як в усьому світі, так і в нас відзначається тим, що майже усюди використовуються мультісервісні гібрідні мережі, елементи яких виробляються різними фірмами. Це набагато затрудняє втілення нових динамічних, адаптивних режимів та використання розроблених технологій управління цими режимами, конфігурацією мереж. Без переходу на динамічні режими ТКС залишаються в статичному стані і використовують лише до 30 % свого ресурсу. У роботі прийняте рішення розглядати три з чотирьох підсистем управління, рекомендованих ITU: обробка похибок (Fault Management), управління конфігурацією (Configuration Management) і управління ресурсами (Resourse Administration). Четверта підсистема управління безпекою (Security Management) має свої особливості, хоча отримані в роботі загальнотеоретичні рекомендації, рішення і висновки можна використовувати і там.

Основна увага при аналізі стану сучасних ТКС була приділена транспортній мережі рівня MAN, у межах якої виділено три головних рівні: магістральний, розподілу і доступу.

Тут же визначені основні об'єкти управління в ТКС на транспортному рівні, до числа яких відносяться:

- резервування смуг частот;

- управління самими смугами частот;

- управління маршрутизацією і планування маршрутів;

- використання КЕШ-технологий;

- управління чергами.

Показано, що управління цими об'єктами може бути організовано з використанням різноманітних принципів, критеріїв і методів. До таких відносяться досить відомі технології групи TMN і нова технологія TINA.

Серед найбільш прогресивних, системноорієнтованих, варто вважати технології управління на базі Traffic Engineering і управління з використанням правил системної політики (REC 3198). Визначено основні задачі і функції управління в ТКС. Виділено 3 основні функціональні групи таких задач: управління інфраструктурою, якістю наданих послуг і інтерфейсами.

Різними науковими організаціями і форумами (ITU, IEEE, ETSI, IETF, ANSI і ін.) ведеться постійна робота над удосконаленням існуючих методів управління і над розробкою перспективних. Так, завершується робота над концепцією мультісервісних платформ (MSPP), що передбачає гнучкий, адаптивний перерозподіл канальних ресурсів відповідно до потреби трафіка і вибору оптимальних маршрутів передачі.

Починає втілюватися в апаратуру стандарт IEEE 802, що представляє модернізацію відомої технології Ethernet.

В межах цього стандарту розвивається технологія IEEE 802.17 Recipient Packet Ring (RPR), що не буде залежати від фізичного і мережного рівнів. Вона оптимізована під “подвійне кільце”, що дозволить за рахунок статистичного мультіплексування збільшити трафик у 8 разів порівняно зі звичайним SDH. Цікавий також стандарт ITU-Т G.7041, що розвиває технологію Generic Framing Procedure (GFP), і являє собою метод мультісервісної інкапсуляції, що знімає надмірність з технології SDH і забезпечує підтримку широкого кола протоколів користувачів. Великі успіхи надає технологія повністю оптичних мереж DWDM.

Великі надії також подає технологія MPLS, орієнтована на прокладку віртуальних шляхів із заданими QoS і її узагальнення (Generalized MPLS).

Тут же подається аналіз стану мережі Харківської дирекції ВАТ “Укртелеком”, де також відбувається інтенсивна модернізація і втілення сучасних технологій з гарантованим QoS щодо передачі, розподілу, управління різних рівнів, де мультісервісність і гібрідність мереж досить поширені. Транспортна мережа ХД “Укртелеком” побудована з використанням устаткування технологій SDH, PDH різних виробників: SDH – Siemens, Lucent Technology, HUAWAY; PDH – Siemens, ADC, Росія, Україна.

В устаткуванні технології PDH реалізована тільки функції автоматизованого контролю. В устаткуванні технології SDH реалізовані функції як автоматизованого контролю, так і управління. Контролем і управлінням займаються особи, що приймають рішення.

У результаті відсутності взаємного інформування осіб, що приймають рішення, недостатність даних та інерційністі мислення, вироблювані ними рішення найчастіше не є оптимальними і навіть погіршують якість роботи ТКС. Якісний скачок можливий лише тільки при переході від автоматизованих систем управління до автоматичних, коли втрати часу на прийняття рішення складуть одиниці секунд або частки секунд.

