ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ТКАЧЕНКО ОЛЬГА МИКОЛАЇВНА

удк 621.396.662.072.078

ПІДВИЩЕННЯ ефективності систем управління телекомунікаційними мережами

05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій Міністерства транспорту та зв’язку України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Беркман Любов Наумівна,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, директор навчально-наукового інституту телекомунікацій та інформатизації

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Савченко Юлій Григорович,

Національний технічний університет України «КПІ», професор кафедри

кандидат технічних наук

Отрох Сергій Іванович,

апарат управління ВАТ «Укртелеком»,

головний фахівець науково-технічного центру

Захист дисертації відбудеться « 19 » червня 2008 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом’янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, 03110, м. Київ, вул. Солом’янська, 7.

Автореферат розісланий « 16 » травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Н.І. Кунах

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні телекомунікації є надскладною інфраструктурою, яка для ефективного виконання своїх функцій потребує ефективної системи управління (СУ), тому необхідно розвивати загальну теорію оптимальних СУ, розробляти нові принципи побудови пристроїв для оптимального управління, методи побудови систем, що мають здатність до самопристосування, самонавчання та самоорганізації. Ці задачі є особливо важливими і при проектуванні мереж наступного покоління (NGN).

Аналіз науково-технічної літератури показує, що проблемам синтезу різноманітних автоматизованих СУ, розвитку теорії оптимізації та теорії інформації присвятили багато робіт вітчизняні та закордонні вчені: Зюко О.Г., Кловський Д.Д., Шеннон К., Якубайтіс Е.А., Лазарев В.Г., Нейман В.І., Поспєлов Г.С., Зайцев Г.Ф., Стеклов В.К., Красовський А.А., Лапа В.Г., Лернер А.Я., Льюс Р.Д., Нестерук В.Ф. та інші.

Впровадження алгоритмів теорії ігор у телекомунікаціях пов’язано з роботами по теорії потенційної завадостійкості і по теорії статистичних рішень. Безпосередньо ж теорія ігор використовується лише для вивчення окремих ланок телекомунікаційних систем і тільки в теорії інформації вона була використана для узагальнення теорії Шеннона. В усіх випадках не тільки рішення відповідних ігрових задач, але і їхня постановка здійснювалася в нормальній формі. Для телекомунікаційних задач теоретико-інформаційного характеру такий підхід доцільний, оскільки як чисті стратегії тут виступають об’єкти загальної природи: телекомунікаційні системи і класи завад, а результати досліджень мають фундаментальне значення. Однак для конкретизованих телекомунікаційних систем, функціонування яких обумовлюється багатьма ланками і складними процесами, застосування ігрової моделі в нормальній формі не відбиває багатоетапної процедури генерації і прийому сигналів. Саме цим і пояснюється переважне дослідження окремих ланок телекомунікаційних систем методами теорії ігор, а не телекомунікаційних систем в цілому.

Методи теорії ігор уже зайняли визначене місце в телекомунікаціях. Про це свідчить безупинно зростаючий потік робіт з використанням теорії ігор у телекомунікаційних задачах, у яких уже зараз отримані важливі в практичному відношенні результати, які допоможуть оцінити якісні показники СУ NGN.

Одним з ефективних способів підвищення використання каналів та з’єднувальних ліній на телекомунікаційних мережах в умовах, що змінюються, є динамічний розподіл потоків інформації, що забезпечує адаптацію плану розподілу шляхів передачі інформації: порядок їхнього вибору при встановленні зв’язку між кореспондуючими вузлами комутації (ВК), до умов, що змінюються на мережі (локальним перевантаженням на окремих напрямках або ділянках мережі, ушкодженням каналів або їх пучків, виходу з ладу окремих ВК і т.п.), дозволяє найбільш ефективно використовувати наявні на даний момент ресурси і тим самим мінімізувати втрати викликів на мережах комутації каналів і затримку при передачі повідомлень або пакетів.

Дисертаційна робота, яка присвячена дослідженню та розв’язанню задач підвищення ефективності СУ телекомунікаційними мережами, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрям досліджень відповідає тематиці науково-дослідних робіт Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, Українського науково-дослідного інституту зв’язку, що проводились протягом 2004 – 2007 р. Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в науково-дослідній роботі «Інтелектуальна система управління різнорідними телекомунікаційними мережами» (держ. реєстр. №0107u003059).

Мета й задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розв’язання комплексу науково-технічних питань, пов’язаних з оптимізацією параметрів СУ мережами телекомунікацій на базі ігрових систем.

