Міністерство промислової політики України

Державна науково-виробнича корпорація

"Київський інститут автоматики"

Іванов Олексій Валентинович

УДК 621.395

МАТЕМАТИЧНІ МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ КОНФІГУРУВАННЯ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНОГО СЕРЕДОВИЩА

05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Хмельницькому національному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Локазюк Віктор Миколайович,

Хмельницький національний університет,

Завідувач кафедри системного програмування.

Офіційні опоненти : - доктор технічних наук, професор

Герасимов Борис Михайлович,

Військовий інститут Київського національного

університету ім. Тараса Шевченка,

професор кафедри військового управління.

- кандидат технічних наук,

Рабчук Віталій Львович,

ТОВ „УКРТЕЛЕПОРТ ЛТД”,

завідувач відділом.

Захист відбудеться 26 вересня 2007 р. о 13 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.818.01 ДНВК „Київський інститут автоматики” за адресою : 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22, корп. 1., к. 219.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати на адресу : 04107, Київ-107, вул. Нагірна, 22,

ДНВК „Київський інститут автоматики”, вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДНВК „Київський інститут автоматики”.

Автореферат розісланий „22” серпня 2007 р.

Вчений секретар спеціплізованої вченої ради

Кандидат технічних наук Л.П. Тронько

Підписано до друку 01.08.07 Формат 29.7х42 ј

Наклад 100 прим. Зам. № 683

Віддруковано ПП Ковальський В.В.

Свідоцтво на видавничу діяльність ХЦ №021 від 12.07.2002 р.

Державного комітету інформаційної політики, телебачення та радіомовлення України.

м. Хмельницький, вул. Свободи, 53. Тел.: (0382)76-42-92

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Явище всесвітньої глобалізації, що почалась наприкінці двадцятого століття, дало новий поштовх до великого запиту на все більші об’єми інформації, що транслюються, перерозподіляються, обробляються та, з рештою, споживаються усіма суб’єктами інформаційного суспільства. Особливу роль у глобальній інформатизації суспільства відіграють засоби телекомунікацій. Вони у наш час представлені новими інформаційними технологіями, зокрема, мобільним зв’язком, ІР-телефонією і таке ін. Телекомунікаційні канали зв’язку використовуються для масового доступу до глобальної мережі Internet. Широко поширені і інші телекомунікаційні послуги, зокрема з’єднання домашніх комп’ютерів через швидкісну транспортну лінію (“місцевий Ethernet”).

Розвитку та дослідженню телекомунікаційних технологій в Україні приділяють багато уваги провідні наукові школи та вчені Стеклов В. К., Беркман Л. Н., Гофайзен О. В., Тепухіна А. В., Герасимов Б. М., Локазюк В.М. та інші. В багатьох наукових працях згаданих вчених здійснено ретельний аналіз розвитку сучасних телекомунікаційних систем та мереж. Проте, попри детальний аналіз телекомунікаційних технологій відсутній аналіз середовища споживачів і взаємозв’язок абонентського середовища з сучасними телекомунікаційними послугами.

При переході телекомунікаційних технологій на цифровий спосіб оброблення інформації та транслюванні сигналів отримано якісно нову ситуацію – цифрову форму подання всіх сигналів (мова, відео, дані, текст, тощо), тобто однорідний за своєю фізичною суттю трафік, що, поєднавши усі вищезгадані сервіси, може використовувати універсальне транспортне середовище. Іншою стороною цього явища є вимоги щодо забезпечення пропускної можливості мережі, особливо на ділянці “останньої милі”, як самого вузького місця телекомунікаційного транспортного середовища.

Актуальним є використання спільної технологічної бази та єдиної інфраструктури для транслювання універсального трафіка та реалізації послуг доставки даних, мовної та відео інформації. В багатьох джерелах галузевої та науково-технічної періодики така інфраструктура чи такий підхід має назву Triple Play (“три в одному”), маючи на увазі телефонію, Інтернет та медіа-послуги. Для реалізації подібних сервісів необхідна така мультисервісна мережна інфраструктура, яка б вирішувала задачі не тільки доступу і агрегації трафіка, а й питання організації транспортної мережі та вузлових станцій.

Потреби населення у телекомунікаційних послугах постійно зростають, як і можливості телекомунікаційних компаній. Зрозуміло, що абоненти бажають, щоб ці послуги були найдешевшими, а оператори зацікавлені у швидкій окупності матеріальних витрат наданих послуг і одержанні прибутків. Окупність телекомунікаційних послуг залежить від специфіки груп абонентів та переліку потреб кожної з них. Істотне значення для окупності телекомунікаційних послуг мають вже наявні АТС та лінії зв’язку у мікрорайоні, який таких послуг потребує.

