Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Зв’ягольська Галина Вікторівна

УДК 621.372

МЕТОДИ УПРАВЛІННЯ СТАНОМ В ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ МЕРЕЖАХ ПРИ НЕСТАЦІОНАРНОМУ ТРАФІКУ

Спеціальність 05.12.02 – Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор

Поповський Володимир Володимирович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

завідувач кафедри “Телекомунікаційні системи” |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Кривуля Геннадій Федорович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри “Автоматизації проектування обчислювальної техніки” |

кандидат технічних наук, доцент

Приходько Сергій Іванович,

Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри “Транспортного зв'язку” |

Захист відбудеться “27“ лютого 2008 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр.Леніна 14.

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

Автореферат розісланий “25” січня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М.Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні телекомунікаційні системи (ТКС) – це складні організаційно-технічні структури, які знаходяться в динамічному нестаціонарному стані, забезпечують рішення завдання обробки трафіку і надають послуги із заданою якістю.

Для стійкого функціонування телекомунікаційних систем, оперативного і якісного надання послуг, забезпечення надійності елементів мереж і відповідних функцій, телекомунікаційні системи виконуються як управляємі системи, що функціонують по різних критеріях оптимальності, число яких може бути досить велике. Для реалізації процесів управління в сучасних системах зв’язку існує розподілена система моніторингу, що забезпечує збір інформації про стан мережних елементів, стан трафіку, рівень надання послуг і стан мережних ресурсів. Ця інформація надходить в центр управління або безпосередньо на пристрої управління для вирішення наступних завдань: перерозподілу ресурсів, реструктуризації мережі, зміни режимів мережних елементів. Для цього існують наступні технології управління, що реалізовуються в протоколах SNMP, TCP, ICMP, а також в концепціях TMN, TINA і ін. Технології управління в ТКС спочатку будувалися як ситуативні і детерміністські, які орієнтовані на стаціонарну обстановку. На сьогодні все більш очевидним стає необхідність переходу від ситуативних методів до оптимальних і від детерміністських до стохастичних, нестаціонарних. Відмічається постійна тенденція до залучення оптимальних методів для вирішення тих або інших завдань управління, прикладом чого є прийнята концепція АММО. Важливими компонентами концепції АММО є оцінка, моніторинг, управління і оптимізація. У цьому зв’язку завдання пошуку нових методів оптимального управління, здатних ефективно функціонувати в нестаціонарних стохастичних ситуаціях, впровадження їх в практику телекомунікаційних технологій є актуальною науковою задачею.

Тому тема дисертаційної роботи присвяченої розробці науково-обґрунтованих пропозицій щодо вдосконалення системи управління мережами і мережними елементами в нестаціонарних умовах на основі стохастичного підходу є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота проводилася відповідно до вимог “Концепції розвитку зв’язку України до 2010 року”, “Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні” і є продовженням та подальшим розвитком наступних науково-дослідних робіт (НДР), в яких здобувач була виконавцем:

НДР №129-1 “Розробка технології побудови активних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу і синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем” (ДР № 0101U005126), яка виконувалася в Харківському національному університеті радіоелектроніки (ХНУРЕ);

НДР “Концепція обробки, аналізу і передачі даних в ІАС НАКУ” (шифр “МОНІТОРІНГ-С”), яка виконувалася в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації.

Мета роботи - розробка методів підвищення ефективності системи управління в ТКС і її стійкості в умовах нестаціонарного трафіку.

Завдання роботи - удосконалення методів управління в телекомунікаційних мережах в умовах нестаціонарності шляхом використання оптимальних методів стохастичного управління. Для досягнення поставленої мети у роботі розв’язані наступні задачі дослідження:

1. Аналіз структури і особливостей функціонування сучасних телекомунікаційних систем.

2. Аналіз методів управління параметрами, станом мережі і мережними елементами в умовах нестаціонарності.

3. Розробка пропозицій по створенню алгоритмів управління в нестаціонарних умовах.

4. Розробка практичних рекомендацій по підвищенню ефективності систем управління в нестаціонарних умовах.

Об’єкт дослідження. Нестаціонарний стан мережних елементів і параметрів трафіку в телекомунікаційних системах.

Предмет дослідження. Системи та методи оптимального стохастичного управління ТКС, стан мережних елементів.

