Національний технічнИЙ університет України "Київський політехнічний інститут"

РОМАНОВ Олександр Іванович

УДК 621.391

Управління потоками мовних повідомлень на мережах зв'язку спеціального призначення

Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи

і управління ними

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 1999

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут"

Науковий консультант - член-кореспондент Національної Академії Наук України, доктор технічних наук, професор ІЛЬЧЕНКО Михайло Юхимович, проректор НТУУ "КПІ".

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук БАРАНОВ Володимир Леонідович, Науково - дослідний інститут "Квант–Навігація", провідний науковий співробітник;

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор ЛУЧУК Андрій Михайлович, Институт космических исследований, провідний науковий співробітник;

доктор технічних наук, професор ПЕЧУРІН Микола Капітонович, Міністерство освіти України, заступник начальника Головного управління науки.

Провідна установа - Український науково - дослідний інститут зв’язку.

Захист відбудеться “14” квітня 1999 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 у Національному технічному університеті України "КПІ" за адресою: 252056, Київ-56, пр. Перемоги 37, корпус 1, аудиторія 244 .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий "11" березня 1999 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Уривський Л.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Специфіка функціонування мереж зв'язку взагалі і мереж зв'язку спеціального призначення в особливості така, що із-за стохастичного впливу на їхні елементи численних різнорідних чинників у вигляді технічних відмов, поразок або перевантажень, природним явищем можна вважати відхилення в випадкові проміжки часу їхніх параметрів від нормованих значень, що приводяться до зниження якості обслуговування абонентів нижче необхідних норм. В зв'язку з цим забезпечення ефективного управління мережами зв'язку з метою забезпечення оптимального режиму їхнього функціонування є важливою і актуальною задачею, що виникає при створенні нових перспективних і модернізації мереж зв'язку, що знаходяться в експлуатації. Визначення основних закономірностей функціонування системи управління, яку створено для цього, виявлення найбільш тривких взаємозв'язків між її елементами та розробка оптимальних і субоптимальних рішень по організаційно - технічній і алгоритмічній побудові таких систем на базі різноманітних математичних засобів покладено в основу нинішньої роботи.

Актуальність теми. Однім з найважливіших показників, що відбивають рівень науково-технічного і соціального прогресу будь-якої країни, є ступінь розвитку її системи зв'язку. Тому питанням вдосконалення мереж зв'язку, підвищенню ефективності їхнього функціонування приділяється постійна і непослабна увага. Це відноситься як до мереж загального користування, так і до мереж зв'язку різноманітних відомств.

Поряд з загальними закономірностями побудови і функціонування мереж зв'язку будь-якого типу, відомчі мережі зв'язку можуть істотно відрізнятися від мереж загального користування. Це зумовлює виділення відомчих мереж в особливий клас – мереж зв'язку спеціального призначення (МЗСП).

Аналіз умов застосування МЗСП показує, що без ефективного управління забезпечити нормальний режим їхнього функціонування достатньо складно, а часто і неможливо. Це зв'язане з тим, що структура МЗСП схильна до частих і різким змінам внаслідок періодичного розгортання і коагулювання їхніх елементів при виконанні задач забезпечення зв'язку, виходу з ладу елементів мереж, переміщень органів управління і окремих абонентів, погіршення якості каналів зв'язку та ін. Тому для забезпечення нормального режиму функціонування мереж зв'язку спеціального призначення за ними, а також за їхніми елементами, повинен бути забезпечений постійний контроль і передбачений комплекс заходів щодо підтримання основних показників в межах заданих значень.

Для забезпечення режиму нормального функціонування мереж зв'язку створюються дві системи: система управління встановленням сполучень (СУВС) і система управління мережею зв'язку (СУМЗ).

Слід відзначити, що питання функціонування СУВС в процесі рішення задач управління, як правило, виключаються з розгляду, хоча, як буде показане нижче, дана система може виявити істотний вплив на процес управління на мережах зв'язку.