Вироблення стратегії та розрахунок окупності основних видів телекомунікаційних послуг з врахуванням реального стану надання цих послуг та потреб у конкретному мікрорайоні є складною важкоформалізованою задачею, котра потребує вирішення. Тому задача підвищення ефективності надання телекомунікаційних послуг з врахуванням потреб користувачів і оптимізацією структури комутаційної системи є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертації дослідження проводились в рамках держбюджетної НДР Хмельницького національного університету №1Б-2005 “Теорія нейромережних і нечітких моделей та методологія створення інтелектуальних систем діагностування комп'ютерних пристроїв” (номер держреєстрації 0101U000725) та госпдоговірної НДР №8-2005 “Розробка інформаційно-пошукової системи для прийняття рішень щодо надання послуг телефонного зв’язку” (номер держреєстрації 0105U002958).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності надання телекомунікаційних послуг з врахуванням потреб користувачів за рахунок оптимізації структури комутаційної системи.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати такі задачі:

1) проведення аналізу особливостей сучасної інфраструктури телекомунікаційного середовища з метою класифікації абонентських груп та визначення телекомунікаційних потреб кожної з них;

2) розроблення та дослідження нової математичної моделі та методу розрахунку окупності основних видів телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів;

3) дослідження сучасної багатопротокольної мультисервісної мережі з метою розвитку її архітектури в частині доступу, зокрема “останньої милі”;

4) розроблення моделі трансформованої комутаційної мережі;

5) розроблення методу оптимізації структури комутаційної системи надання телекомунікаційних послуг;

6) розроблення і реалізація на виробництві програмних засобів розрахунку окупності основних видів телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів;

7) розроблення та реалізація на виробництві апаратно-програмних засобів оптимізації структури комутаційної системи надання телекомунікаційних послуг.

Об’єкт дослідження – процес надання телекомунікаційних послуг.

Предмет дослідження – методи конфігурування структури телекомунікаційного середовища.

Методи дослідження грунтуються на основних положеннях теорії штучних нейронних мереж та теорії генетичних алгоритмів, котрі є визначальними у досягненні мети дисертаційної роботи. Математична модель та метод розрахунку окупності основних видів телекомунікаційних послуг розроблені на основі теорій моделювання, множин та теорії штучних нейронних мереж. Методи дослідження та оптимізації структури комутаційної системи надання телекомунікаційних послуг грунтуються на теорії множин та теорії генетичних алгоритмів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розв’язанні наукової задачі підвищення ефективності надання телекомунікаційних послуг з врахуванням потреб користувачів та оптимізації структури комутаційної системи.

Вперше одержано:

- модель оптимізації надання кількості телефонних номерів і телекомунікаційних послуг різним групам абонентів з врахуванням їх окупності та прибутковості підприємства-оператора, яка відрізняється від відомих тим, що базується на прямонапрямленому чотиришаровому персептроні, на вхідний шар котрого подається інформація, що характеризує групи абонентів, перший прихований шар відображає максимальне обмеження кількості телефонних номерів у групах, другий прихований шар призначений для апроксимаціі функціі, вихідний шар визначає функціонали, що відповідають оптимальній кількості телефонних номерів для розглядуваних груп абонентів;

- метод оптимізації надання основних видів телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів, який, на відміну від відомих, крім телекомунікаційних потреб абонентів у якості вхідних параметрів враховує вже задіяну кількість телефонних номерів наявної у районі АТС, граничне обмеження кількості номерів для кожної із груп абонентів, кількість пільговиків, що дало змогу оператору оптимізувати кількість номерів, яка надається кожній із груп абонентів;

- метод оптимізації кількості портів різних типів, які мають входити до комутаційної системи, що комплектується з врахуванням потреб абонентського середовища, який, на відміну від відомих, грунтується на теорії генетичних алгоритмів і відрізняється тим, що у процесі пошуку рішення використано кодування множини параметрів замість самих параметрів, а у якості інформації про функцію оптимізації використовуються лише її значення в точках простору пошуку, що дозволяє здійснювати пошук оптимального рішення серед великої кількості комбінацій змінних при наявності внутрішніх залежностей між ними.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації дисертаційної роботи обґрунтовані коректним використанням математичного апарату, успішною програмною реалізацією методу оптимізації надання основних видів телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів та методу оптимізації кількості портів різних типів, що входять до комутаційної системи, яка комплектується з врахуванням потреб абонентського середовища, практичним впровадженням дисертаційних досліджень, що продемонструвало збігання теоретичних досліджень з реальними результатами на підприємствах телекомунікаційних технологій.

Практичне значення одержаних результатів. Дослідження проводились з врахуванням наступної їх практичної реалізації. Використання одержаних в роботі результатів дозволило розробити програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень (СППР) надання телекомунікаційних послуг, котре дає можливість, не володіючи глибокими знаннями в галузі штучних нейронних мереж та генетичних алгоритмів, відшукувати найбільш ефективні для практичної реалізації і прийнятні для користувачів варіанти надання телекомунікаційних послуг. Розроблене програмне забезпечення, що грунтується на теорії ШНМ, лягло в основу методики оцінки окупності телекомунікаційних послуг. Основні результати дисертації знайшли застосування при розробленні універсальної комутаційної системи на базі обладнання “Елком”, “D”-, “S”-, “К”-портів, транспортної мережі PON. Згадані технічні реалізації були покладені в основу розбудови телефонного зв’язку фірмами ВАТ ПТК “Мітел”, “Релком-Поділля” та ін.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати дисертаційного дослідження, які представлено до захисту, одержані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору належать: нейромережна модель розрахунку окупності основних видів телекомунікаційних послуг; метод оптимізації надання основних видів телекомунікаційних послуг; метод оптимізації кількості портів різних типів, що входять до комутаційної системи.