Для досягнення мети розв’язуються такі наукові задачі:

– виконання порівняльного аналізу та дослідження методів побудови СУ телекомунікаційними мережами, методів побудови систем, що мають здатність до самопристосування, самонавчання та самоорганізації;

– розробка методики багатокритеріальної оптимізації на базі методів теорії ігор;

– дослідження ефективності застосування методів теорії ігор для розпізнавання об’єктів при наявності завад в каналі управляючої інформації;

– розробка мінімаксної методики розв’язання задачі виявлення сигналів при нормальних шумах;

– реалізація методу послідовного наближення рішення до оптимального для розподілу потоків інформації;

– визначення залежності ймовірності вибору обхідного шляху від коефіцієнта використання каналів, а також залежність середнього часу затримки в мережі від використання каналів у випадку статичного (постійних маршрутів) і динамічного (динамічної маршрутизації) розподілів пакетів.

Об’єкт дослідження – сучасна СУ мережами телекомунікацій.

Предмет дослідження – оптимізація параметрів цієї системи на основі алгоритмів теорії ігор.

Методи досліджень. Для досягнення поставлених в дисертаційній роботі задач використано методи теорії інформації, теорії оптимальних систем управління, методи теорії ігор, теорії потенційної завадостійкості і теорії статистичних рішень, методи теорії інваріантності та методи статистичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:

– виконано порівняльний аналіз та проведено дослідження методів побудови СУ телекомунікаційними мережами, методи побудови систем, що мають здатність до самопристосування, самонавчання та самоорганізації;

– вперше розроблено методику багатокритеріальної оптимізації на базі методів теорії ігор;

– запропоновано в якості оптимального алгоритму ігрових СУ використовувати системи з автоматичним пошуком рішень шляхом надання їм властивостей систем з накопиченням досвіду та з використанням способу пошуку оптимальних виборів;

– визначено ефективність застосування методів теорії ігор для розпізнавання об’єктів при наявності завад в каналі управляючої інформації. Рішення задачі дозволяє обґрунтовано вибрати стратегії системи спостереження та оцінити в кожному випадку її ефективність;

– розроблено мінімаксну методику розв’язання задачі виявлення сигналів при нормальних шумах;

– дістав подальшого розвитку метод послідовного наближення рішення до оптимального для розподілу потоків інформації. Доведено оптимальність розподілу потоків на мережі з комутацією пакетів, що забезпечує мінімізацію затримки пакету в мережі;

– отримано залежність ймовірності вибору обхідного шляху від коефіцієнта використання каналів, а також залежність середнього часу затримки в мережі від використання каналів у випадку статичного (постійних маршрутів) і динамічного (динамічної маршрутизації) розподілів пакетів.

Проведені наукові дослідження дають можливість розв’язати одну із задач підвищення показників якості систем управління телекомунікаційними мережами за допомогою оптимізації параметрів цих систем з використанням алгоритмів теорії ігор.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням сучасних теорій, обговоренням отриманих результатів на багатьох науково-технічних конференціях, коректним використанням математичного апарату та моделюванням.

Практична цінність отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в науково-дослідній роботі на тему: «Інтелектуальна система управління різнорідними телекомунікаційними мережами» (ДУІКТ, номер держреєстрації №0107u003059) і рекомендовані до впровадження в наукових розробках систем управління сучасними телекомунікаційними мережами України.

Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.

Особистий внесок здобувача. В дисертації узагальнено результати досліджень, виконаних автором самостійно [8, 9, 10, 12, 14, 15, 16] та у співавторстві [1-7, 11, 13]. Особисто автором здійснена розробка загальної концепції дисертації та вибір об’єктів, визначено мету і задачі роботи, обрано та обґрунтовано методи досліджень. В наукових публікаціях у співавторстві автору належать: провідна роль у виборі та обґрунтуванні напряму досліджень, постановка задач на різних етапах виконання роботи, аналіз та інтерпретація одержаних результатів.

В статтях з співавторами [2, 3, 6] автором проведені теоретичні та експериментальні дослідження, обґрунтування висновків. В наступних роботах здобувачу належить: – розрахунок нижньої та верхньої ціни гри, а також середній виграш при використанні ігрової системи управління [1]; – побудова загальної схеми ігрової системи управління [4]; – проаналізовано та виконано порівняння методів зведення векторного синтезу до скалярного [5]; – дослідження ефективності використання мінімаксних стратегій для систем управління [7]; – порівняння ігрових систем управління з набором шаблонних рішень та ігрових систем з поетапним пошуком рішень [11]; – розробка алгоритму розв’язку задачі оптимізації систем управління телекомунікаційними мережами з застосуванням положень теорії ігор [13]. Наукові положення, що виносяться на захист, та висновки і рекомендації дисертації належать автору. Основна частина отриманих в дисертації результатів доповідалась автором особисто на міжнародних науково-технічних конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях та семінарах професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, Українського науково-дослідного інституту зв’язку 2004 – 2007 р.; на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції студентства та молоді «Світ інформації та телекомунікацій – 2005» 12-13 травня 2005 р., Київ; на ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції студентства та молоді «Світ інформації та телекомунікацій – 2006» 26-27 квітня 2006 р., Київ; на Міжнародній науково-технічній конференції «Технологии цифрового вещания: стратегия внедрения в Украине» (DBT – 2006) 29-30 червня 2006 р., Одеса; на ІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології (СОMINFO – 2006)» 8-14 жовтня 2006 р., Київ; на ІV Міжнародній науково-технічній конференції студентства та молоді «Світ інформації та телекомунікацій – 2007» 12-13 квітня 2007 р., Київ; на ХХVII Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми електроніки» 17-19 квітня 2007 р., Київ; на науково-прикладному семінарі «Прогресивні інформаційні технології: моделювання, інтелектуальне управління, оптимізація» на базі Науково-дослідного інституту телекомунікацій ДУІКТ 30 травня 2007 р., Київ; на ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні інформаційно-комунікаційні технології (СОMINFO – 2007)» 24-28 вересня 2007 р., Київ.