Питанням побудови і функціонування СУМЗ на різноманітного роду мережах зв'язку присвячене значне число робіт вітчизняних і зарубіжних авторів. Однак в них засоби, що пропонуються, не в повній мірі відповідають специфіці функціонування МЗСП, а частина проблем доки ще не знайшли свого рішення.

На даний час виділяють два вигляду СУМЗ: статичні і динамічні. Однієї з основних задач статичних СУМЗ є проектування мереж зв'язку, що створюются, з заданими показниками основних характеристик їхнього функціонування. Для мереж з комутациєю каналів існує ряд методик, що дозволять вирішувати дану задачу. Однак, в них використовується допущення про те, що план розподілу навантаження (ПРН) задається в вхідних даних. Реально це не так. ПРН виявляє істотний вплив на ефективність використання обладнання мережі зв'язку. Тому дане допущення може призвести до зниження точності отриманих результатів.

Динамічні СУМЗ забезпечують рішення задач управління у відповідності з реальною обстановкою на мережі зв'язку. Складність математичного опису процесу функціонування мережі зв'язку створює певні труднощі в отриманні ефективних рішень усіх задач управління мережами зв'язку. Тому на даний час при достатньо глибокої теоретичної проробці таких питань, як визначення сукупності шляхів передачі інформації в напрямках зв'язку, оперативного коригування плану розподілу навантаження у випадку структурних змін в мережі, відсутні рішення, що прийняті для практики, таких важливих проблем, як виявлення джерел виникнення дестабілізуючої ситуації і визначення засобів доведення характеристик мережі до необхідних норм.

Необхідно відзначити, і це в першу чергу стосується МЗСП, що з всіх видів зв'язку, що забезпечують обмін інформацією між споживачами, найбільший обсяг передається за допомогою телефонного зв'язку. По існуючим оцінкам на даний час, наприклад, в комутуємих мережах військового зв'язку з допомогою телефонного зв'язку передається близько 90-95% від всього обсягу повідомлень. В перспективі, по мірі розвитку інфраструктури зв'язку, відсоток телефонних повідомлень в загальному обсязі понизиться, але, як показує зарубіжний досвід, він і в найближчій перспективі (за винятком окремих специфічних випадків) буде складати не менше 60%.

Незважючи на появу в останній час ряду нових технологій в зв'язку, таких як SDH, Frame relay, ATM, остаточний вибір засобу комутації для передачі промови так і не зроблений. На сьогоднішній день найбільш розповсюдженим засобом оперативної комутації мовних повідомлень є засіб комутації каналів і його різновиди. А він найменш ефективний з точки зору потреб в каналах зв'язку, що приходяться на одне встановлене сполучення.

Одним з перспективних засобів передачі і розподілу мовних повідомлень в цифрових мережах зв'язку, що реалізують принципи статистичного ущільнення, є комутація пакетів (КП). Основними перевагами даного засобу комутації є те, що він дозволяє досягнути високої якості телефонного зв'язку і ефективного використання ресурсу цифрових мереж. Крім того, реалізація пакетної передачі дозволяє здійснювати спільну передачу промови і даних на базі єдиного засобу комутації – комутації пакетів. А цей чинник дуже важливий при створенні інтегральних мереж зв'язку.

На даний час засіб КП отримав широке застосування в мережах передачі даних (СПД). На підставі проведення глибоких наукових і експериментальних досліджень вироблені конкретні рекомендації щодо побудови та протоколів функціонування мереж передачі даних (СПД) з КП. В тей же час, дослідження можливостей застосування засобу КП на мережах зв'язку для передачі мови ще не завершені. Найбільш глибоко вивчені питання, які пов'язані з експериментально – фізичними дослідженнями, націленими на визначення вимог до показників якості передачі промови, основними з яких є допустимі значення величин затримки і втрат мовних пакетів абонентів.