Апробація результатів дисертації. Наукові та практичні результати роботи доповідались на конференціях: ІІІ Міжнар.наук.-практ. конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів (м. Хмельницький, 13 - 16 травня 2004 р.), IV Міжнар. наук.-практ. конференції “Комп’ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 19 - 21 травня 2005 р.), VIII Міжнар. наук.-техн. конференції “Контроль і управління в складних системах” - КУСС-2005 (м. Вінниця, 24 - 27 жовтня 2005 р.), Міжнар. наук.-техн. конференції “Гарантоспроможні (надійні та безпечні) системи, сервіси та технології” - DESSERT-2006 (м. Полтава, 25 - 28 квітня 2006 р.), XIII Міжнар. наук.-техн. конференції з автоматичного управління - Автоматика-2006 (м. Вінниця, 25 - 28 вересня 2006 р.),Міжнар. наук.-практ. конференції „Комп’ютерні системи в автоматизації виробничих процесів”(м.Хмельницький, 17-19 травня 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертації викладено у 8 наукових публікаціях, серед яких 5 статей у фахових виданнях, що входять до переліку фахових видань ВАК України

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, викладених на 148 сторінках машинописного тексту, списку використаних джерел (159 найменувань). Робота містить 51 рисунок, 9 таблиць та 4 додатки.

Основний зміст робОти

У вступі обґрунтована актуальність тематики, визначено об’єкт та предмет досліджень, сформульовані мета і задачі, визначена наукова новизна та практична цінність одержаних результатів, а також відомості про апробацію роботи.

В першому розділі проведено аналіз особливостей сучасної інфраструктури телекомунікаційного середовища. Визначені основні підходи до формування груп абонентів, проведено аналіз відомих базових технологій формування телекомунікаційного середовища а також проведено розрахунок окупності надання телекомунікаційних послуг різним групам абонентів, виявлено проблеми, що пов’язані з відсутністю аналізу абонентського середовища при наданні телекомунікаційних послуг, сформульована загальнонаукова задача, яка вирішується в наступних розділах.

В другому розділі запропоновано модель та метод розрахунку окупності основних видів телекомунікаційних послуг. Деталізована структура та потреби абонентського середовища. Для формалізації процесу надання телекомунікаційних послуг розроблено його структуру (рис.1).

Рис.1.Структурна схема оптимізації надання телекомунікаційних

послуг.

Вихідними параметрами механізму оптимізації надання кількості номерів приймемо : першу - А-групу, другу - В-групу та третю С-групу абонентів. Кількість об’єктів у групах визначиться множиною ,кількість телефонних номерів у групах визначиться множиною . Телекомунікаційні потреби абонентських груп А, В, С визначаться множиною елементів :

,

де : ПТ - потреба у телефонному зв’язку; ПІ – потреба в доступі до мережі Internet; ПЕ - потреба у “місцевому Ethernet”; ПІ..В. - потреба доступу до мережі Internet по виділеній лінії; ПІ..Ш.- потреба у виділеному швидкісному Internet; ПЦ..К .- потреба у цифрових каналах для виділених підрозділів та партнерів; ПР.З.- потреба у радіозв’язку малого радіусу дії типу DECT; Пін. - інші потреби. Враховано такий вихідний параметр, як кількість телефонних номерів КТ.Н.. задіяної АТС у районі, котрому планується надавати згадані телекомунікаційні послуги. Взято до уваги також і кількість пільговиків, що проживають у даному районі. Механізм оптимізації надання кількості номерів по групах визначає оптимальну кількість номерів, що може надатись для кожної із груп А, В, С, та об’єм телекомунікаційних послуг з врахуванням їх окупності і, відповідно, прибутковості підприємства-оператора.

Для моделювання розроблена структура нейромережі, що представлена прямонаправленим багатошаровим персептроном з вхідним, вихідним та двома прихованими апроксимаційними шарами ( рис.2).

Вхідний шар ШНМ відображає групи абонентів А, В, С з множинами входів. В ШНМ наявні два приховані шари нейронів: . Перший з них відображає максимальне обмеження кількості телефонних номерів у групах А, В, С, а другий є апроксимаційним. Взагалі, обидва приховані шари можна розглядати як один апроксимаційний. У цьому випадку точність апроксимації збільшується у зв’язку із збільшенням кількості нейронів у прихованому шарі.Функціонали вихідного шару ШНМ відповідають оптимальній кількості телефонних номерів для груп А, В, С абонентів. За функції активації нейронів у багатошаровому персептроні приймаємо найбільш прийнятні для ШНМ цього типу сигмоїдну та стрибкоподібну функції. ШНМ навчається за відомими алгоритмами навчання персептрона із застосуванням навчаючого правила корекції помилки. Алгоритм А1 навчання і функціювання мережі полягає у наступному.