Методи дослідження. У роботі знайшли своє застосування як аналітичні, так і імітаційні методи дослідження. При розробці динамічних моделей телекомунікаційних систем були використані основи теорії систем, марківські процеси, методи змінних стану, стохастичні диференційні рівняння, методи ідентифікації математичних моделей і їх адаптації в умовах апріорної невизначеності. При дослідженні оптимальних методів стохастичного управління були також використані теорія оптимального управління динамічними системами, методи управління динамічними стохастичними системами, теорема про розділення, рекурсивні оптимальні процедури оцінки і управління, що функціонують по критерію мінімуму середнього квадрату відхилення. При синтезі та аналізі оптимальних стохастичних оцінок були використані методи імітаційного моделювання, методи формуючого фільтру, рекурсивні методи оцінки випадкових величин і випадкових процесів, фільтри Калмана-Б’юсі (ФКБ), метод розширення простору оцінюваних параметрів, метод дільнично-стаціонарної апроксимації, непараметричні процедури.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше показано, що в типовій для телекомунікаційних систем нестаціонарній ситуації якість рекурсивної стохастичної оцінки стану мережі і мережних елементів може бути покращена за рахунок збільшення темпу рекурсії обчислювальної процедури або за рахунок модернізації цього алгоритму шляхом використання дільнично-стаціонарної моделі, методу розширення простору оцінюваних параметрів, непараметричних методів та ін. В умовах обробки поточного трафіку рекомендовано використовувати в якості оцінки нестаціонарного стану процедуру локально-стаціонарного фільтру Калмана-Б’юсі.

2. Проаналізовані алгоритми оптимальної стохастичної оцінки стану управляємих мережних елементів в нестаціонарних умовах, вперше визначені межі існування стійких режимів цих алгоритмів, як з використанням аналітичних методів, так і з використанням методів імітаційного моделювання. Запропоновані рекомендації по вибору параметрів алгоритмів оцінювання в нестаціонарних умовах з урахуванням розподіленого характеру мережі.

3. Вперше як метод оптимального управління мережею, мережними елементами і режимами мережних елементів, замість ситуативних детерміністських процедур, рекомендовано використовувати процедури оптимального стохастичного управління, в котрих як аргумент використовується різниця між оцінкою поточного і бажаного стану, що забезпечує необхідний режим функціонування на всьому протязі інтервалу роботи алгоритму.

Практична значимість дисертаційної роботи полягає в тому, що запропоновані в ній математичні моделі і методи управління ТКС рекомендовані і використані при вирішенні важливих прикладних завдань управління мережами і мережними елементами в умовах нестаціонарного стану ТКС. Крім того результати дисертаційної роботи використані при розробці технології побудови транспортних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу і синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем (НДР №129-1); при розробці концепції обробки, аналізу і передачі даних в "ІАС НАКУ" (НДР "МОНІТОРІНГ-С"). Матеріали дисертаційної роботи також використані в учбовому процесі кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ, в звітах по НДР Харківського державного науково-технічного центру з питань технічного захисту інформації. Використання результатів дисертаційної роботи підтверджується трьома актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати дисертаційної роботи отримані самостійно. Крім того спільно із співавторами в роботах [1-4] автором проведено аналіз сигнально-завадових обставин, розроблені алгоритми і рекомендації для їх впровадження. У роботах [5-7, 14-15] авторові належить розробка математичного апарату, аналіз математичних моделей на ЕОМ і формування висновків за підсумками аналізу.

Апробація. Результати дисертації доповідалися на 4-х науково-технічних конференціях міжнародного і республіканського рівнів.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 15 наукових роботах. Серед них 9 статей в наукових журналах і збірниках наукових праць – фахових видань ВАК України, а також 6 матеріалах і тезах доповідей на науково-технічних конференціях та форумах.

Структура і об’єм роботи. Робота складається зі вступу, 6-ти розділів, висновку по роботі і списку використаної літератури. Загальний об’єм дисертації 159 сторінок: 131 стор. основного тексту, 59 рисунків, 96 джерел бібліографічного огляду, викладених на 9 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність наукової задачі, досліджень, проведених у дисертаційній роботі, сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про апробацію на конференціях та публікації результатів дисертаційної роботи.

У першому розділі розглянуто деякі аспекти архітектури телекомунікаційних систем на стадії впровадження мереж нового покоління NGN і вимоги із управління мережними елементами, станом і властивостями мереж в цілому.

Мережі нового покоління NGN відрізняються тим, що вони забезпечують інтеграцію багатьох різнорідних об’єктів до єдиної, управляємої структури. Попередній етап розвитку телекомунікаційних систем відрізнявся тим, що основні методи управління були реалізовані в детерміністському варіанті, а саме, управління носило ситуативний характер. Суто нестаціонарний характер трафіку, а відповідно і стан мережі істотно впливає на якість управління та надання послуг QoS. У нестаціонарних станах зростає кількість збоїв, зависань, “биття маршрутів” та ін. Перехід до оптимальних методів оцінки, моніторингу і управління дозволяє значно поліпшити якість надання послуг. Разом з тим, впровадження цих методів пов’язане з багатьма теоретичними проблемами, а також із завданнями використання цих оптимальних методів.

Для реалізації управління в мережі є датчики, що вимірюють стан і параметри окремих елементів і відповідних структур, інформація з яких по лініях сигналізації передається в центри управління, де і формується саме управління.

Управління в телекомунікаційних мережах реалізується у вигляді ситуативних, оптимальних і підоптимальних процедур. Ситуативна система управління виконує раціональну програму щодо зміни стану або структури об’єкту і може бути реалізована у вигляді ручної, автоматизованої або автоматичної процедури.