На основі теоретичних та практичних результатів дисертаційної роботи підготовлено науково-технічний проект «Оптимізація параметрів систем управління телекомунікаційними мережами на основі ігрових систем» на конкурс «Інтелект молодих – на службу столиці», 2005 р., який отримав високу оцінку експертизи.

Публікації. На тему дисертаційної роботи опубліковано 16 наукових праць, з них: 9 статей в науково-технічних журналах, збірниках наукових праць та 6 матеріалів доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 153 сторінки друкованого тексту, у тому числі містить 38 рисунків, 1 таблиця, 4 сторінки документів, що підтверджують впровадження результатів досліджень. Список використаних джерел на 12 сторінках містить 144 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність поставленої теми дисертаційної роботи, сформульовано задачі, мету, визначено об’єкт, предмет, методи дослідження та розв’язання задач, перераховано основні наукові результати роботи і їх практичне значення, викладена загальна характеристика роботи. Приведено дані про особистий внесок автора, а також публікації за темою дисертації.

У першому розділі досліджено та проаналізовано основні принципи побудови СУ сучасними телекомунікаційними мережами. В теоретичних дослідженнях зі створення СУ в даний час займає центральне місце проблема оптимального управління, яка зводиться до мінімізації або максимізації критерію якості. Задачу проектування оптимальної системи можна сформулювати в такий спосіб: задано об’єкт управління (ОУ) або процес; знайти закон управління або керуючу послідовність впливів, завдяки якій сукупність критеріїв якості системи досягає максимуму або мінімуму.

Розглянуто критерії для синтезу СУ телекомунікаційними мережами і визначено, що для оптимізації параметрів сучасних СУ доцільно використовувати наступні основні критерії: критерій мінімуму середньоквадратичної помилки на виході СУ; критерії отримання екстремуму деякої функції; критерій отримання мінімуму часу перехідного процесу в СУ; критерій пошуку нового стійкого стану при змінюваних даних.

Зважаючи на актуальність впровадження на телекомунікаційних мережах України мереж NGN в розділі проаналізовано особливості NGN з погляду управління: ці мережі будуть складатися з більшого числа різнотипних компонентів, а не з порівняно невеликої кількості менш різноманітних великих комутаційних пристроїв, як зараз; у NGN буде підтримуватися більше число інтерфейсів, ніж в існуючих мережах, і більш висока пропускна спроможність. Усе це веде до необхідності перегляду принципів і підходів до мережного управління для NGN. Таким чином, СУ NGN повинна являти собою набір рішень, що забезпечують управління мережами, реалізованими на базі різних технологій (фіксовані і мобільні телефонні мережі, мережі передачі даних, сигналізації і т.д.), що надають різні послуги і побудованих на устаткуванні різних виробників. Основними вимогами, пропонованими до СУ NGN, є: підготовлене рішення на практиці повинне реалізовуватися в короткий термін; структури відкритих систем повинні забезпечувати гнучкість реалізації і сумісність з іншими рішеннями, високу надійність, і як результат – якість обслуговування; оператор повинен мати можливість модифікувати програмне забезпечення для реалізації специфічних функцій і вводити нові послуги через зміну конфігурації; компонентні рішення спростять можливості оператора по введенню нових користувачів і функцій. Гнучкість і масштабуємість дозволять легко адаптуватися до нових технологій і продуктів, що з’являються досить швидко, а також до потреб користувачів, що змінюються.

Самостійним класом мереж, що будуються на основі концепції NGN є мультисервісні мережі, на базі яких здійснюється надання широкого набору як традиційних, так і нових послуг. Для організації управління мультисервісними мережами необхідна взаємодія СУ, що належать різним операторам і постачальникам послуг.

Вирішення зазначених питань являється суттю подальшого проведення досліджень і практичної реалізації, що визначають мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі досліджено тенденції використання ігрових методів для аналізу і синтезу систем зв’язку. Новим досить широким та перспективним класом систем автоматичного управління є ігрові СУ (рис. 1). Управляючий комплекс ігрової СУ має алгоритм, який можна назвати ігровим. Сутність ігрового алгоритму управління полягає в порівнянні великої кількості можливих в даних умовах якісно різних рішень, визначенні оптимального або найкращого з урахуванням всіх обмежень рішення та формування відповідної команди.