Проведено синтез і аналіз алгоритмів функціонування обробки похибки Fault Management, методів вимірів і контролю режимів сучасних ТКС та їх елементів. Параметри , отримані унаслідок функціонування цих алгоритмів, мають як самостійне значення, наприклад, вони є підставою, базою для дій особи, що приймає рішення, так і використовуються в алгоритмах управління.

Очевидно, что ефективність управління може бути найбільшою, якщо воно буде здатно відслідковувати динаміку змін стану ТКС. Одна з основних вимог до управління - швидкість реакції. Усяка затримка в контурі управління приводить до втрат. Тобто управління необхідно синтезувати в реальному масштабі часу. Такі вимоги до управління у свою чергу висунули вимоги до методів вимірів і оцінок, очевидно, вибіркова інтервальна оцінка, що вимагає обробки того чи іншого досить великого обсягу статистичних даних через її інерціонність не може бути прийнята. Треба використовувати рекурсивні процедури, що дають поточне значення оцінки. Крім визначення ролі затримки, проаналізовані роль та інші важливі параметри, що впливають на ефективність вимірів , контролю і оцінок.

Проведено формалізацію задачі вимірів. Вона складається з 4-х головних етапів:

1) вибору математичної моделі, що відображається стохастичними діференціальним чи різницевим рівняннями стану:

(1)

для випадкових процесів, і

(2)

для випадкових величин;

2) вибору рівняння спостереження з нелінійною залежністю

(3)

чи з лінійною:

(4)

3) вибору рекурсивної процедури оцінки випадкового процесу:

(5)

чи для випадкової величини

(6)

4) вибору якісного показника – апостеріорної дісперсії похибки оцінки - похибка:

(7)

Очевидно представлений формалізм діє в межах процедур Калмана-Б`юсі. Структурна схема такого алгоритму представлена на рис. 1. В роботі надаються рекомендації щодо особливостей використання моделей (1) чи (2).

Проаналізована якість алгоритмів (5) і (6). Обидві процедури мають сталий режим, що забезпечується тим, що чи функції відповідають умовам Дворецького. Процедура (6) сходиться до істинного значення випадкової величини з нульовою похибкою при . У той же час процедура (5) сходиться до сталого стану з відмінною від нуля похибкою, що є рішенням рівняння (7) при .

Проаналізована також якість оцінок процедури (5) при відхиленнях обраної моделі від реальної. На рис.2 представлені графіки чутливості алгоритму при відхиленні в 10 разів смуги частот фільтра (5) в той чи інший боки.

З графіка видно, якщо у фільтра смуга обрана в 10 разів менше реальної, то втрати в точності більші, ніж при такому ж збільшенні смуги. Трохи менші втрати (на 15-20 %) спостерігаються при похибках у виборі рівнів корисних сигналів, при чому при завищених виборах рівня втрати на половину більші, ніж при занижених.

Розглянутий зміст основних задач, що вирішуються за допомогою мережного управління. Доцільно вирішувати задачі оцінки та управління в межах однієї методології, тому що процес оцінки є частиною загального процесу управління, і є підлеглим йому. Математична модель управляючої системи

(8)

Відповідно до теорії оптимального управління, функцію управління знаходять мінімізуючи гамільтоніан уздовж траєкторії руху системи, що приводить до аналітичного виразу

(9)

Загальний вид схеми управляючої системи представлений на рис. 3

Така структура, відповідно до теореми про розподілення, є оптимальною при умовах гауссового характеру процесу на вході, і при виборі квадратичного функціонала якості оцінки і управління.

Разом з тим, у ТКС виникає потреба обліку розподіленого характеру, як самої системи, так і її елементів. Досить великий перелік параметрів, якими варто управляти, вимагає прийняття оптимальних рішень по групі режимів і елементів, тобто колективного прийняття рішень. Не виходячи за межі прийнятого формалізму, таке розширення потребує введення функцій взаємної інформації про стан усіх взаємодіючих елементів

На практиці це реалізується, наприклад, за допомогою обміна маршрутними даними всіх задіяних маршрутизаторів. Також установлюється набір стратегій для кожного з , що приймають рішення. Як правило стратегії не носять антагоністичного характеру. Вони в деяких випадках можуть приймати незалежний характер, як при грі з природою, в інших – мають кооперативний характер. Таким чином, векторність задачі потребує вибору критерію у виді функціонала максімізуючого загальний можливий виграш:

(10)

Таким чином, задача формалізації колективного прийняття рішень за погодженими критеріями зводиться до задачі кооперативної діференціальної гри, що задовольняє умовам сталості.