В основі ситуативних процедур лежить раціональне рішення людини – особи, яка приймає рішення (ОПР), що заздалегідь закладається в цю процедуру або реалізується в поточному часі. Очевидно, що на те або інше рішення впливає інформація спостереження, , яка може оброблятися автоматично або безпосередньо ОПР на основі досвіду і здорового глузду. Часто ситуативне управління призводить до різноманітних збоїв в системі, зупинкам, зависанням і ін. Крім того, воно орієнтоване на рішення конкретного переліку ситуацій. Більш загальним є управління, орієнтоване на клас ситуацій, а не на їх перелік. Таким чином, формалізація будь-яких видів управління, у тому числі і ситуативного управління можлива у вигляді:

.

В кінці першого розділу ставиться завдання розгляду можливостей використання методів оптимального стохастичного управління і аналізу чинників, які впливають на це управління.

У другому розділі проведено аналіз існуючих систем управління в ТКС і напрямків по їх модернізації. В якості основної орієнтації використовувалася рекомендована ITU система TMN, що впроваджується на даний час в Україні. Проаналізовані і інші сучасні системи типу TINA, Traffic Engeniaring і ін.

У тому або іншому варіанті управління, обов’язковим є отримання інформації про стан мережних елементів, самої мережі і системи в цілому. Саме оптимальне управління здійснюється на підставі того або іншого критерію оптимальності. Найбільш придатним для завдань зв’язку є середньоквадратичний критерій.

де D, Q – дійсні матриці, симетричні і не невід’ємно визначені, матриця R – дійсна, симетрична і позитивно визначена; - фінальне значення часу, коли мета (мінімум ) буде досягнута.

В рамках цього критерію при мінімізації гамільтоніана в здовж оптимальної траєкторії на інтервалі від до управління зводиться до знаходження функції

де – лінійний коефіцієнт.

Застосовуючи теорему про розділення рішень задачу (2) можна вирішити у вигляді послідовності двох процедур: оптимального стохастичного оцінювання і детермінованого управління.

На рис. 1 зображена узагальнена структурна схема системи управління.

Рис.1. Структурна схема системи управління за наслідками оцінки

Тому основними труднощами при реалізації оптимального управління є методи оцінювання.

У третьому розділі розглядаються процедури оцінювання стану мережних елементів. Для цього рекомендовано використовувати процедури лінійної рекурсивної оцінки, зокрема ФКБ. Рівняння оцінки по ФКБ

, | (3) | де - коефіцієнт, що забезпечує оптимальність оцінки і швидкості збіжності процедури, який включає - коефіцієнт стану і - масштабуючий коефіцієнт, - спостережуваний процес.

Апостеріорна дисперсія у сталому стані проаналізована як теоретично, так і з використанням імітаційної моделі. Це дозволяє зробити висновок про те, що граничне значення відносної апостеріорної дисперсії оцінки асимптотично прагне до нуля із збільшенням співвідношення сигнал/шум. Практичні ж результати досліджень ФКБ дещо відрізняються від теоретичних. Ці відмінності носять кількісний і якісний характер.

Дослідження впливу відхилень параметрів дискретного ФКБ від вибраної моделі (чутливість ФКБ) проведені на макеті, що включає модель спостереження, модель оцінки і модель обробки. Структурна схема машинного експерименту представлена на рис.2.

Рис.2. Структурна схема машинного експерименту

Дана схема машинного експерименту дозволяє вибирати ті або інші параметри моделі оцінюваного процесу і моделі шуму спостереження як в стаціонарному стані, так і в нестаціонарному. Окремі генератори шумів та є стандартними процедурами формування з вибором відповідних значень спектральної щільності потужностей і . Коректність вибраних параметрів моделей контролюється шляхом отримання вибіркових оцінок цих параметрів. Матриця спостереження для стаціонарного випадку була вибрана за умови .

Рівняння оцінки приймає вигляд:

. | (4) | Отримувані на виході фільтру оцінки сигналу на тлі шуму спостереження порівнюються з тими значеннями , які сформовані в моделі сигналу, що має місце на виході ?2. Помилка оцінки використовується далі для отримання вибіркової оцінки апостеріорної дисперсії.

. | (5) | В результаті машинного моделювання отримані різноманітні результати аналізу ФКБ при стаціонарних і нестаціонарних станах. На рис.3, представлені типові залежності: а) спостережуваного процесу ;
б) розрахункове значення апостеріорної дисперсії помилки оцінки при .

Рис.3. Ілюстрація результатів аналізу ФКБ

Аналіз показав, що характер збіжності при одних і тих же параметрах моделі залежить від вибраних параметрів рекурсивної процедури і від величини кроку дискретизації . В кращому випадку збіжність фільтру наступає вже на 4-10 кроках дискретизації.

На рис. 4 представлені узагальнені графіки, що дозволяють проаналізувати особливості збіжності від вибору двох основних параметрів ФКБ і значення .