Недостатньо глибоко досліджені мережеві питання, які в основному обмежуються розглядом процесів в одному комутаційному центрі або на гілці, що з'єднує суміжні комутаційні центри мережі з комутацією пакетів. При цьому оцінка якості функціонування мережі ведеться по показникам якості передачі промови. А це лише одна сторона питання. Необхідна оцінка якості обслуговування абонентів, що визначається імовірністю відмови в встановленні сполучення. Природно тут повинно враховуватися і якість передачі промови. Для рішення такого класу задач необхідно провести розробку математичних моделей, що дозволять врахувати взаємозв'язки процесів транспортного і мережевого рівнів, а також структурні параметри і параметри навантаження мережі зв'язку.

Рішення поставлених вище питань дозволить розвинути теорію управління мережами зв'язку і підвищити ефективність їхнього функціонування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках планових НДР і ДКР, що проводилися: НТУУ "КПІ" – "Основа"; в/ч А-0375 - 'Пролог-С", "Утес", "Интервидение - ПР", "Интервидение", 'Интеграл–2К", 'Интеграл–ТЗО", 'Прогноз–1", 'Цокот–Кц", "Легенда", "Мимоза", "Каскад", "Трал-У", "Лілія"; КВІУЗ – "Маршрут", 'Управление-85".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методологічних основ і принципів організаційно-технічної і алгоритмічної побудови систем управління мережами зв'язку спеціального призначення, що враховують основні закономірності і особливості функціонування мереж, що управляються, в умовах структури та навантаження, що змінюються, і протидії агресивного зовнішнього середовища.

Для досягнення мети вирішуються наступні взаємопов’язані задачі:

-

- розробка узагальненої моделі управління мережами зв'язку, що враховує фізичну суттєвість реальних процесів і розкриває взаємодію чинників, що зумовлюють процеси в об'єктах управління, керуючі впливу з боку органів управління і результати цих впливу;

- визначення морфології системи управління мережами зв'язку спеціального призначення і процесів взаємодії її елементів в ході рішення задач, що покладаються на них;

- розробка методик статичного управління мережами зв'язку спеціального призначення з урахуванням особливостей їхнього функціонування і необхідність формування ПРН в ході рішення задач управління;

- розробка методик рішення задач управління мережами зв'язку спеціального призначення в динаміці їхнього функціонування, що дозволять, в залежності від принципів побудови системи управління, забезпечити підтримання характеристик мережі в межах необхідних норм або здійснити оптимізацію функціонування мережі по одному або декільком параметрам;

- визначення засобів захисту мереж зв'язку спеціального призначення від перевантажень;

- розвиток засобів управління мережами зв'язку з комутацією пакетів.

Наукова новина отриманих результатів. В дисертації вперше вирішується проблема систематизації задач управління на мережах зв'язку спеціального призначення, з урахуванням впливу різнорідних дестабілізуючих факторів, що зумовлюють функціонування мережі, яка управляється. Наукова новизна отриманих результатів визначається новиної підходу, що дозволив розробити ряд нових моделей, засобів і методик рішення задач управління. Основні результати, що володіють істотною новизної, практичною і теоретичною цінністю, виносяться на захист:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Практичне значення роботи і використання її результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що запропоноване нове наукове направлення дослідження систем управління мережами зв'язку спеціального призначення, що дозволить вирішувати питання підвищення ефективності функціонування мереж ,що управляються, а також забезпечувати визначення джерела дестабілізації параметрів мережі і можливих шляхів доведення її характеристик до необхідних норм.

Теоретичні і прикладні результати роботи реалізовані при розробці Концепції побудови єдиної автоматизованої системи зв'язку Збройних Сил України, в ході створення перспективних зразків командно–штабних машин тактичної ланки управління СВ і ВПС, комутаційної техніки зв'язку для ЗС України, а також використовуються в навчальному процесі КВІУЗ і НТУУ "КПІ".