Проведено дослідження динаміки управління в ТКС при умовах наявності затримок , якщо стан системи має такий вираз:

(11)

Рішення рівняння можна знайти з використанням варіації довільних постійних, методом невизначених коефіцієнтів, але більш загальне рішення може бути отримано за допомогою сплайн-функций . Розглянуто використання лінійних і кубічних сплайнів. Так для дискретизованого процесу з періодом дискретизації були отримані рішення у вигляді:

і=1,2,…,n (12)

Досліджуються також якісні і кількісні характеристики управління в телекомунікаційних системах. Для дослідження числових даних по визначенню впливу затримки важливим є не сама величина , а її відносне значення , де - інтервал кореляції процесів , що підлягають спостереженню. Величини є елементами матриці , що характеризує стан системи. На головній діагоналі розташовані функції автокореляції, на побічних діагоналях - функції взаємної кореляції.

Аналіз показує, що при втрати ефективності майже непомітні; при ці втрати досягають (5.....10)%; далі втрати стрімко ростуть. Проведено дослідження адаптивних процедур, що зводяться до використання методів ідентифікації моделі в умовах апріорної невизначеності. Показано, що такі адаптивні процедури значно збільшують діапазон сталого режиму алгоритмів управління (рис. 4).

Разом із загальноприйнятними дослідженнями ефективності алгоритмів управління проведені також дослідження протоколу TCP з управлінням інформаційними потоками по встановленню логічних з'єднань.

На рис. 5, 6 представлені фрагменти структури послідовності сегментів на передавальній і приймальній сторонах. Для компенсації втрат від затримки в протоколі TCP передбачена передача одного чи декількох сегментів, що відразу ж записуються в буфер для того, щоб при запиті повтору бути ретрансльованими. Проведено аналіз залежності пропускної здатності від параметрів масштабування плаваючого вікна. На рис. 7 показана така залежність.

Розширення чи звуження розмірів вікна повинне узгоджуватися з параметрами ліній зв'язку і швидкостями передачі. Досліджені 3 технології GE, T1 і STM-1 при різній довжині ліній і швидкості передачі. Ці три технології відзначені на малюнку штриховою лінією. Видно, якщо при втрати 0,2…...0,3, то для STM-1 вони 0,9. Очевидно розміри вікна можуть бути оптимізовані під ці параметри, що і є предметом управління.

Проведено дослідження ймовірносно-часових характеристик напрямків зв'язку при різних значеннях інтенсивностей потоку заявок на обслуговування. Показано, що залежність середнього часу очікування носить граничний характер при фіксованій вхідній інтенсивності, а від інтенсивності обслуговування – плавний.

Запропонована 2-х фазна модель обслуговування в маршрутизаторах, коли обслуговування на 1-й фазі (обробка адресів) залежить від 2-й фази (розміру буфера), та на її основі розроблена методика аналізу ефективності управління маршрутизацією. Методика дає можливість досліджувати працездатність системи маршрутизації при великому і максимальному навантаженні.

Розроблено методику, і проведено аналіз стабільності алгоритмів в умовах невизначеності. Показано, що в таких умовах диференціальне рівняння стану є нелінійним, і тому повинне бути перевірене на виконання умов сталості. Методами теорії катастроф проведені дослідження поведінки фазових траєкторій системи, і показано, що при визначеному співвідношенні параметрів система поводиться нестабільно, з'являються біфуркації та інші явища. На рис. 8 показана така фазова траєкторія при відповідному значенні параметрів.