Рис.4. Графік часу збіжності оптимального фільтру в залежності від вибраного параметру при різному співвідношенні величини кроку дискретизації до інтервалу кореляції

Таким чином з аналізу якості оцінки стаціонарного стану можна зробити висновок про те, що ФКБ є досить чутливим до вибору реалізаційних параметрів, що накладають додаткові якісні і кількісні обмеження, які необхідно враховувати в реальних умовах організації моніторингу і оптимального управління.

У четвертому розділі проводиться дослідження чутливості ФКБ до відхилень параметрів вибраної моделі. Методом аналітичного дослідження показано, що неспівпадання параметрів вибраної моделі і параметрів фільтру можуть привести до значних втрат якості обробки або до втрати стійкості процедури обробки.

Ефективність фільтру в нестаціонарних умовах була проаналізована також на модернізованій моделі спостереження. У рівняння спостереження була введена адитивна добавка, що відображає зміну рівня і швидкості зміни цих нестаціонарностей. Враховуючи те, що зміни трафіку є результатом множинних дій на навантаження мережі, як основна, була вибрана модель синусоїдальної нестаціонарності

, | (6) | де - множник, який змінює період нестаціонарних дій, С - змінює амплітуду нестаціонарності, - відношення інтервалів між кроками дискретизації до інтервалу кореляції .

Розглянута ситуація для різних випадків періодів нестаціонарних змін. Коли ці зміни процес стають сумірними з часом встановлення процесу =5, при більш повільнішій зміні нестаціонарності і . Суть впливу нестаціонарної компоненти при швидкій зміні полягає в тому, що сталий процес оцінки не встигає наступати. Таким чином фільтр працює постійно, ніби в перехідному режимі.

При більш повільній зміні вибіркові значення апостеріорних дисперсій вже мало відрізняються від результатів дії звичайного стаціонарного процесу. Таким чином при плавних змінах стаціонарної компоненти спостережуваного процесу достатньої точності оцінки можна добитися за рахунок скорочення кроку дискретизації.

Розглянуті також впливи процесів із стрибкоподібною нестаціонарною зміною параметрів. Для цього в рівнянні (6) , а значення змін будуть меандром з періодом 100 кроків дискретизації з різними значеннями амплітуди .

На рис.5 та рис.6 представлені вибіркові значення оцінок апостеріорних дисперсій для кроку дискретизації і значення відповідно . Обчислення вибіркової дисперсії проходило методом усереднювання по десяти незалежних реалізаціях .

З графіків видно, що нестаціонарність у вигляді імпульсного перепаду призводить до різкого збільшення значень апостеріорної дисперсії. Це значення перевищує в 50 і більше разів стаціонарний стан. Перехідний процес, що утворюється в наслідок появи нестаціонарного імпульсу, продовжується 100-150 кроків. Таке зростання значень апостеріорної дисперсії призводить до відповідних похибок в управлінні. Характерним є те, що при зникненні нестаціонарного імпульсу реакція фільтру менш значуща, ніж при його появі. Таким чином скорочення кроку дискретизації дозволяє відстежувати нестаціонарні зміни, що є важливим чинником, який забезпечує стійке функціонування алгоритмів оцінки і управління.

У п’ятому розділі розглянуті процедури, що забезпечують оцінку в нестаціонарній ситуації. Розглянуто декілька методів, серед яких: метод розширення простору оцінюваних параметрів, використання метода дільнично-стаціонарної апроксимації, а також непараметричні моделі з використанням моделі нестаціонарного тренду.

Метод розширення простору оцінюваних параметрів є достатньо конструктивним в тому випадку, коли число невідомих оцінюваних параметрів обмежене і складає 1-2. Пряме рішення полягає в тому, що в значення оцінюваного процесу х(t) включається невідомий параметр .

З використанням процедури ФКБ оцінка стану набуває вигляду:

Практична реалізація розглянутих моделей і процедур достатньо складна. Відома інша простіша процедура, заснована на використанні методу дільнично-стаціонарної апроксимації.

Розглянуто декілька можливих випадків зміни нестаціонарного стану. Так нестаціонарний стан може наступати за рахунок відносно плавних змін, що відповідають параметрам сигналів та завад, або ж він може змінюватися стрибком. Стрибкоподібні зміни можуть наступати через наявність технічних несправностей, зміни режимів мережних елементів або параметрів трафіку. Разом з тим і при плавних змінах параметрів моделі можна виділити або близькі до стаціонарного, коли параметри змінюються в межах 20-30% від розрахункових.

Загальне рівняння оцінки для дільнично-стаціонарної ситуації представимо у вигляді процедури Калмана- Б’юсі

де - коефіцієнт посилення перед нев’язкою, представленою в квадратних дужках; - адитивна добавка, яка може бути обумовлена настанням початку нестаціонарності , зміною рівня нев’язки та ін. Матриця , так само як і , може носити регламентуючий характер, а описує настання нестаціонарності.