А1.1. Присвоїти значення ваговим коефіцієнтам випадковим чином або за даними експертів.

А1.2. Ввести вхідний вектор, що відповідає множинам .

Рис. 2. Структура нейромережі оптимізації надання послуг

А1.3. Ввести величини виходів навчаючої вибірки ненавченої мережі.

А1.4. Ввести кількість ітерацій для навчання ШНМ.

А1.5. Задати швидкість навчання .

А1.6. Одержати вагові коефіцієнти .

А1.7. Ввести вхідний вектор для функціювання ШНМ і одержання функціоналів.

А1.8. Кінець алгоритму.

Вагові коефіцієнти модифікуються за відомою формулою:

,

де р і р+1 - номера біжучої і наступної ітерацій; - коефіцієнт швидкості навчання, ; - номер -го входу; - номер нейрона у наступних шарах.

Імітаційна модель досліджувалась у Matlab і представлена на рис.3.

Рис. 3. Імітаційна модель оптимізації кількості номерів на базі ШНМ у Matlab.

Модель та алгоритми її реалізації є основою для розроблення інтелектуальної системи підтримки прийняття рішень для визначення стратегій надання телекомунікаційних послуг. У розділі представлені також (рис.4) графіки зміни помилок навчання, отримані за різними алгоритмами.Найкращими для навчання ШНМ виявилися пороговий алгоритм зворотного поширення помилки серед алгоритмів градієнтного спуску та алгоритм Флетчера-Рівса серед алгоритмів спряжених градієнтів.

Рис. 4. Графік зміни помилки навчання в залежності від числа вико-

наних циклів для процедури навчання ШНМ за алгоритмом Флетчера-Рівса.

В третьому розділі досліджено розвиток архітектури телекомунікаційних мереж.

При переході телекомунікаційних технологій на цифровий спосіб оброблення інформації та транслюванні сигналів змінилися вимоги щодо забезпечення пропускної можливості мережі, особливо на ділянці “останньої милі”, як самого вузького місця телекомунікаційного транспортного середовища. Це описує поняття конвергенції (Convergence - “зводити в одну точку, сходитися”). Для реалізації нових сервісів необхідна така мультисервісна мережна інфраструктура, яка б вирішувала задачі не тільки доступу і агрегації трафіка, а й питання організації транспортної мережі та вузлових станцій.

Для відшукання можливих шляхів реалізації досліджено основні технології реалізації широкополосного доступу по мідній телефонній лінії та залежності пропускної спроможності абонентського підключення від її довжини (рис. 5).

Рис.5. Залежність полоси пропускання (швидкості обміну) від довжини 2/4-жильної мідної (0,4-0,5 мм) з’єднувальної лінії.

Запропоновані схематичні моделі існуючої та трансформованої мереж.

Рис. 6. Схематичні моделі нетрансформованої та трансформованої мереж.

Порівнюючи моделі рис. 6, очевидно, що:, .

Проведений економічний аналіз показав, що використання на магістральній ділянці місцевої телефонної мережі волоконно-оптичної лінії замість мідної дозволяє при менших витратах збільшити сумарну пропускну спроможність виносного модуля комутації в середньому на порядок.

Для технічної реалізації комутаційної системи надання телекомунікаційних послуг необхідно визначитись з її структурою. Експертним шляхом визначено, що до її складу входять такі порти: “Т” - аналогові телефонні порти; “Р” - цифрові порти ISDN PRI; “S” - широкополосні порти; “К” - комбіновані порти ISDN PRI+Ethernet; “D” - лінії комутованого доступу до мережі Інтернет; “R” - канали радіо доступу ( DECT, WiFi, WiMAX).

У такому разі постає задача оптимізації кількості портів різних типів, що мають входити до комутаційної системи під час її комплектування, з врахуванням потреб абонентських середовищ. Позначимо згадані порти як: х1 - аналогові телефонні порти; х2 - цифрові порти ISDN PRI; х3 - широкополосні порти; х4 - комбіновані порти ISDN PRI+Ethernet; х5 - лінії комутованого доступу до мережі Інтернет; х6 - канали радіо доступу ( DECT, WiFi, WiMAX).

Задача оптимізації кількості портів різних типів при комплектуванні комутаційної системи обслуговування різних абонентських середовищ на сьогодні є невирішеною.

Нехай: х = { х1 … х6 } - множина портів, якими необхідно обладнати комутаційний вузол; { Кх1 … Кх6} - множина значень максимальних кількостей абонентів, котрих можуть обслуговувати порти; Vx = { Vx1, Vx2, …,Vx6 }- множина вартостей комплектування комутаційного вузла портами з множини X; PA, PB, PC - набори потреб групп абонентів, де -набір потреб групи А;- набір потреб групи В;- набір потреб групи С. Набір портів, необхідних для реалізації -ї потреби з групи , позначимо як: . Аналогічно визначимо інші набори портів для реалізації усіх потреб груп А, В і С.