Особистий вклад автора. Основні ідеї дослідження і отримані в дисертації результати належать особисто автору. Із спільних публікацій на захист виносяться положення, отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні ідеї і конкретні результати досліджень доповідалися і обговорювалися на Міжнародних, Республіканських і галузевих конференціях, науково-технічних радах і семінарах, в тому числі: на Восьмій міжнародній кримській конференції (м. Севастополь, 1998), на науково-практичній конференції "Стратегія входження Украіни у світовий інформаційний простір" (м. Київ, 1997), на 11 науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю Радіо (м. Київ, 1995), на Військових науково-технічних конференціях Київського ВІУЗ (м. Київ, 1984... 1997г. Г.), на Військових науково-технічних конференціях Ленінградського ВІУЗ (м. Ленінград, 1985, 1987), на Міжгалузевій науково-технічній конференції "Автоматизовані системи проектування і розробки апаратно-програмних засобів інформаційно-обчислювальних мереж (м. Москва, 1990), на науково-технічних радах в/ч А-0375, на наукових семінарах кафедри засобів телекомунікацій НТУУ "КПІ".

Публікації. Список наукових праць включає 86 найменувань. З них по темі дисертації опубліковані 72 роботи, в тому числі 1 монографія, 2 навчальних посібника, 2 авторських свідоцтва, 36 статей, 12 звітів по НДР і ДКР, а також тези доповідей на науково - технічних конференціях і семінарах. Перелік найбільш важливих робіт наведений в списку джерел ,що використовувалися.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, десяти розділів, укладення і списку джерел, що використовувалися. Матеріал роботи викладений на 323 сторінках, з яких 46 сторінок займають малюнки і список джерел, що використовувалися, що включає 164 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Проведений в першому розділі аналіз показав, що передача мови в мережах зв'язку у порівнянні з іншими виглядами зв'язку має свої характерні особливості. Ці особливості пов'язані з впливом частотного діапазону типових трактів зв'язку на якість передачі мови, специфіки енергетичного розподілу звуків мови і тимчасової структури мовних повідомлень. Врахування даних особливостей при управлінні мережами зв'язку, дозволяє забезпечити високу якість передачі мови в процесі обміну інформацією між абонентами.

В другому розділі визначені вимоги до цифрової передачі мови і розроблені аналітичні моделі джерел мовних сигналів, що дозволять визначити основні параметри потоку мовних пакетів.

Необхідність забезпечення вимог абонентів до якості передачі промови накладує обмеження на допустиму мережеву затримку і величину втрат мовних пакетів. Величина затримки менш 300 мс і втрата мовних пакетів в межах 7%10% не викликають істотного погіршення якості мовного обміну.

Визначення чисельних значень показників процесу перетворення аналогового мовного сигналу в цифрову форму вимагає побудови математичної моделі. В нинішній час відомі два вигляду моделей такого типу:

1. З двома можливими станами абонента: активний або пасивний. Активний стан абонента - в періоді безперервної мови (БМ). Пасивний – в періоді паузи мовчання (ПМ).

2. З трьома можливими станами абонента. Тут активний стан відповідає мовному імпульсу (МІ). Один пасивний стан - пауза безперервної мови (ПБМ), інше – в ПМ.

Переходи між станами відповідають природному порядку проходження основних мовних елементів. Більш точно відбиває поведінку абонента модель джерела мовних сигналів з трьома можливими станами абонента. В дисертаційній роботі розглянуті обидві моделі.

В першій моделі поведінка абонента при мовному обміні доцільно розглядати на безлічі {i (tj); i=0,1; tj-tj-1=F} його станів в дискретні моменти tj (j=1,2,...), де

Матриця || || імовірностей переходів на безлічі станів абонента має вигляд

=,

Де – імовірність переходу за tj – tj-1=F з стану 0 (tj-1) в 1 (tj);
– імовірність переходу за інтервал tj – tj-1=F з стану 1 (tj-1) в 0 (tj).

Імовірності i (i=0,1) стаціонарного розподілу станів абонента, що веде мовний обмін. Можуть бути визначені слідуючим чином:

(1)

В другий моделі, так як в час проходження періоду ПБП абонент пасивний, необхідно розглядати поведінку абонента на безлічі {i (tj); i=0.1, 2} складатися з трьох його можливих станів

i (tj)=

При розгляді будемо також вважати, що тривалість tпнр періоду ПБМ і тривалість tри періоду МІ підпорядковані експоненціальному закону розподілу.