Теорія ігор застосовується для формулювання та розв’язання задач, пов’язаних з конфліктними ситуаціями, а також визначає рекомендації щодо раціональних дій кожного із супротивників у ході конфліктної ситуації.

Застосувавши положення теорії ігор для оптимізації СУ, отримано наступний розв’язок. Нехай для деякого об’єкта мережі, яка управляється існує три варіанти алгоритмів завадостійкого кодування, котрі дозволяють забезпечити потрібну ймовірність помилок. Так, маємо три виправляючих алгоритми завадостійкого кодування А1, А2, А3 та три види завад, що діють на об’єкт контролю В1, В2, В3. Відомо, що при використанні цих алгоритмів ймовірності виправлення помилок задаються наступним чином: А1 – 10-7, 10-9, 10-12; А2 – 10-11, 10-10, 10-8; А3 – 10-10, 10-9, 10-12. Цю конфліктну ситуацію можна розглядати як гру 3х3 з двома особистими ходами та одним випадковим. Особистий хід супротивної сторони – поява того чи іншого виду завад. Наш особистий хід – вибір типу завадостійкого кодування. Випадковий хід – застосування завадостійкого кодування. Цей хід може закінчитися отриманням потрібної ймовірності помилок або ж ймовірність помилок буде занадто високою, що не буде задовольняти висунутим вимогам.

Рис. 1. Схема ігрової системи управління

Стратегіями СУ є три варіанти завадостійкого кодування, стратегіями супротивної сторони – три варіанти можливих завад. Середнє значення виграшу при кожній заданій парі стратегій являє собою ймовірність отримання потрібної ймовірності помилок за допомогою певного завадостійкого кодування. Матриця гри представлена на рис. 2.

В

А | В1 | В2 | В3

А1 | 10-7 | 10-9 | 10-12

А2 | 10-11 | 10-10 | 10-8

А3 | 10-10 | 10-9 | 10-12

Рис. 2. Матриця гри

Для того, щоб знайти оптимальну стратегію стратега (гравця першої з конфліктуючих сторін) А, проаналізуємо послідовно кожну з його стратегій, починаючи з А1. Якщо стратег А вибрав зі всіх своїх стратегій стратегію Аj, то він розраховує на те, що стратег В відповість на неї тією зі своїх стратегій, для якої його (стратега А) виграш аij мінімальний. Виберемо це значення виграшу, тобто мінімальне з чисел аij в j-ому рядку

. (1)

Уникаючи будь-якого ризику, стратег А повинен зупинитися на тій зі своїх стратегій Аj, для якої число аj є максимальним

,

або, враховуючи (1)

. (2)

Вираз (2) визначає нижню ціну гри (максимінний виграш, максимін). Стратегія, що відповідає нижній ціні гри, називається максимінною стратегією. Вираз (2) визначає той гарантований мінімум, який отримає стратег А, дотримуючись найбільш обережної зі своїх стратегій.

Очевидно, стратег В зацікавлений в тому, щоб обернути виграш стратега А в мінімум. Тому, він повинен проаналізувати кожну зі своїх стратегій з точки зору максимального виграшу при цьому стратегії

, (3)

,

. (4)

Вираз (4) визначає верхню ціну гри (мінімакс). Відповідна стратегія називається мінімаксною. Принцип, по котрому кожний зі стратегів повинен дотримуватися своєї найбільш обережної стратегії в теорії ігор, називається принципом мінімаксу. Враховуючи (1, 3), матриця гри доповнюється (рис. 3).

Таким чином, нижня ціна гри в даному випадку а=10-11; верхня ціна гри b=10-9.

В

А | В1 | В2 | В3 | a j

А1 | 10-7 | 10-9 | 10-12 | 10-12

А2 | 10-11 | 10-10 | 10-8 | 10-11

А3 | 10-10 | 10-9 | 10-12 | 10-12

bi | 10-7 | 10-9 | 10-8 | -

Рис. 3. Доповнена матриця гри

Аналізуючи отриману матрицю, можна зробити висновок про нестійкість мінімаксних стратегій. Це означає, що якщо стратег А застосовує свою найбільш обережну стратегію А2, а стратег В – стратегію В2 (свою найбільш обережну стратегію), то середній виграш дорівнює 10-10. Як тільки стратегу В стає відомо, що стратег А застосовує стратегію А2, він може відповісти на неї стратегією В1 і зведе виграш до 10-11. Таким чином, виграш при використанні мінімаксних стратегій є нестійким, оскільки залежить від відомостей про стратегії протилежної сторони. Для СУ в стаціонарному режимі завжди можна визначити інформацію, яку отримують від параметрів мережі, тому цей метод гри є досить вдалим.

В роботі пропонується розрізняти два принципово різних класи алгоритмів ігрових СУ. Типи ігрових СУ, що відповідають цим класам алгоритмів, назвемо ігровими системами з набором шаблонних рішень (рис. 4) та ігровими системами з автоматичним пошуком рішень (рис. 5).