Таким чином в результаті аналізу стану сучасних ТКС з'ясувалося, що широко використовуваний у даний час статичний режим функціонування ТКС, орієнтований на прокладку віртуальних шляхів, не може вважатися раціональним, і в усьому світі прийняте рішення про перехід на динамічні дейта-грамні режими маршрутизації, що реалізуються за допомогою динамічних методів управління як режимами, так і ресурсами. На нашу думку перехід ХД ВАТ “Укртелеком” на технологію TMN надасть 35 – 40 % приріст ефективності використання регіональної системи зв'язку.

Висновки

1. Проведено аналіз особливостей і стану сучасних телекомунікаційних систем, впроваджених в Україні і зокрема в ХД ВАТ “Укртелеком”. Основна увага була приділена транспортній мережі MAN, у межах якої виділяють три головних рівні: магістральний, розподілу і доступу. Проаналізовано переваги і недоліки централізованих і децентралізованих стратегій управління і класифіковані складові функціональних груп задач підтримки мережних операцій по реалізації цих управлінь.

2. Визначено основні об'єкти управління в ТКС на транспортному рівні, до числа яких відносяться:

– резервування смуги частот;

– управління самою смугою частот;

– управління маршрутизацією і планування маршрутів;

– використання КЕШ-технологій;

– управління чергами.

Показано, що реалізація управлінь цими об'єктами може бути організована з використанням різних принципів, критеріїв і самих методів. Серед найбільш прогресивних варто вважати технології управління “Traffic Engineering” і управління на основі правил системної політики (REC.3198).

3. Як теоретичну основу алгоритмів управління доцільно використовувати класичні алгоритми Белмана-Понтрягіна, що мінімізують гамільтоніан уздовж оптимальної траєкторії. Доречно також використовувати теорему про поділ, з огляду на можливість гауссовской апроксимації функції розподілу послідовності, яка спостерігається, що дозволяє окремо синтезувати процедуру рекурсивної оцінки стану типу Калмана-Б`юсі.

4. З огляду на наявність таких важливих обмежень як нелінійність у контурі управління, фазових затримок і ін., виникає задача забезпечення стійкості рекомендованих алгоритмів управління. Показано, що для аналізу стійкості алгоритмів можна обійтися якісним розглядом параметрів рівнянь динаміки ТКС, без одержання аналітичних рішень цих рівнянь і не одержуючи кількісних характеристик і чисельних значень.

5. Розподілений характер ТКС потребує використання специфічних алгоритмів і мов програмування. Аналіз показав, що більш раціональними є децентралізовані алгоритми управління, з використанням програмних технологій, до числа яких відносяться (CORBA, JAVA, DCOM). Великі надії покладають на технологію PARLAY, що знаходиться ще на стадії випробувань та орієнтована на прийняття інтелектуальних рішень.

6. Проаналізовано умови вимірювання, контролю та оцінки параметрів сигналів спостереження і режимів мережних елементів. Зроблено висновок про необхідність використання рекурсивних процедур оцінки, що дозволяють у реальному масштабі часу синтезувати саме управління. Інтервальні ж вибіркові оцінки для динамічних умов не придатні. Обрані стохастичні рекурсивні моделі стану оцінюваних випадкових величин і випадкових процесів. Показано принципову різницю в процедурі для випадкових процесів і величин. Даються рекомендації й алгоритми для оцінки ситуації, коли має місце спільна дія випадкової величини і випадкового процесу.

7. Проаналізовано ефективність одержуваних оцінок випадкових процесів і випадкових величин. Показано, що випадковий процес має в сталому стані середньоквадратичну похибку оцінки відмінну від нуля, у той же час випадкова величина має цю похибку при . Зроблено аналіз чутливості процедур при відхиленні параметрів обраної моделі від реальної сигнально-завадової ситуації в один та другий боки. Так, при відхиленні смуги частот фільтра в 10 разів показано, що втрати від вибору більш вузькосмугового фільтра дещо більші, ніж від широкосмугового. Зниження і збільшення рівня сигналу так само пов'язано з втратами на (15...20 %), хоча завищення рівня приводить до дещо більших втрат.