Матриця імовірностей переходів на безлічі {i (tj); i=0,1, 2} має вигляд

=,

Де 1 імовірність переходу з стану 0 (tj-1) в стан 1 (tj);
2 імовірність виходу з стану 1 (tj-1) і переходу з імовірністю в стан 0 (tj) або з імовірністю =1– в стан 2 (tj);
імовірність переходу з стану 2 (tj-1) в стан 1 (tj).

Для розглядуваної безлічі з трьох можливих станів абонента можуть бути знайдені імовірності i (i=0.1, 2,) стаціонарного розподілу знаходження абонента в i-м стані:

(2)

Визначимо коефіціент активності абонента. Значення коефіціента активності абонента чисельно рівно імовірності знаходження абонента в довільний момент часу в активному стані.

Якщо абонент характеризується тільки двома можливими станами, то

=, (3)

де =, =,
F – тривалість формування мовного пакету,
і середня тривалість періодів БМ і ПМ відповідно.

Якщо абонент характеризується трьома станами те

= (4)

де 1; 2;; =1 –; =1 –;
, – середні тривалості ПБМ, МІ, ПМ, відповідно.

Використовуючи реальні значення тривалості мовних елементів, можна визначити чисельне значення. При врахуванні одного пасивного стану (ПМ) -0.46, а якщо враховуються два пасивних стани (ПБП і ПМ) - 0.36. З імовірністю 0.76 слідом за МІ слідує ПБМ і з імовірністю =0.24 - ПМ

Розподіл числа мовних пакетів в пакетуємому мовному сигналі в припущенні про експоненціальному розподіл тривалості мовних елементів може бути визначений слідуючим чином:

,

тобто дана залежність підкоряється геометричному закону розподілу.

Середнє число мовних пакетів, що складають РИ може бути визначене у вигляді

(6)

Для групи джерел мовних сигналів

i= (7)

де – коефіціент активності абонента при врахуванні одного пасивного стану.

Таким чином, число водночас активних джерел мовних сигналів підкоряється біноміальному розподілу.

Третій розділ присвячений розгляду об'єкту управління - мережі зв'язку спеціального призначення (МЗСП). Тут відзначене, що МЗСП поряд з загальними закономірностями побудови і функціонування, притаманними всім мережам зв'язки, мають істотні особливості, що необхідно враховувати в процесі управління. Проаналізовані основні характеристики мереж зв'язку, і виділені ті, що дозволяють кількісно оцінити ступінь їхньої відповідності своєму цільовому призначенню і створювати математичні моделі, що забезпечують рішення більшості задач управління.

Зважаючи на те, що переважна більшість навантаження МЗСП створюється мовними повідомленнями, ефективність використання обладнання мереж зв'язку буде в багатому визначатися засобом комутації інформації цього вигляду зв'язку. З цієї точки зору, для передачі мовних повідомлень доцільно застосування засобу комутації пакетів, що дозволить підняти пропускну спроможність мережі більш ніж в два рази.

В четвертому розділі аналізуються особливості передачі мовних повідомлень в мережах з комутацією пакетів (КП). Враховуючи, що для передачі мови в першу чергу припускається використати режим віртуальних з’єднань, в роботі функціонування мережі розглядається саме в цьому режимі.

Оцінка якості функціонування телефонної мережі з КП (ТМКП) повинна забезпечувати охоплення двох рівнів:

-

- на мережевому рівні – якість обслуговування мовних пакетів;

Враховуючи те, що мережева затримка мовних пакетів абонента в мережі з КП, працюючої в режимі ВЗ, є затримкою передачі в шляху встановленого ВЗ, основними показниками якості обслуговування мовних пакетів абонента в ТМКП можуть бути прийняті наступні:

-

- допустима величина td затримки мовних пакетів на гілці мережі;

- імовірність втрати PD мовного пакету абонента в ВЗ із–за перевищення часу доставки допустимої величини TD;

- імовірність втрати pd мовного пакету абонента на гілці із–за перевищення часу обслуговування допустимої величини td.