Рис. 4. Функціональна схема ігрової системи з набором шаблонних рішень

Дії ігрової системи з набором шаблонних рішень є шаблонними, що можна вважати основним недоліком даного типу ігрових СУ.

В ігровій системі з автоматичним пошуком рішень пошук оптимального вибору на кожному етапі здійснюється керуючим комплексом. В роботі пропонується в якості оптимального алгоритму ігрових СУ використовувати системи з автоматичним пошуком рішень шляхом надання їм властивостей систем з накопиченням досвіду та з використанням способу пошуку оптимальних виборів, які мають широку перспективу застосування та вдосконалення.

Рис. 5. Функціональна схема ігрової системи з автоматичним пошуком рішень

У даному розділі запропоновано рішення задачі розпізнавання двох об’єктів по випромінюваним (або відбиваним) ними сигналам, що моделюється антагоністичною грою двох осіб при передачі сигналів управління по симетричному каналу без пам’яті при наявності завад трансформуючого типу. Є два джерела S1 і S2, кожне з яких може посилати два різних сигнали m1 і m2. Включення джерел відбувається по випадковому закону, причому в будь-який момент часу може працювати тільки одне джерело. Імовірність включення S1 дорівнює р, а S2 – 1-р. Джерело S2 веде активну антагоністичну гру проти системи спостереження, маскуючись під S1. Дія завад зводиться до трансформації посилок з імовірністю ро?1/2. На виході є система спостереження, що виносить рішення про наявність того або іншого джерела в сфері спостереження. У силу випадковості включення джерел і дії завад можливі як правильні, так і помилкові рішення. Нехай "а" – виграш системи спостереження за правильне і "b" – за неправильне рішення, причому а>b?0.

При достатньо малих ймовірностях появи джерела S1, оптимальним є рішення про наявність S2 при будь-яких прийнятих сигналах і при будь-яких діях S1. При цьому показник якості роботи системи спостереження – ціна гри – не залежить від параметру завад р0. Мінімальне значення ціни гри:

. (5)

При досить великих ймовірностях р, з’являється оптимальна стратегія: прийняття рішення S1 при будь-якому прийнятому сигналі і будь-яких діях S2. Цікаво зазначити, що така стратегія є оптимальною лише при наявності завад. Дійсно при р0=0 третій діапазон рішень просто зникає.

Таким чином, розв’язок задачі дозволяє обґрунтовано вибрати стратегії системи спостереження та оцінити в кожному випадку її ефективність.

На рис. 6 приведено графік залежності ціни гри від ймовірності р та вказані діапазони та характер рішень, що приймаються. Для порівняння пунктиром відмічена залежність ціни гри при відсутності завад.

Рис. 6. Графік залежності ціни гри від ймовірності р

У третьому розділі проведено дослідження принципів динамічного управління потоками інформації. Динамічне управління потоками забезпечується або організацією внутрішньо вузлового управління потоками викликів та встановленням з’єднань на кожному вузлі, або організацією управління потоками на мережі зв’язку в цілому. Динамічне управління потоками на мережі в цілому здійснюється двома основними шляхами – управлінням об’ємом потоків, що передаються по мережі і управлінням розподілом на мережі потоків. Під динамічним управлінням об’ємом потоків розуміється як управління обмеженням вихідного навантаження від усіх або частини ВК, так і управління об’ємом вихідного навантаження, що створюється безпосередньо абонентськими пунктами.

Для великих мереж, особливо якщо потрібно перерозподіляти потоки, тобто застосовувати динамічне управління потоками на мережі в умовах, що змінюються пропонується використовувати метод послідовного наближення рішення до оптимального.

Об’єм потоку пакетів, що надходить у ВКі

, (6)

а загальний об’єм потоку, що надходить в мережу

. (7)

Середній час затримки передачі пакету по мережі

, (8)

або

, (9)

де .

Метод послідовного наближення можна віднести до класу ітераційних методів і полягає у виконанні послідовності ітерації та кроків ітерацій. Процес розсіювання потоків методом послідовного наближення розглянуто на прикладі. Нехай задана орієнтовна мережа, зображена на рис. 7. В мережу надходять два потоки пакетів інформації: л1,4=2 пакета/с і л3,2=1 пакет/с.

Рис. 7. Приклад мережі до використання методу послідовного наближення

Для наведеного прикладу побудовано дерева шляхів для наявних двох потоків: л1,4 та л3,2 для всіх ітерацій. На третій ітерації не отримано ні одного прийнятого розсіювання, процес оптимізації розподілу потоків на цьому закінчується. Таким чином, отримано розподіл потоків (крок 2 другої ітерації), при якому Тсер 2,2=1,514 с.