В умовах поганої параметризації нестаціонарного завдання, яке виникає, наприклад, при великій дисперсії нестаціонарних змін, достатньо конструктивною може бути непараметрична процедура, що є самостійним інтересом.

Розглянемо ситуацію, коли нестаціонарність по спостереженню визначається рівнянням

де - адитивна добавка, яка може бути обумовлена зміною рівня еталонного сигналу, параметрів приймальних трактів, параметрів алгоритму оцінки. При цьому процес змін представимо у вигляді:

де C(k) – невідома функція, що описує тренд процесу; п(k) - випадкова послідовність некорельованих відліків із спектральною щільністю N.

Прогноз значення тренду на один крок вперед має вигляд: . Точність оцінки тренду визначається дисперсією:. Вираз (10) можна представити в наступному вигляді:

де - відносна дисперсія помилок оцінки, залежна від ступеня апроксимуючого полінома (Q-1) і довжини тимчасового ряду відліків.

Застосування того або іншого методу рішення оцінки нестаціонарного стану багато в чому залежить від апріорних даних про статистичну структуру цього стану. Так за наявності даних про те, що стан системи може змінюватися стрибкоподібно, доцільно використовувати метод ідентифікації випадкових параметрів. При достатньо повільних змінах стаціонарності стану може бути реалізований метод дільнично-стаціонарної апроксимації. При значному рівні апріорної невизначеності слід використовувати метод розширення простору оцінюваних параметрів, або ж переходити на непараметричні процедури, які не пов’язані з необхідністю наявності апріорної інформації.

У шостому розділі розглядається завдання управління перевантаженням.

Рівняння стану управляємої моделі представляється у вигляді:

де , – коефіцієнти, відповідно: генерації та управління, – само управління.

В процесі виконання завдань управління необхідно прагнути до того, щоб система мала стан

Таким чином закон управління можна представити у вигляді:

Критерій ефективності, що забезпечує мінімум поточних помилок управління прийме вигляд:

- матриця стану, що визначає внутрішні зв’язки координат процесів (12) (13); - матриця ефективності r-мірного (r < п) сигналу управління ; - матриця зв’язку т - мірного (т < 2n) вектора вимірювань з узагальненим вектором стану ; і - вектори шумів стану і вимірювань; Q - ненегативно певна матриця; - позитивно певна матриця сигналів управління.

Необхідно для моделей (12) - (13) сформувати сигнал управління, що є функцією відносних помилок управління .

Слід зазначити, що при отриманні алгоритму (14) на матриці Q і окрім виду їх визначеності не накладалося ніяких обмежень. Це дає можливість представити функціонал (15) у вигляді:

Розглянуто важливі рішення із модернізації управління. Для прикладу реалізації рекурсивного оптимального управління розглянута процедура управління перевантаженням в протоколі TCP. В якості управляючої змінної вибрана різниця між оцінкою поточного стану і необхідного стану . Дане управління задовольняє середньоквадратичному критерію, яке узгоджене з критерієм оптимальної стохастичної оцінки.

Розглянута схема управління може бути застосована при управлінні мережею, параметрами мережі, мережними елементами, структурою і функцією мережі. Вона є більш загальною в порівнянні з основними використовуваними методами управління в мережі, оскільки орієнтована не на конкретний перелік ситуації, а на клас цих ситуацій.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, що полягає в удосконаленні методів управління в телекомунікаційних мережах в умовах нестаціонарності шляхом використання оптимальних методів стохастичного управління і пропозицій по реалізації цих методів, з урахуванням типової для телекомунікаційних мереж статистики, особливостей технології і розподілу мережних елементів. При цьому отримані такі наукові та практичні результати:

1. Проведений аналіз методів і алгоритмів управління в телекомунікаційних мережах показує, що ці завдання в більшості виконуються як детерміністські, в яких передбачена можливість реакції на конкретний обмежений перелік ситуацій. Вихід за цей перелік призводить до збоїв мережі, виникнення різноманітних колізій і необхідності перезапуску (RST). Альтернативою цьому детерміністському підходу може бути стохастичний підхід, в якому сигнальна інформація, що надходить, є випадковим і нестаціонарним процесом оптимально обробляється, а саме управління може залишатися детермінованим. Така модернізація не потребує складних принципових змін в структурі мережі. У концепції її функціонування буде потрібна лише додаткова статистична обробка сигнальної інформації, що поступає, і сполучення завдань оптимальної оцінки з наявними процедурами управління.

2. Як основна процедура управління в телекомунікаційних мережах вибрана рекурсивна процедура оптимального стохастичного управління, яка для характерного критерію ефективності – середнього квадрата відхилення, реалізується у вигляді двох незалежних процедур: оптимальної стохастичної оцінки стану об’єкту управління і детермінованого алгоритму управління, що функціонує за отриманими оцінками. Це дало можливість провести незалежні дослідження процедур оцінки і процедур управління станом. Як процедура оцінки, так і саме управління через специфіку функціонування мережі повинно виконуватися у вигляді динамічної рекурсивної процедури, крок рекурсії якої визначається масштабом мережі, величиною затримок в цій мережі і інтервалами кореляції оцінюваних процесів.