8. В умовах великого числа управляючих параметрів і розподіленості самої ТКС виникає необхідність розгляду моделі колективного прийняття оптимальних рішень. Постановка такої задачі вимагає розширення вихідних даних і формування функцій взаємної інформації щодо набору стратегій для кожного з учасників такої кооперативної диференціальної гри. Зважаючи на те, що стратегії гравців не антагоністичні, а погоджені чи байдужні, то стійке рішення ігрової задачі можна знайти.

9. Наявність затримок у контурі управління чи нелінійності в сплайн-системі істотно змінюють рішення задачі. Для рішення запропоновано використовувати сплайн-функції, що апроксимують стан системи на кожнім кроці. Розглянуто використання лінійних, кубічних і В-сплайнів.

10. Проведено дослідження якісних характеристик ефективності управління при різних сигнально-завадних ситуаціях. Ряд чинників, таких як вплив затримки у контурі управління, відношення параметрів обраної моделі від реальних умов, виявляються при будь-яких задачах управління. Показано, що якщо інерційність змін управляючих параметрів, яка обумовлена інтервалом кореляції , то втрати ефективності незначні: при втрати досягають (5..…10%), потім вони швидко зростають.

11. В умовах апріорної невизначеності у відношенні параметрів моделі запропоновано використовувати адаптивні процедури, що зводяться до ідентифікації параметрів цієї моделі. Проведено дослідження використання адаптивних процедур управління параметрами системи. Ефективність цих процедур зростає зі збільшенням співвідношення сигнал/шум у каналі спостереження. Застосування адаптивних процедур істотно розширює діапазон стійкості управління.

12. Дослідження ефективності управління інформаційними потоками в протоколі TCP, зокрема управління розміром плаваючого вікна, призначеного для запису декількох сегментів для тимчасового збереження в буфері з метою забезпечення повтору при запиті. Показано, що для різних довжин ліній, а відповідно і величинах затримок існує оптимальна швидкість передачі і розміри масштабованого вікна, що і є предметом задачі управління.

13. Проведено аналіз ймовірносно-тимчасових характеристик напрямків зв'язку. З розгляду залежності середнього часу затримки проходження управляючої інформації від інтенсивності потоку заявок, можна спостерігати, що ця залежність має явно виражений граничний характер, тому що при зменшенні розмірів вікна інтенсивність різко падає. У той же час залежність від інтенсивності обслуговування має більш монотонний характер, тому що відображає залежність затримки від довжини лінії зв'язку.

14. З використанням 2-х фазної моделі обслуговування розроблена методика аналізу ефективності управління маршрутизацією. Ця методика забезпечує дослідження при великому і максимальному навантаженні, коли черга росте безмежно і виконуються умови для блокування заявок на обслуговування. Методика дає можливість досліджувати працездатність системи маршрутизації при різноманітних навантаженнях і методах обслуговування заявок.

15. Розроблено методику і проведений аналіз стійкості алгоритмів управління в умовах апріорної невизначеності. Показано, що еквівалентне диференціальне рівняння стану є нелінійним. Якісний аналіз фазових траєкторій такої системи забезпечує виявлення особливих точок, розміщення яких залежить від співвідношення коефіцієнтів рівнянь. Така методика забезпечує дослідження структурної стабільності системи.

Список опублікованих праць

1. Зуев С.И. Проблемы управления в телекоммуникационных системах и сетях // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник Радиотехника, № 123, 0001 с.26-29.

2. Григорьева Т.И., Стрелковская И.В., Зуев С.И. Применение сплайн-функций в математическом моделировании телекоммуникационных систем // Вісник УБЕНТЗ, № 2, 2002, с. 81-87.

3. Татарчук С.И., Зуев С.И., Децентрализованные методы принятия решений в телекоммуникационных системах // Сб.научных трудов 8-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации ”, Харьков, 2002, с. 64-65.

4. Татарчук С.И., Зуев С.И. Методика исследования характеристик маршрутизаторов с использованием двухфазных систем массового обслуживания // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник Радиотехника, № 128, 2002, с. 56-59.

5. Татарчук С.И., Зуев С.И. Исследования характеристик маршрутизаторов с использованием двухфазных систем массового обслуживания // Материалы 1-го Международного РЭ форума “Прикладная радиоэлектроника”, Харьков, 2002, с. 446-448.