Передача пакетів при динамічному управлінні потоків пакетів забезпечується не тільки по прямому шляху, а й по будь-якому з наявних обхідних шляхів в залежності від ситуації на мережі. Імовірність зайнятості ресурсів цього шляху обумовлена імовірністю зайнятості ресурсів пам’яті на ВК, через які проходить цей шлях, і/або імовірністю зайнятості віртуальних каналів. На рис. 8 приведено графіки залежності імовірності Р вибору обхідного шляху від коефіцієнта використання каналів с при наявності двох, трьох і чотирьох допустимих напрямків (шляхів) передачі пакетів.

Рис. 8. Графіки залежності імовірності Р вибору обхідного шляху від коефіцієнта використання каналів с при наявності двох, трьох і чотирьох допустимих

напрямків (шляхів) передачі пакетів

Як видно з рис. 8, імовірність Р вибору одного з N-1 обхідних шляхів є невеликою як при малих значеннях с (навантаження невелике, а тому немає необхідності використовувати не прямий, а обхідний шлях), так і при великих значеннях с. Оскільки обхідний шлях звичайно є більш довгим шляхом, то вибір його для передачі приводить до підвищення загального коефіцієнта використання каналів. Нехай коефіцієнт використання збільшується рівномірно по мережі на б, тоді

Р?с(1+б)(1-[с(1+б)]N-1), (10)

причому ця залежність є доречною при с<1/(1+б). На рис. 9 представлені графіки залежності Р від с при використанні обхідних шляхів з врахуванням, що б=20%.

Рис. 9. Графіки залежності Р від с при використанні обхідних шляхів
з врахуванням, що б=20%

На рис. 10 зображено графіки залежності середнього часу затримки в мережі від використання каналів у випадку статичного (постійних маршрутів) – крива ф1 – і динамічного (динамічної маршрутизації) розподілів пакетів при б=20% і наявності двох (N=2) – крива ф2 – і чотирьох (N=4) – крива ф3 – допустимих шляхів передачі пакетів. Як видно з рис. 10, динамічна маршрутизація ефективна тільки при середньому використанні каналів.

Рис. 10. Графіки залежності середнього часу затримки в мережі від

використання каналів

Таким чином, динамічне управління розподілом потоків інформації найбільш ефективно в умовах тяжінь, що змінюються, і/або можливих пошкоджень на мережі.

ВИСНОВКИ

Сформульовані в дисертаційній роботі наукові положення дають змогу вирішити проблему підвищення ефективності СУ телекомунікаційними мережами з використанням методів теорії ігор та динамічного управління.

В дисертаційній роботі отримано такі теоретичні та науково-практичні результати:

1. Виконано порівняльний аналіз та проведено дослідження методів побудови СУ телекомунікаційними мережами, методи побудови систем, що мають здатність до самопристосування, самонавчання та самоорганізації.

2. Розроблено методику багатокритеріальної оптимізації на базі методів теорії ігор.

3. Запропоновано в якості оптимального алгоритму ігрових СУ використовувати системи з автоматичним пошуком рішень шляхом надання їм властивостей систем з накопиченням досвіду та з використанням способу пошуку оптимальних виборів.

4. Визначено ефективність застосування методів теорії ігор для розпізнавання об’єктів при наявності завад в каналі управляючої інформації. Розв’язок задачі дозволяє обґрунтовано вибрати стратегії системи спостереження та оцінити в кожному випадку її ефективність.

5. Розроблено мінімаксну методику розв’язання задачі виявлення сигналів при нормальних шумах.

6. Дістав подальшого розвитку метод послідовного наближення рішення до оптимального для розподілу потоків інформації. Доведено оптимальність розподілу потоків на мережі з комутацією пакетів, що забезпечує мінімізацію затримки пакету в мережі.

7. Визначено залежність ймовірності вибору обхідного шляху від коефіцієнта використання каналів, а також залежність середнього часу затримки в мережі від використання каналів у випадку статичного (постійних маршрутів) і динамічного (динамічної маршрутизації) розподілів пакетів.

Представлені дослідження та розроблені методики охоплюють новітні технологічні рішення, дозволяють оптимізувати параметри СУ телекомунікаційними мережами, здійснювати більш ефективне та досконале управління і доцільні до впровадження на сучасних комплексах та системах телекомунікацій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Карась О. М. Місце ігрових систем управління в теорії автоматичного управління / О. М. Карась, Д. О. Нацик // Радиотехника. – 2005. – Вып. 142. – С. 88–91.

2. Стеклов В. К. Определение моментов переключения сигнала управления оптимальной по быстродействию системы ФАП с оптимизируемым переходным процессом МКУ / В. К. Стеклов, Л. Н. Беркман, О. Н. Карась // Радиотехника. – 2005. – Вып. 142. – С. 125–128.

3. Стеклов В. К. Синтез оптимальной по быстродействию самонастраивающейся комбинированной системы ФАП / В. К. Стеклов, Л. Н. Беркман, О. Н. Карась // Радиотехника. – 2005. – Вып. 142. – С. 83–87.