3. Для дослідження ефективності задач, що вирішуються в роботі, розроблено достатньо універсальний макет машинного експерименту, що дозволяє генерувати і досліджувати різні випадкові, типові для стану телекомунікаційної мережі, процеси, які отримані в результаті функціонування процедур формування, оцінки і інших перетворень. Макет дозволяє коректувати режими генерації і обробки, задаючи ті або інші параметри процесів, аналізувати чутливість процедур оцінки до відхилення параметрів моделі і досліджувати ефективність фільтру в умовах стаціонарних і різноманітних нестаціонарних дій. Розроблена модель і макет машинного експерименту передбачають можливість ідентифікації процесів, які генеруються, що дає можливість визначити, наскільки вибрана модель відповідає заданим параметрам, чи відображають вибрані параметри характеру випробовуваних процесів, і процесів, що відбуваються у ФКБ.

4. Проведено аналіз ефективності стаціонарного режиму ФКБ у разі узгодження його параметрів з параметрами вибраної моделі. В результаті аналізу виявлено, що фільтр в певному діапазоні параметрів володіє стійкістю і якість його оцінки залежить як від величини кроку дискретизації, так і від інших параметрів сигналів і завад. У той же час має місце нестійкий режим роботи, який виникає із збільшенням співвідношення, сигнал/шум, який є типовим недоліком даного фільтру. Для усунення цього багатьма авторами пропонується штучно “зашумляти”, процес, який спостерігається для збереження його стійкості. Іншою, на наш погляд, конструктивнішою процедурою, що забезпечує стійкість фільтру, може бути його регуляризація або штучне заниження реального співвідношення сигнал/шум.

5. Співставлення розрахункових значень апостеріорної дисперсії помилки оцінки, яка отримана аналітично для стаціонарного режиму з результатами, отриманими експериментально, за вибірковими оцінками при використанні розробленої моделі машинного експерименту, показує, що в цілому результати співпадають: із збільшенням показника сигнал/шум якість оцінки зростає (зменшується апостеріорна дисперсія). Ця якість також зростає із збільшенням числа кроків дискретизації на інтервалі кореляції. Разом з тим є якісні і кількісні відмінності:

- розрахункові значення перевищують теоретично отримані на 15-20%, що пояснюється неідеальністю вибраних моделей;

- наголошується поява нестійкого режиму фільтру при великих кроках дискретизації і при виборі завищених параметрів фільтру, що характеризують відношення сигнал/шум.

6. Визначені межі стійких режимів, які залежать від співвідношення сигнал/шум і від величини кроку дискретизації. При скороченні кроку дискретизації вірогідність стійкого режиму зростає. Фільтр, в умовах стійкості, володіє високою швидкістю збіжності, яка складає 4-10 кроків дискретизації і практично не залежить від числа кроків на інтервалі кореляції.

7. Значення апостеріорної дисперсії помилки оцінки ФКБ в сталому стані залежить як від частоти дискретизації на інтервалі кореляції, так і від значення рівня оцінюваного процесу. При більшій частоті, наприклад 1000 кроків, в сталому стані відносне значення апостеріорної дисперсії складає величину, меншу 0,2. При переході до рідкісніших кроків, наприклад , це значення вже зростає до 0,5.

8. Аналіз впливу нестаціонарних дій показав, що за наявності нестаціонарних компонент якість оцінки знижується, зростає апостеріорна дисперсія помилки оцінки, на це збільшення впливає рівень і швидкість зміни цих нестаціонарних дій. Досягти зменшення помилок оцінки можна за рахунок збільшення продуктивності процедури, тобто за рахунок зменшення кроку дискретизації. Зменшуючи крок дискретизації, можна досягти, практично, такої ж точності, як і в стаціонарному випадку.

9. Найбільш прийнятним на практиці є метод дільнично-стаціонарної апроксимації, який зводиться до того, що паралельно з оцінкою сигналу здійснюється виявлення моментів переходу на черговий інтервал локальної стаціонарності. Синтезовано алгоритми виявлення моментів переходу і показано, що для практичної реалізації поріг переходу на черговий інтервал локальної стаціонарності може складати величину зміни середніх параметрів оцінюваного процесу в 2-3 рази. Розмірність такого завдання обмежується наявністю знаходження моменту переходу на черговий інтервал локальної стаціонарності. При використанні моделі дільнично-стаціонарної апроксимації незначні збільшення помилок оцінки наголошуються лише у момент переходу на черговий інтервал локальної стаціонарності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Поповский В.В., Звягольская Г.В., Абдельхамид Зугбор. Методы реструктуризации телекоммуникационных сетей // Праці Українського науково-дослідного інститут радіо і телебачення. – 2004. – №4 (40). – С. 3-6.