6. Зуев С.И., Лемешко А.В., Поповский В.В. Особенности TINA-ориентированного проектирования мультисервисных сетей. Материалы научно-технической конференции “Розвиток окремих послуг через інтелектуальні платформи ”Киев, 2002, с.210-214.

7. Зуев С.И. Интеллектуальные системы сетевого управления // Материалы Международной научно-технической конференции. К. 2001.

8. Стрелковская И.В., Григорьева Т.И., Зуев С.И. Моделирование динамики управления в телекоммуникационных системах с помощью интерполяционных сплайнов. // Радоитехника, № 130, 2002., с.147-151.

9. Олейник В.Ф., Зуев С.И. Методы распределенного управления в телекоммуникационных системах. // Радиотехника, № 130, 2002.,с.190-193.

10. Олейник В.Ф., Зуев С.И. Оптимизация и интеллектуальные решения в задачах сетевого управления телекоммуникационніх систем // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник Радиотехника, № 129, 2002, с.163 – 169.

11. Стрелковская И.В., Григорьева Т.И., Зуев С.И. Применение сплайн-функций в математическом моделировании телекоммуникационных систем // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник Радиотехника, № 129, 2002, с.157 – 163.

АНОТАЦІЯ

Зуєв Сергій Іванович. Оптимізація процесів управління мережними елементами телекомунікаційних систем.– Рукопис. Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13. – Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2003.

Дисертація присвячена аналізу взаємодії окремих елементів і телекомунікаційних систем (ТКС) в цілому та оптимізації процесів управління в цифрових телекомунікаційних системах. Показано, що незважаючи на досить добру структурованість систем управління (TMN, TINA та ін.) виникає багато проблем і неочікуваних режимів в умовах нестаціонарного трафіка. Основна увага приділяється транспортній мережі рівня MAN. Запропоновано, в межах правил системної політики та Traffic Engineering, забезпечувати управління такими основними об`єктами: резервом смуг частот, самими смугами, маршрутами та їх плануванням, використанням КЕШ-технологій та чергами. Визначені прийнятні алгоритми спостереження (вимірювання), стану, оцінок параметрів стану, аналізу похибок оцінок та оптимального управління.

За базову математичну модель стану системи використана марковська стохастична діференціальна модель. Проілюстрована запропонована методика на прикладі задачі управління плаваючим вікном в технології TCP. Проаналізована сталість алгоритмів управління.

Ключові слова: телекомунікаційна система, мережа, управління, оцінка, оптимізація, телекомунікаційні технології, аналіз, синтез, сталість, похибки, затримка, маршрутізація, процес, резерв, ресурс.

SUMMARY

Zuyev Sergey Ivanovich. Сontrol procedures optimization of network elements in telecommunication systems - Manuscript. This thesis on competition of a scientific degree of the candidate of the engineering science on the speciality 05.12.13 - the radio devices and means of telecommunication - the Kharkov national university of radioelectronics, Kharkov 2003.

The thesis is dedicated to the analysis of the interplays of the separate elements and telecommunication systems as a whole and the optimization of the control procedures in the digital telecommunication systems. We are trying to demonstrate, that despite of rather good structurization of management systems (TMN, TINA etc.), there are many more problems and unexpected modes in the conditions of non-steady traffic, to number of which one can attribute the cases of the loss of stability of the system, "palpation of routes ”, "explosions of fragments” etc.

The main algorithms of supervision (measurement), condition, estimations of the state parameters, the error analysis of an estimation and optimum control are parsed, determined and analized. The procedures of an estimation of the random variables and stochastic processes аre synthesized and analized in detail , and also their joint estimation are parsed. The analysis of sensitivity to change of actual parameters of the main algorithm is made at change of parameters of selected model. The limits of the steady operation and accuracy of estimations are determined.

As in problems of an estimation, and the management, because of the delay in a control loop, the availability of nonlinearities are allowed. That results in the loss of quality of this management and the loss of its stability. The conditions of existence of the allowed out-of-line modes are determined. The designed management methodology is illustrated on an example of the solution of a problem of control of a floating window in technology TCP. The stability of customary and adaptive algorithms is parsed.