4. Стеклов В. К. Ігрові системи автоматичного управління / В. К. Стеклов, Д. О. Нацик, О. М. Карась // Наукові праці Донецького національного технічного університету. – 2005. – Вип. 90. – С. 37–42.

5. Ткаченко О. М. Оптимізація параметрів систем управління телекомунікаційними мережами / О. М. Ткаченко, Д. О. Нацик // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2005. – Т. 3, № 3–4. – С. 71–73.

6. Принципи побудови інтелектуальних систем управління мережами зв’язку / М. Ю. Артеменко, Л. Н. Беркман, Т. І. Олешко, О. М. Ткаченко, Н. В. Коршун // Зв’язок. – 2006. – № 7. – С. 43–46.

7. Беркман Л. Н. Оптимізація систем управління телекомунікаційними мережами на основі алгоритмів теорії ігор / Л. Н. Беркман, О. М. Ткаченко // Нові технології : науковий вісник Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління. – 2006. – № 2 (12). – С. 147–150.

8. Ткаченко О. М. Алгоритми ігрових систем автоматичного управління / О. М. Ткаченко // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. – 2006. – № 1. – С. 82–86.

9. Ткаченко О. М. Застосування методів теорії ігор для розпізнавання двох об’єктів за наявності завад трансформуючого типу в симетричному каналі зв’язку без пам’яті / О. М. Ткаченко // Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники», ч.3. – 2007. – С. 72–73.

10. Ткаченко О. М. Можливість застосування алгоритмів теорії ігор при виборі методу підвищення надійності мережі зв’язку / О. М. Ткаченко // Радиотехника. – 2007. – Вып. 148. – С. 151–154.

11. Нацик Д. О. Ігрові системи автоматичного управління / Д. О. Нацик, О. М. Карась // Світ інформації та телекомунікацій-2005 : ІІ Міжнар. наук.-техн. конф. студентства та молоді, 12-13 травня 2005 р.: тези допов. – К., 2005. – С. 48–49.

12. Ткаченко О. М. Основна задача управління та шляхи її вирішення / О. М. Ткаченко // Світ інформації та телекомунікацій-2006 : ІІІ Міжнар. наук.-техн. конф. студентства та молоді, 26-27 квітня 2006 р. : тези допов. – К., 2006. – С. 63.

13. Беркман Л. Н. Застосування алгоритмів теорії ігор для оптимізації систем управління телекомунікаційними мережами / Л. Н. Беркман, О. М. Ткаченко // Техно-логии цифрового вещания: стратегия внедрения в Украине (DBT-2006) : Междунар. научно-техн. конф., 29-30 июня 2006 г. : тезисы докл. – Одесса, 2006. – С. 180–183.

14. Ткаченко О. М. Використання ігрових методів для аналізу і синтезу систем зв’язку / О. М. Ткаченко // Сучасні інформаційно-комунікаційні технології (СОMINFO-2006) : ІІ Міжнар. наук.-техн. конф., 8-14 жовтня 2006 р. : тези допов. – К., 2006. – С. 34–35.

15. Ткаченко О. М. Ідентифікація параметрів моделі як один з етапів управління складним об’єктом / О. М. Ткаченко // Світ інформації та телекомунікацій-2007 : ІV Міжнар. наук.-техн. конф. студентства та молоді, 12-13 квітня 2007 р. : тези допов. – К., 2007. – С. 61.

16.  Ткаченко О. М. Динамічний розподіл потоків інформації на телекомунікаційних мережах / О. М. Ткаченко // Сучасні інформаційно-комунікаційні технології /СOMINFO’2007/ : ІІІ Міжнар. наук.-техн. конф., 24-28 вересня 2007 р. : тези допов. – К., 2007. – С. 114–116.

АНОТАЦІЯ

Ткаченко О.М. Підвищення ефективності систем управління телекомунікаційними мережами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі. – Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2008.

Дисертація присвячена розв’язанню науково-технічних задач по підвищенню ефективності систем управління телекомунікаційними мережами. Проаналізовано методи побудови систем управління телекомунікаційними мережами, методи побудови систем, що мають здатність до самопристосування, самонавчання та самоорганізації. Сформульовано вимоги до систем управління мережами наступного покоління NGN, розглянуто особливості управління мультисервісними мережами. Розроблено методику багатокритеріальної оптимізації на базі методів теорії ігор. Виконано порівняння алгоритмів ігрових систем управління і запропоновано в якості оптимального алгоритму використовувати системи з автоматичним пошуком рішень шляхом надання їм властивостей систем з накопиченням досвіду та з використанням способу пошуку оптимальних виборів. Доведено ефективність застосування методів теорії ігор для розпізнавання об’єктів при наявності завад в каналі управляючої інформації. Дістав подальшого розвитку метод послідовного наближення рішення до оптимального для розподілу потоків інформації. Доведено оптимальність розподілу потоків на мережі з комутацією пакетів, що забезпечує мінімізацію затримки пакету в мережі. Сформульовано основні підходи до динамічного розподілу ресурсів, що виконується системою динамічного управління потоками: динамічне управління шляхами передачі інформації (адаптивна маршрутизація); динамічне управління обсягом переданої по мережі інформації (обсягом навантаження).