Якщо - оптимальна кількість абонентів у групах А, В і С, то кількість портів -го типу, необхідна для забезпечення потреб групи А, визначиться як . Вартість портів типу для забезпечення потреб оптимальної кількості абонентів групи А визначимо як .

Вартість реалізації потреби групи визначимо, врахувавши вартість реалізованих портів з набору та оптимальну кількість абонентів у групі:

.

Аналогічно знаходимо значення вартостей інших потреб , і .

Вартість реалізації усіх потреб абонентів групи А :

.

Сумарна вартість реалізації усіх потреб для груп А, В і С: .

Мінімізація капіталовкладень оператора здійснюється шляхом визначення оптимальної кількості портів того чи іншого типу для комплектування комутаційної системи: . При цьому слід мати на увазі, що порти з множини можуть реалізовувати одну або декілька функцій та деякі порти реалізують однакові функції.

Така багатофункційність портів призводить до ускладнень вирішення задачі оптимізації кількості портів комутаційного вузла.

Визначення 1. Функційнооднорідними портами назвемо такі порти, які можуть реалізовувати однакові функції.Ступінь функційної однорідності портів відображається кількістю спільних функцій. На множині Х функційнооднорідними є такі підмножини портів:

, , .

Отже, деякі з потреб абонентів можна реалізувати з використанням різних наборів портів. Відповідно вартість реалізації потреб буде різною. Оскільки, один і той же порт може виконувати множину функцій, то він одночасно може задовольняти різні потреби однієї або різних груп абонентів.

У такому випадку задача обрахування сумарної вартості реалізації потреб усіх груп абонентів зводиться до вирішення задачі про покриття, що є однією з важковирішуваних задач цілочисельного програмування. Умова цілочисельності змінних формально відображає фізичну неподільність портів.

Згадані задачі та відповідні їм алгоритми є занадто ресурсоємними, тому пропонується використати інтелектуальний метод, що грунтується на теорії генетичних алгоритмів (ГА). Блок-схему алгоритму наведено на рис.7. У якості генів оберемо порти з множини Х. Функційну близькість портів відобразимо у їх представленні, використавши коди Грея, котрі забезпечують однорідність представлення.

Рис. 7. Блок-схема генетичного алгоритму формування оптимальних

наборів портів.

Проініціалізуємо популяцію з членів (при цьому Г - кількість особин у популяції.

Якщо х2, х3, х4 є функційно однорідними портами, то закодуємо їх значеннями , , (1, 2, 3 у десятковій системі числення). Порти х1 , х5 не є функційно однорідними між собою, і не мають відношення до попередньої групи. Надамо їм значення і (10, 15 у десятковій системі). Порт х6 закодуємо як (5 у десятковій системі).

Визначення 2. Нульовим портом назвемо порт, що відображає відсутність порту у популяції фіксованої довжини (порт х7 = 0000). Вартість його включення у комутаційну систему дорівнює 0, у той час, як вартості усіх інших портів лежать у діапазоні [1, 100 ], який визначено експертним шляхом.

Порти, близькі за фукційним призначенням, відрізняються між собою лише на один-два біта.У якості функцій пристосованості індивіда (критерій здоров’я) оберемо значення , де - кількість портів -го типу у популяції. Цільовою функцією алгоритму буде функція за умови, що особини, які містяться в популяції, забезпечують потреби усіх груп . Критерій оптимальності знайденого рішення визначимо як різницю вартостей реалізації комутаційного вузла: , де z - відсоткове значення переваги наступної цільової функції від попередньої.Умовою закінчення алгоритму є відсутність покращення значення цільової функції більш, як на z відсотків на протязі 10-ти поколінь (відсоткове значення задається експертним шляхом).У результаті одержимо однокритеріальну задачу оптимізації.На кожному кроці з популяції відбраковуються особини з найнижчими значеннями пристосованості та особини, що не можуть задовольнити потреби груп. Замість них до складу популяції включаються особини, сформовані випадковим чином.На схрещування випадковим чином обираються по 4 особини з популяції. Мутації здійснюються для двох особин теж випадковим чином. Якщо у результаті схрещування чи мутації отримано коди, значення котрих не відповідає жодній з особин, то вони замінюються найближчою до них особиною з такою ж побітовою сумою: - обираємо цю особину. Результатом виконання алгоритму буде оптимальна множина портів, яка задовольняє критерію оптимальності та потребам користувачів.

Проведено дослідження структури комутаційної системи. В результаті проведеного дослідження для вирішення задачі її оптимізації за допомогою генетичних алгоритмів отримуємо набори даних для підтримки прийняття рішення по конфігуруванню комутаційної системи. Результати роботи ГА алгоритму представлено в табл.1 та на рис.8 ( для популяції з 50-ти особин).