Keywords: a telecommunication system, a network, control (management), estimation, optimization,the telecommunication technologies, analysis, synthesis, stability, error.

АННОТАЦИЯ

Зуев Сергей Иванович. Оптимизация процессов управления сетевыми элементами телекоммуникационных систем - Рукопись. Диссертационная работа на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникации – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков 2003.

Диссертация посвящена анализу взаимодействий отдельных элементов и телекоммуникационных систем (ТКС) в целом и оптимизации процессов управления в цифровых телекоммуникационных системах. Согласно Рекомендации х.700 определены следующие группы функций: обработка ошибок, управление конфигурацией, управление ресурсами, управление безопасностью. Показано, что несмотря на достаточно хорошую структуризацию систем управления (TMN, TINA и др.), возникает еще много проблем и неожиданных режимов в условиях нестационарного трафика, к числу которых можно отнести случаи потери устойчивости ТКС, „биения маршрутов”, „взрывов фрагментов” и др., что подтверждает предположение о недостаточной системной проработке тех или иных вновь возможных технологий. Ситуация усложняется мультисервисностью современных систем, гибридностью их структуры. Показано, что среди наиболее прогрессивных технологий необходимо считать технологию управления Traffic Engineering и управление на основе правил системной политики (REC.3198). Предложено, в рамках правил системной политики и технологии Traffic Engineering, обеспечивать управление следующими основными объектами на транспортном уровне: резервом полос частот, самими полосами, маршрутами и их планированием, использованием КЭШ-технологий и очередями.

Проанализированы условия измерения, контроля и оценки параметров сигналов наблюдения и режимов сетевых элементов. Сделаны выводы о необходимости использования рекурсивных процедур оценки, которые позволяют в реальном масштабе времени синтезировать управление. Определены, выбраны и проанализированы основные алгоритмы наблюдения (измерения), состояния, оценок параметров состояния, анализа ошибок оценки и оптимального управления. В качестве базовой выбрана марковская стохастическая дифференциальная модель состояния системы. Синтезированы и детально проанализированы процедуры оценки случайных величин и случайных процессов, а также совместная их оценка. Сделан анализ чувствительности процедур при отклонении параметров выбранной модели от реальной сигнально-помеховой ситуации в одну и другую стороны. Показано, что для анализа стойкости алгоритмов можно обойтись качественным рассмотрением параметров динамики ТКС без получения аналитических решений этих равенств и не получая количественных характеристик и числовых значений. Произведен анализ чувствительности к изменению реальных параметров основного алгоритма при изменении параметров выбранной модели. Определены границы устойчивого функционирования и точности самих оценок.

Определены условия существования допустимых запредельных режимов. Исследована эффективность управления информационными потоками в протоколе ТСР. Разработанная методология управления проиллюстрирована на примере решения задачи управления плавающим окном, предназначенного для записи нескольких сегментов для временного сбережения в буфере с целью обеспечения повтора при запросе. Показано, что для различных длин линий и, сответственно, величинах задержек, существует оптимальная скорость передачи и размеры масштабированного окна, что есть предметом задачи управления.

Проведено исследование вероятностно-временных характеристик направлений связи при различных значениях интенсивностей потоков заявок на обслуживание. Выявлено, что зависимость среднего времени задержки имеет явно выраженный граничный характер, потому что при уменьшении размеров окна интенсивность резко падает. Предложена двухфазная модель обслуживания в маршрутизаторах и на ее основе разработана методика анализа эффективности управления маршрутизацией. Методика дает возможность исследовать работоспособность системы маршрутизации при максимальной нагрузке. Разработана методика и произведен анализ стабильности алгоритмов в условиях неопределенности.

Предложено использовать адаптивные процедуры в условиях априорной неопределенности в отношении параметров модели, что сводятся к идентификации параметров этой модели. Проведено исследование этих процедур управлениея параметрами системы и замечено, что их эффективность увеличивается с увеличением соотношения сигнал/шум в канале наблюдения.

Проанализирована устойчивость обычных и адаптивных алгоритмов.

Ключевые слова: Телекоммуникационная система, сеть, управление, оценка, оптимизация, телекоммуникационные технологии, анализ, синтез, устойчивость, погрешность.