Крім того, необхідним є показник, що відбиває взаємозв'язок якості обслуговування телефонних викликів (заявок на встановлення ВЗ) і якість обслуговування мовних пакетів. В якості такого показника пропонується використати імовірність PBЗ (TD, PD) відмови у встановленні ВЗ із-за незадовільнення вимог абонентів до показників якості обслуговування мовних пакетів в ВЗ, якими є імовірність PD втрати і величина TD допустимої затримки мовного пакету абонента в ВЗ.

Визначення основних показників якості обслуговування мовних пакетів в гілках ТМКП вимагає розробки відповідної математичної моделі. При цьому в залежності від того нормується величина затримки мовних пакетів нормується на все сполучення або на кожну гілку, можливі два варіанти моделі.

Перший варіант дозволяє розглядати гілку ТМКП у вигляді системи масового обслуговування (СМО) з необмеженою довжиною черги мовних пакетів до каналу передачі. Другий варіант - відповідає розгляду гілки ТМКП у вигляді СМО з обмеженою довжиною черги. При цьому довжина черги визначається величиною td.

Аналітична модель гілки мережі з комутацією пакетів без обмеження довжини черги в роботі уявлена у вигляді системи обслуговування потоку мовних пакетів (СОПМП) від групи джерел мовний навантаження (ДМН).

СОПМП може бути розглянута на наступній безлічі її станів:

ktj k=; t-jtj-1; j,

Де ktj число пакетів, що знаходяться в СОПРП в довільний момент часу tj.

Число мовних пакетів, які знаходяться на обслуговуванні в гілці мережі в довільний момент часу може бути визначене слідуючим чином:

,

де i (tj) число мовних пакетів, що надійшли в СОПМП на час часі tj, тобто за інтервал tj–tj-1 від N ДМН; i=.

Імовірності p (k=0) стаціонарного розподілу числа мовних пакетів, що знаходяться в СОПМП, можна описати наступною системою рівнянь:

(8)

Для рішення системи рівнянь (8) можна використати засіб функцій, що виробляють. В результаті рішення отримані аналітичні вирази, що дозволять визначити наступні параметри:

1. Коефіціент функціонального використання каналу.

= (9)

де С швидкість каналу передачі (б/с);
V швидкість видачі цифрової послідовності на виході мовноперетворюючого влаштування абонентів (б/с);
Н, I довжина заголовку (б) і інформаційної частини (б) мовного пакету, відповідно.

2. Середнє число мовних пакетів, що знаходяться в СОПМП

(10)

3. Середня величина затримки мовних пакетів в СОПМП

(11)

5. Імовірність pd втрати мовного пакету із–за надужиття допустимої величини часу td затримки:

(12)

В аналітичній моделі гілки з обмеженою довжиною черги використовується механізм блокування порушення в чергу мовного пакету, імовірність обслуговування якого низька.

Безліч станів моделі представимо в вигляді

де

Імовірності p (k0) стаціонарного розподілу числа мовних пакетів, що знаходяться в СОПМП описуються системою рівнянь вигляду:

(13)

Для рішення системи рівнянь (13) можна також використати засіб функцій, що виробляють. В результаті рішення отримані аналітичні вирази для визначення наступних показників:

1. Середнього числа мовних пакетів, що знаходяться в черзі:

(14)

2. Середнього часу затримки мовного пакету:

(15)

3. Імовірності втрати мовного пакету:

-близьке значення

(16)

-більш точне значення

(17)

В п'ятому розділі вироблене математичне рішення задач управління і визначені вирішальні їхні системи

Для забезпечення режиму нормального функціонування мереж зв'язку необхідно створювати дві системи: система управління встановленням з’єднань (СУВЗ) і система управління мережею зв'язку (СУМЗ).

Задачі управління мережами зв'язку надто багатогранні і різнопланові. Їх доцільно розглядати в наступних умовах:

-

- нормального функціонування мережі зв'язку, що управляється;

- функціонування мережі зв'язку, що управляється в екстремальних ситуаціях.