Таблиця 1. Результати роботи генетичного алгоритму.

№ дос-

ліду | Кільк. особин в

популяції | Кількість ітерацій для досягнення оптимального значення V | Оптимальне значення

функції

вартості | Значення кількості портів

різних типів

X 1 | X 2 | X 3 | X 4 | X 5 | X 6

1 1 |

10 |

980 |

11870 | 5 1 | 6 1 | 7 15 | 8 34 | 9 34 | 1 4

2 2 |

10 |

680 |

11107 | 5 1 | 6 1 | 7 13 | 8 35 | 9 35 | 1 3

3 3 |

20 |

890 |

10849 | 5 0 | 6 0 | 7 12 | 8 34 | 9 35 | 1 3

4 4 |

20 |

310 |

12782 | 1 1 | 2 2 | 1 13 | 3 38 | 3 34 | 4 20

2 5 | 6 20 |

880 |

11824 | 1 2 | 1 1 | 1 14 | 3 37 | 3 35 | 3 4

3 6 | 2 25 |

630 |

11655 | 0 43 | 0 1 | 1 13 | 3 35 | 3 32 | 3 4

4 7 | 2 25 |

950 |

10983 | 1 0 | 2 1 | 1 13 | 3 34 | 3 34 | 2 3

8 8 | 2 30 |

390 |

10958 | 2 1 | 1 1 | 1 13 | 3 34 | 3 34 | 4 3

6 9 | 2 40 |

960 |

10876 | 4 4 | 1 0 | 1 13 | 3 34 | 3 34 | 4 3

7 10 | 2 50 |

700 |

10789 | 0 1 | 1 1 | 1 13 | 3 34 | 3 34 | 3 3

Рис.8. Пошук рішення для популяції з 50 особин.

В четвертому розділі проведено опис розроблення програмного забезпечення системи підтримки прийняття рішень надання телекомунікаційних послуг а також комплексна технічна реалізація комутаційної системи на базі обладнання „Елком”.

Для роботи з СППР у режимі прийняття рішень користувачу необхідно ввести початкові дані, натиснути кнопку “Оптимальне рішення” і у правій частині вікна програми СППР буде видано реультат: оптимальна кількість телефонних номерів для абонентів груп A, B, C (рис.9).

Рис.9. Інтерфейс СППР надання ТП.

ВИСНОВКИ.

1. В дисертаційній роботі уточнено перелік телекомунікаційних потреб структурних складових абонентського середовища, визначено можливі шляхи їх реалізації. Досліджено, що окупність телекомунікаційних послуг залежить від специфіки груп абонентів та переліку потреб кожного з них. При цьому істотне значення для окупності телекомунікаційних послуг мають вже наявні АТС та лінії зв’язку у мікрорайоні, який таких послуг потребує. Найнижча окупність телекомунікаційних послуг у мікрорайонах, де є потреба у заміні механічної АТС на цифрову.

2. Розроблено нову модель оптимізації надання кількості номерів по групах абонентів та телекомунікаційних послуг з врахуванням їх окупності і прибутковості підприємства-оператора. Запропонована модель відрізняється від відомих тим, що вона грунтується на прямонапрямленому чотиришаровому персептроні, вхідний шар якого відображає групи абонентів; перший прихований шар - максимальне обмеження кількості телефонних номерів у групах; другий прихований шар призначений для апроксимації функції; вихідний шар обраховує функціонали, що відповідають оптимальній кількості телефонних номерів для задіяних груп абонентів.

3. Вперше запропоновано метод оптимізації надання основних видів телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів, в яких крім телекомунікаційних потреб абонентів враховується в якості вихідних параметрів вже задіяна кількість номерів наявної АТС у районі надання телекомунікаційних послуг, граничне обмеження кількості номерів для кожної з груп абонентів та кількість пільговиків, що дало можливість задіяти та визначити оптимальну, з обрахунків оператора, кількість номерів для кожної з них. Запропонований метод визначає доцільність надання затребуваних телекомунікаційних послуг з врахуванням реального стану надання таких послуг конкретним мікрорайонам міста. Він може бути основою для розроблення інтелектуальної системи підтримки прийняття рішень при визначенні стратегій надання телекомунікаційних послуг операторами.

4. Запропонована модель трансформованої комутаційної мережі, котра на відміну від моделі нетрансформованої мережі включає додатково множину елементів комутації, оптоволоконне середовище, що дає можливість зменшити величину вектора “мідного” закінчення, розширити смугу пропускання “останньої милі” і дозволяє на цій основі при менших витратах збільшити сумарну пропускну спроможність виносного модуля комутації в середньому на порядок.

5. Пошук оптимального рішення при визначенні кількості і типів інтефейсних портів комутаційної системи надання телекомунікаційних послуг реалізується шляхом застосування теорії генетичних алгоритмів при відомих внутрішніх залежностях між змінними, що дає змогу визначити кількість портів для комплектування комутаційної системи з мінімальною вартістю та задоволенням потреб усіх груп абонентів, виявити загальні принципи комплектування комутаційних вузлів портами. При використанні ГА, налагодженими за умовчанням, кращим вибором буде популяція з 30 - 50 особин. Було також виявлено, що вже на 800...1000 поколіннях ми одержуємо оптимальні результати. Подальша генерація поколінь не є доцільною.