2. Абдельхамид Зугбор, Звягольская Г.В., Селевко С.Н. Разработка математической модели состояния нестационарной телекоммуникационной системы // Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2005. – Вып.141. – С. 1-3.

3. Звягольская Г. В., Селевко С. Н. Оценка состояния нестационарной телекоммуникационной системы. // Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2005. – Вып.141. – С. 9-18.

4. Абдельхамид Зугбор, Звягольская Г.В., Селевко С.Н. Методы адаптации и управления в задачах профилирования трафика // Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2004. – Вып.138. – С. 130-133.

5. Поповский В.В., Олейник В.Ф., Звягольская Г.В. Управление в телекоммуникационных сетях и правила системной политики // Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2006. – Вып.144. – С. 5-9.

6. Поповский В.В., Звягольская Г.В. Методы оценки нестационарного состояния телекоммуникационных систем // Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2007. – Вып.147. – С. 5-9.

7. Звягольская Г.В., Поповская Е.В. Анализ чувствительности фильтра Калмана-Бьюси к отклонению параметров выбранной модели.// Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2007. – Вып.148. – С. 112-117.

8. Звягольская Г.В. Методы учета нестационарности трафика и корректировки маршрутных таблиц // 2-й Международный радиоэлектронный Форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” МРФ–2005.сб. Науч. Трудов. Часть 1. – Харьков: АН ПРЭ. ХНУРЭ, 2005. – С. 43-46.

9. Звягольская Г.В. Разработка математической модели обнаружения нестационарных состояний ТКС // 9-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”. Сб. научных трудов. – Харьков: ХНУРЭ, 2005. – С. 75.

10. Звягольская Г.В. Модель состояния нестационарной ТКС // 10-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”: Сб. научных трудов. – Харьков: ХНУРЭ, 2006. – С. 86.

11. Звягольская Г.В. Профилирование трафика в сетях нового поколения // Труды 1-й Международной конференции “Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития”. – Харьков-Туапсе: ХНУРЭ, 2006. – С.352-353.

12. Звягольская Г.В. Исследование чувствительности процедуры к отклонению параметров модели // 2-й Международный радиоэлектронный Форум “Современные информационные системы. Проблемы и тенденции развития”. – Харьков-Туапсе: ХНУРЭ, 2007. – С.137-138.

13. Звягольская Г.В. Оценка параметров нестационарного сигнала с использованием метода расширения пространства состояний // 1-ша науково-технічна конференція “Проблеми телекомунікацій”. – Київ, НТУУ “КПІ”, 2007. – С.105-106.

14. Поповский В.В., Звягольская Г.В. Анализ качества оптимальных процедур управления сетевыми элементами и сетями в нестационарных условиях // Радиотехника: Всеукр. межведом. научн-техн. сб. – 2007. – Вып.151. – С. 6-15.

15. G. V. Zvyagolska, S. N. Selevko, A. Zugbоr State evaluation of Non-Stationary telecommunication system // Telecommunication and radio engineering. – Volume 66. – 2007 – Issue 3. – P. 209-222.

АНОТАЦІЯ

Зв’ягольської Г.В. Методи управління станом в телекомунікаційних мережах при нестаціонарному трафіку. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.02 - телекомунікаційні системи і мережі. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Дана дисертація присвячена розробці пропозицій по вдосконаленню системи управління мережами і мережними елементами на основі стохастичного підходу.

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, що полягає в удосконаленні методів управління в телекомунікаційних мережах в умовах нестаціонарності шляхом використання оптимальних методів стохастичного управління і пропозицій по реалізації цих методів, з урахуванням типової для телекомунікаційних мереж статистики, особливостей технології і розподілу мережних елементів.

Проведено аналіз систем управління в телекомунікаційних мережах і показано, що основні існуючі методи управління в цих мережах реалізовано у вигляді ситуативного управління станом тих або інших мережних елементів, режимів і мереж в цілому. У більшості цих задач управління прийнято підхід детерміністський, який не дозволяє повністю реалізувати наявний потенціал і ресурси мережі, які націлені на рішення лише конкретного переліку мережних ситуацій. У роботі запропоновано більш загальний стохастичний підхід, орієнтований не на конкретний перелік, а на цілий клас задач управління. Цей підхід окрім його оптимальності і великої спільності забезпечує стійке функціонування за рахунок адаптації до навантаження, що випадково змінюється на нестаціонарній стан мережі і мережних елементів.

Розглянута схема управління, яка може бути застосовна при управлінні мережею, параметрами мережі, мережними елементами, структурою і функцією. Вона є більш загальною в порівнянні з основними використовуваними методами управління в мережі, оскільки орієнтована не на конкретний перелік ситуації, а на клас цих ситуацій.

Ключові слова: телекомунікаційна система, моделювання, нестаціонарність, ситуативне управління, детерміністське управління.