Однієї з основних задач планової зміни структури мережі зв'язку є визначення необхідного канального ресурсу мережі, що забезпечує обслуговування навантаження з заданою якістю.

Дана задача в повному обсязі формулюється наступним чином. Визначити канальну ємність {Vij} гілок мережі, заданої графом G(N, M), і сформувати ПРН, який являє собою матрицю M={ij} сукупності шляхівij (=) передачі інформації між кожною парою КЦij (i,j=, де N – число КЦ в мережі) з вказівкою порядку (=) їхнього заняття, що забезпечують обслуговування навантаження Z по I інформаційним напрямкам Jij () з заданою якістю обслуговування Pij при мінімальній сумарній канальній ємності V гілок mij (i,j=), тобто

{Vij}= (M={ij}), (i, j=, =) (18)

при наступних обмеженнях:

де P – допустима імовірність витрат в направленні зв'язку;
Pij – імовірність витрат в інформаційних напрямках (i,j =);
kij – коефіціент використання каналів в гілках mij (i,j =) мережі;
zij – навантаження, що надходить на обслуговування в інформаційні напрямки;
- імовірність витрат на гілках мережі;
М - число гілок в мережі.

Особливістю вирішення задачі в вигляді (5.1) є відмова від такого істотного обмеження, як завдання плану розподілу навантаження в якості вхідних даних. Це дозволяє підвищити точність рішення задачі, але ускладнює розрахунки. Що опублікувалися в нинішній час методики, в основному, передвизначені для рішення спрощеної задачі, в якій прийняте допущення про те, що M={ij}i,j=) ПРН заданий. В цьому випадку задача (5.1) перетворюється в задачу (5.2):

V={Vij}, (19)

при наступних обмеженнях:

Ключовою задачею СУМЗ в процесі нормального функціонування мережі зв'язку, що управляється, є формування ПРН, задані характеристики і ефективність використання ,що забезпечує обладнання мережі зв'язку, що управляється, тобто

M={ij} (i, j=, =) (20)

при наступних обмеженнях:

,

де V – число каналів, вилучення яких з гілок мережі не призводить до Pij > P;
f (Pij) = ; ij = ;
Vij – число каналів в гілці;
V 0ij – необхідне число каналів в гілці mij для обслуговування навантаження, що надходить із заданою якістю.

При виникненні на мережі зв'язку екстремальних ситуацій, пов'язаних з впливом зовнішніх чинників ,що поражають, СУМЗ перекладається в особливий режим роботи. Для оцінки ситуації на мережі зв'язку виробляється рішення задачі (5.3). В результаті може виявитися, що якість обслуговування P < max {Pij} в деяких напрямках зв'язку нижче необхідних норм. В цих умовах в першу чергу виробляється спроба довести характеристики мережі до необхідних норм шляхом перерозподілу або обмеження числа шляхів передачі інформації в частині напрямків зв'язку, тобто.

(21)

при наступних обмеженнях:

,

де ij - можливі шляхи передачі інформації в направленні зв'язку;
'ij - шляхи передачі інформації, на яки накладена заборона у використанні.

Якщо прийняті міри не призводять до бажаного результату, то наступним кроком є введення в експлуатацію наявного резерву сил і засобів. На даному етапі визначається мінімально необхідний додатковий ресурс, що забезпечує доведення характеристик мережі до необхідних норм, тобто

(22)

при наступних обмеженнях:

, mij=,

де V 0ij – мінімальна потужність гілки, необхідна для обслуговування навантаження з необхідною якістю;
V0 – необхідне число каналів для доведення характеристик мережі до необхідних норм.

Якщо необхідне число каналів перевищує наявний резерв, то наступною мірою доведення характеристик мережі до необхідних норм може бути обмеження навантаження ,що входить, тобто

Z0=min (23)

при наступних обмеженнях:

.

Інколи, при виникненні екстремальних ситуацій, замість вимоги доведення характеристик мережі до нормованих значень, ставиться умова забезпечення можливої пропускної спроможності з максимально допустимою якістю.