Отримані результати дозволяють здійснити з визначеною вірогідністю оптимізацію параметрів сучасних систем управління телекомунікаційними мережами з використанням алгоритмів теорії ігор, котрі ефективно підвищують показники якості систем управління і доцільні до впровадження.

Ключові слова: система управління, ТMN, NGN, теорія ігор, оптимізація, потоки, затримка, об’єм навантаження.

АННОТАЦИЯ

Ткаченко О.Н. Повышение эффективности систем управления телекоммуникационными сетями. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – телекоммуникационные системы и сети. – Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, Киев, 2008.

Диссертационная работа посвящена решению научно-технических задач по повышению эффективности систем управления (СУ) телекоммуникационными сетями. Проанализированы методы построения СУ телекоммуникационными сетями, методы построения систем, которые имеют способность к самоприспособлению, самообучение и самоорганизации. Сформулированы требования к СУ сетями следующего поколения NGN, рассмотрены особенности управления мультисервисными сетями и установлено, что для упрощения управления мультисервисными сетями целесообразно иметь отдельные подсистемы управления разных областей транспортной сети, передачи данных и речи. Разработана методика многокритериальной оптимизации на базе методов теории игр. Выполнены сравнения алгоритмов игровых CУ и предложено в качестве оптимального алгоритма использовать системы с автоматическим поиском решений путем предоставления им свойств систем с накоплением опыта и с использованием способа поиска оптимальных выборов. Доказано эффективность применения методов теории игр для распознавания объектов при наличии помех в канале управляющей информации. Решение задачи позволяет обоснованно выбрать стратегии системы наблюдения и оценить в каждом случае ее эффективность. Получил дальнейшего развития метод последовательного приближения решения к оптимальному для распределения потоков информации. Доказано оптимальность распределения потоков на сети с коммутацией пакетов, который обеспечивает минимизацию задержки пакета в сети. Определено зависимость вероятности выбора обходного пути от коэффициента использования каналов, а также зависимость среднего времени задержки в сети от использования каналов в случае статического (постоянных маршрутов) и динамического (динамической маршрутизации) распределений пакетов. Сформулировано основные подходы к динамическому распределению ресурсов, которое выполняется системой динамического управления потоками: динамическое управление путями передачи информации (адаптивная маршрутизация); динамическое управление объемом переданной по сети информации (объемом нагрузки).

Полученные результаты разрешают осуществить с заданной достоверностью оптимизацию параметров современных СУ телекоммуникационными сетями с использованием алгоритмов теории игр, которые эффективно повышают показатели качества СУ и целесообразны к внедрению.

Ключевые слова: система управления, ТMN, NGN, теория игр, оптимизация, потоки, задержка, объем нагрузки.

SUMMARY

Tkachenko O. The increase of efficiency of control system by telecommunication networks. – Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in specialty 05.12.02 – Telecommunication systems and networks. – State University of Information and Communication Technologies, Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted the decision of scientific and technical tasks on the increase of efficiency of control system by telecommunication networks. The methods of construction of control system by telecommunication networks are analyzed. It is formulated requirement to control system by the networks of next generation NGN, the features of management multiservice networks are considered. The method of multicriterian optimization is developed on the base of methods of game theory. Comparisons of algorithms of playing control system are executed and it is suggested as an optimum algorithm to use the systems with the automatic search of decisions by a grant by it properties of the systems with the accumulation of experience and with the use of method of search of optimum elections. Efficiency of application of methods of game theory is proved for recognition of objects at presence of hindrances in the channel of control information. Got further development method of progressive approximation of decision to optimum for distributing of streams of information. The optimumness of distributing of streams is proved on a network with commutation of packages, which provides minimization of delay of package in a network. The basic going is formulated near dynamic allocation of resources, which is executed the system of dynamic management streams: dynamic management the ways of information transfer (adaptive routing); dynamic management the volume of the information passed on a network (by the volume of loading).

The received results allow conducting with the greater probability optimization of parameters of modern control systems by telecommunication networks with use of algorithms of the theory of games which effectively raise parameters of quality of control systems and expedient to introduction.

Key words: control system, ТMN, NGN, theory of games, optimization, streams, delay, volume of loading.

____________________________________________

Підписано до друку 14.05.2008 р. Формат 60х90/16.

Ум. друк. арк. 0,9. Обл.-вид. арк. 0,9.

Тираж 100. Зам. 32.

____________________________________________

«Видавництво “Науковий світ”»®

Свідоцтво ДК № 249 від 16.11.2000 р.

м. Київ, вул. Боженка, 17, оф. 504.

200-87-13, 200-87-15, 8-050-525-88-77