АННОТАЦИЯ

Звягольской Г.В. Методы управления состоянием в телекоммуникационных сетях при нестационарном трафике. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 – телекоммуникационные системы и сети. Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

Данная диссертация посвящена разработке предложений по совершенствованию системы управления сетями и сетевыми элементами на основе стохастического подхода.

В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача, состоящая в усовершенствовании методов управления в телекоммуникационных сетях в условиях нестационарности путем использования оптимальных методов стохастического управления и предложений по реализации этих методов с учетом типовой для телекоммуникационных сетей статистики, особенностей технологии и распределенности сетевых элементов.

Реальные условия функционирования сети отличаются явной нестационарностью, в результате того, что реальный трафик в телекоммуникационных сетях является нестационарным и эта нестационарность имеет как случайный, так и сезонный характер. Нестационарные воздействия можно интерпретировать как отклонения параметров выбранной модели оцениваемого процесса от параметров фильтра. Эти отклонения могут носить постоянный или случайный характер. При этих отклонениях эффективность и качество полученных оценок снижается.

Проведен анализ систем управления в телекоммуникационных сетях и показано, что основные существующие методы управления в этих сетях реализованы в виде ситуационного управления состоянием тех или иных сетевых элементов, режимов и сетей вцелом. В большинстве этих задач управления принят детерминистский подход, который не позволяет полностью реализовать имеющийся потенциал и ресурсы сети, и нацелен на решение лишь конкретного перечня сетевых ситуаций. В работе предложен более общий стохастический подход, ориентированный не на конкретный перечень, а на целый класс задач. Этот подход кроме его оптимальности и большой общности, обеспечивает устойчивое функционирование за счет адаптации к случайно изменяющейся, нестационарной нагрузке и состоянию сети и сетевых элементов.

Анализ методов и алгоритмов управления в телекоммуникационных сетях показывает, что эти задачи в большинстве выполняются как детерминистские, в которых предусмотрена возможность реакции на конкретный ограниченный перечень ситуаций. Выход за этот перечень приводит к сбоям сети, возникновению различных коллизий и необходимости перезапуска (RST). Альтернативой этому детерминистскому подходу может быть стохастический подход, в котором поступающая сигнальная информация, являющаяся случайным и нестационарным процессом оптимально обрабатывается, а само управление может оставаться детерминированным. Такая модернизация не потребует сложных принципиальных изменений в структуре сети. В концепции ее функционирования потребуется лишь дополнительная статистическая обработка поступающей сигнальной информации и сопряжения задач оптимальной оценки с имеющимися процедурами управления.

В качестве примера реализации рекурсивного оптимального управления рассмотрена процедура управления перегрузкой в TCP. В качестве управляющей переменной выбрана разница между оценкой текущего состояния и требуемого состояния . Данное управление удовлетворяет среднеквадратическому критерию, согласованному с критерием оптимальной стохастической оценки.

Рассмотренная схема управления может быть применима при управлении: сетью, параметрами сети, сетевыми элементами, структурой и функцией. Она является более общей по сравнению с основными используемыми методами управления в сети, поскольку ориентирована не на конкретный перечень ситуации, а на класс этих ситуаций.

Ключевые слова: телекоммуникационная система, моделирование, нестационарность, ситуационное управление, детерминистское управление.

АBSTRACT

Zvyagolskay G.V. Methods management of a state in telecommunication networks in case unstationary traffic. - Manuscript. Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on a speciality 05.12.02 telecommunication systems and networks. Kharkov national university of radio electronics, Kharkov, 2008.

This dissertation is devoted to a propositions development for perfection of the networks and network elements control system using a stochastic approach.

The actual scientifically-applied task consisting in improvement of management methods in telecommunications networks in the conditions of unstationaryness by the use of optimum methods of stochastic management and suggestions on realization of these methods taking into account statistics a model for telecommunications networks is completed in dissertation work, technology properties and distributed networks elements.

The analysis of the control systems is conducted in telecommunication networks and it was shown that the basic existent methods of management in these networks are realized as the situation management by the state of one or another network elements, modes and networks as a whole. In most these tasks of management the accepted determinist approach which does not allow fully to realize present potential and resources of network, and aimed on the decision of only concrete list of network situations. In work more general stochastic approach proposed, oriented not to the concrete list, out on the whole class management of tasks. This approach except for his optimum and large community provides the steady functioning due to adaptation to the by chance changing, unstationary loading and state of network and network elements.

The proposed management a chem. can be applicable at the management: by a network, parameters of network, network elements, structure and function. It is more general as compared to the basic methods of management in a network, as oriented not to the concrete list of situation, but on the class of these situations.

Keywords: telecommunication system, design, unstationary, situation management, determinist management.

Підп. до друку 20.09.07 .Формат 60х841/16. Спосіб друку – ризографія.

Умов. друк. арк. 1,2. Ціна договірна. Тираж 100 прим.

Зам. № 2-45 .

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14 |

Віддруковано в навчально-науковому
видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ
Харків, просп.Леніна,