6. Розроблено програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень надання телекомунікаційних послуг, котре дає можливість користувачам, не володіючи глибокими знаннями у галузі штучних нейронних мереж та генетичних алгоритмів, відшукати найбільш ефективні для практичної реалізації та прийнятні для користувачів варіанти надання телекомунікаційних послуг шляхом визначення оптимальної кількості телефонних номерів, що надаються кожній із задіяних груп абонентів.

7. Розроблене ПЗ СППР надання телекомунікаційних послуг може використовуватися для дослідження на практиці методу оцінки окупності послуг, а також в якості СППР для підприємств сфери зв’язку.

8. Розроблено узагальнену структуру та опис системи цифрової комутації і запропонована технічна реалізація комутаційної системи на базі обладнання “Елком”, котра за рахунок відкритості архітектури та потужних обчислювальних ресурсів дозволяє практично необмежено додавати нові функційні можливості та реалізовувати протоколи, використовувані в мережах з пакетною комутацією. Це підвищило річну економічну ефективність на 220380,0 грн., виходячи з ємності 18420 портів.

9. Запропоновано технічну реалізацію “D”-портів (доступ до мережі Internet), “S”-портів (порти широкополосного доступу), “К”-портів (комбіноване рішення “останньої милі”), транспортної мережі PON. Згадані технічні реалізації були покладені в основу розбудови телефонного зв’язку, котрий здійснюють фірми “Мітел” і “Релком-Поділля”, що дало можливість істотно підвищити ефективність надання телекомунікаційних послуг з врахуванням потреб користувачів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Іванов О. В. Впровадження цифрових АТС та оптимізація телефонної мережі загального користування // Вісник Хмельницького національного університету. - Хмельницький: ХНУ. - 2004. - №2, Ч1,Т3 - С. 140 - 142.

2. Іванов О. В., Данілов В.О. Розрахунок окупності основних видів телекомунікаційних послуг різних груп абонентів // Вісник Хмельницького національного університету. - Хмельницький: ХНУ. - 2005. - №4, Ч1,Т1- С.263-266.

3. Локазюк В. М.., Іванов О. В. Модель розрахунку окупності основних телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів // Тези доповідей VIII Міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в складних системах (КУСС-2005), 24 – 27 жовтня. – Вінниця: УНІВЕРСУМ. – 2005. – С. 224.

4. Локазюк В. М., Іванов О. В. Модель розрахунку окупності основних телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів // Міжнародний науково - технічний журнал „Інформаційні технології та комп’ютерна інженерія”. – Вінниця: ВНТУ. – 2006. - №.1(5). - С. 43 – 47.

5. Локазюк В. М., Іванов О. В. Метод розрахунку окупності основних телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”. – 2006. - №.7 (19). – С. 180 – 184.

6. Локазюк В. М., Іванов О. В. Трансформація архітектури комутаційних систем – шлях до конвергенції, як базису сучасної багатопротокольної мультисервісної мережі // Тези доповідей ХIII Міжнародної науково-технічної конференції з автоматичного управління (Автоматика – 2006), 25 – 28 вересня. - Вінниця: УНІВЕРСУМ. – 2006. – С. 432.

7. Іванов О. В. Оптимізація структури комутаційної системи на базі генетичних алгоритмів // Вісник Хмельницького національного університету. - Хмельницький: ХНУ. – 2006. - №.6 (87). – С. 85 – 91.

8. Локазюк В. М., Іванов О. В. Трансформація архітектури комутаційних систем – шлях до конвергенції, як базису сучасної багатопротокольної мультисервісної мережі // Збірник матеріалів 13 міжнародної науково-технічної конференції „Автоматика – 2006”. - Вінниця: УНІВЕРСУМ. – 2007. – С. 482 - 486.

АНОТАЦІЇ

Іванов О. В. Математичні моделі та методи конфігурування структури телекомунікаційного середовища. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – ДНВК "Київський інститут автоматики"”, Київ, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі по розробленню математичних моделей та методів кофігурування структури телекомунікаційного середовища. В ході дослідження уточнено перелік телекомунікаційних потреб структурних складових абонентського середовища.

Вперше запропоновано метод оптимізації надання основних видів телекомунікаційних послуг для різних груп абонентів з врахуванням обмеження кількості номерів для кожної з груп абонентів та абонентів-пільговиків. Вперше одержано модель оптимізації надання кількості портів і телекомунікаційних послуг різним групам абонентів з врахуванням їх окупності та прибутковості підприємства-оператора, що базується на прямонапрямленому чотиришаровому персептроні. Розроблено програмне забезпечення системи підтримки прийняття рішень надання телекомунікаційних послуг.

Ключові слова: конфігурування структури, комутаційна система, абонентське середовище, генетичні алгоритми, трансформована архітектура, штучна нейронна мережа, телекомунікаційна мережа.

Иванов А.В. Математические модели и методы конфигурирования структуры телекоммуникационной среды. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Государственная научно-про- изводственная корпорация "Киевский институт автоматики"”, Киев, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи по разработке математических моделей и методов конфигурирования структуры телекоммуникационной среды. В ходе исследования уточнено перечень телекоммуникационных нужд структурных составных абонентской среды, определены возможные пути их реализации. Разработана новая модель оптимизации предоставления количества номеров по группам абонентов и телекоммуникационных услуг с учетом их окупаемости и прибыльности предприятия-оператора.

Предложенная модель базируется на прямонаправленном четырехслойном персептроне, входной слой которого отображает группы абонентов; первый скрытый слой - максимальное ограничение количества телефонных номеров в группах; второй скрытый слой предназначен для аппроксимации функции; исходный слой определяет функционалы, которые отвечают оптимальному количеству телефонных номеров для задействованных групп абонентов.

Впервые предложен метод оптимизации предоставления основных видов телекоммуникационных услуг для различных групп абонентов, в которых, кроме телекоммуникационных нужд абонентов, учитывается в качестве исходных параметров предельное ограничение количества номеров для каждой из групп абонентов и количество льготников, которое дало возможность задействовать и определить оптимальное, исходя из возможностей оператора, количество номеров для каждой из них.

В работе предложена модель трансформированной коммутационной сети, которая в отличие от модели нетрансформированной сети включает дополнительно множество элементов коммутации, оптоволоконную среду, что дает возможность уменьшить величину вектора “медного” окончания, расширить полосу пропуска “последней мили” и позволяет на этой основе при меньших затратах увеличить суммарную пропускную способность выносного модуля коммутации в среднем на порядок.

Использование трансформированной сети позволяет применить современные транспортные технологии передачи данных, который позволяют на медных абонентских линиях реализовать возможность широкополосного доступа, а также осуществить плавный переход к сетям нового поколения, основанных на пакетной коммутации, с реализацией таких новых видов сервиса как цифровое телевидение, видео по запросу и т.д.

Поиск оптимального решения при определении количества и типов портов коммутационной системы может быть реализован путем применения

теории генетических алгоритмов при известных внутренних зависимостях между переменными, что дает возможность определить количество портов для комплектования коммутационной системы с минимальной стоимостью и максимальным удовлетворением нужд всех групп абонентов. При использовании генетических алгоритмов, лучшим выбором будет популяция с 30-50 особей. Было также исследовано, что уже на 800...1000 поколениях мы получаем оптимальные результаты. Дальнейшая генерация поколений не является целесообразной.

Разработано программное обеспечение системы поддержки принятия решений предоставление телекоммуникационных услуг, которое дает возможность пользователям, не владея глубокими знаниями в области искусственных нейронных сетей и генетических алгоритмов, отыскать наиболее эффективные для практической реализации и приемлемые для пользователей варианты предоставления телекоммуникационных услуг путем определения оптимального количества портов.

Разработанное программное обеспечение системы поддержки принятия решений предоставления телекоммуникационных услуг может использоваться для исследования на практике метода оценки окупаемости услуг, составлении бизнес-планов, проектировании телекоммуникационных сетей, а также в качестве составляющей СППР для предприятий сферы связи при стратегическом планировании развития телекоммуникаций как в отдельно взятом регионе, так и отрасли в целом.

Разработана обобщенная структура и описание системы цифровой коммутации, а также предложена техническая реализация универсальной коммутационной системы на базе оборудования “Елком”, которая за счет открытости архитектуры позволяет предоставлять различные телекоммуникационные услуги за счет комбинированного аппаратного использования различных технологий.

В качестве транспортной среды предложена технология пассивных оптических сетей, которая в сочетании с выносными модулями коммутации позволяет построить гибкую телекоммуникационную сеть, на базе которой возможно реализовать множество различных современных телекоммуникационных сервисов.

Гибкая структура и мощные вычислительные ресурсы разрешают наращивать новые функциональные возможности и реализовывать протоколы, используемые в сетях с пакетной коммутацией.

Ключевые слова: конфигурирование структуры, коммутационная система, абонентская среда, генетические алгоритмы, инфраструктура телекоммуникационной среды, трансформированная архитектура, искусственная нейронная сеть, телекоммуникационная сеть, система поддержки принятия решений, пассивная оптическая сеть.

Ivanov A.V. Mathematical models and methods of configuration of structure of the telecommunication environment. - the Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. behind a speciality 05.13.06 - the Automated control systems and progressive information technologies. - State enterprise “ Research-and-production corporation " the Kiev institute of automatics " ”, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to the decision of an actual scientific and technical problem on development of mathematical models and methods конфигурирования structures of the telecommunication environment. During research it is specified the list of telecommunication needs structural compound the user's environment, possible ways of their realization are determined.

Search of the optimum decision at definition of quantity and types of the interface ports of