Шостий розділ присвячений моделям систем управління мережею зв'язку.

На основі аналізу задач управління мережами зв'язку розроблена узагальнена модель функціонування СУМЗ з урахуванням взаємодії чинників, що зумовлюють процеси в об'єкті управління, керуючі впливом з боку органів СУМЗ, і результати цього впливу. При цьому, на відміну від тих що опублікувалися в науково-технічній літературі, в моделі врахований вплив СУВЗ на процеси управління.

Вироблений аналіз принципів структурної побудови СУВС, на основі якого запропонована трьохрівнева модель системи управління і визначені задачі елементів системи управління, що вирішуються на кожному рівні.

На основі аналізу типових задач, що вирішуються в процесі управління мережею зв'язку, розроблені принципи організаційно–технічної побудови системи управління і узагальнений алгоритм взаємодії її елементів, що дозволять визначити склад апаратного і програмного забезпечення, а також напрямки і порядок взаємодії СУМЗ і СУВЗ.

Визначені принципи побудови мережі управління. В залежності від вимірності об'єкту управління і задач, що на неї покладаються, вона може суміщатися з мережею зв'язку, що управляється, або бути виділеною.

В сьомому розділі розглядаються засоби рішення задач управління при різноманітних засобах побудови СУМЗ.

Однієї з основних задач, що вирішуються в процесі статичного управління мережами зв'язку, є проектування мереж з заданими показниками основних характеристик їхнього функціонування. Так як мережа зв'язку є складною і дорогою системою, то в процесі рішення даної задачі необхідно забезпечити ефективне використання її обладнання, що дозволить скоротити його загальний обсяг і підвищити мобільність.

В нинішній час є відомий ряд робіт, що дозволять вирішувати задачі такого класу. Однак, як правило, в них використовується допущення, що ПРН заданий. Слід відзначити, що ПРН виявляє істотний вплив на ефективність використання обладнання мережі зв'язку. Тому дане допущення може призвести до зниження точності отриманих результатів.

В дисертаційній роботі цей факт враховується і розроблена методика, в якій ПРН формується в ході рішення задач статичного управління.

Розглянуті методи рішення задач децентралізованого управління мережами зв'язку. Запропонований принцип побудови динамічної децентралізуваной СУМЗ на базі матричного засобу формування ПРН, що дозволяє в N раз скоротити обсяг навантаження управління і час формування плану розподілу навантаження у порівнянні з відомим методом "рельєфів", де N – число комутаційних центрів в мережі.

Розроблена методика рішення задач, що забезпечує підтримку основних характеристик мережі в межах необхідних норм в процесі централізованого управління мережею зв'язку. При цьому здійснюється як виявлення основних джерел виникнення дестабілізуючої ситуації, так і визначення засобів доведення характеристик мережі до необхідних норм. В нинішній час публікації про методики, що дозволять практичні вирішувати задачі такого класу, в науково - технічній літературі зустрічаються дуже рідко.

В восьмому розділі розглядаються засоби динамічного управління встановленням сполучень, які дозволять підвищити ефективність функціонування мереж ,що управляються.

Відомо, що до певної величини навантаження, яку можна назвати критичною, використання обхідних шляхів дозволяє підвищити пропускну спроможність мережі. Перевивищення даного навантаження веде до зниження пропускної здібності мережі. Тому однією з задач, що виникає в процесі управління мережами зв'язку, є забезпечення оптимального використання обхідних шляхів.

Для рішення цієї задачі в роботі пропонується використання методу маршрутного пріоритету. Даний метод заснований на принципі динамічного присвоєння пріоритету заявкам однієї і тієї же категорії абонентів в залежності від довжини шляху, по якому ці заявки обслуговуються. При цьому, з метою підвищення економічності і ефективності використання обладнання мережі заявкам, що обслуговуються по найкоротшим (прямим) шляхам, присвоюють більш високий пріоритет по відношенню до пріоритету заявок, що обслуговуються по обхідним шляхам.

Отримані в роботі результати показують, що мережі зв'язку з маршрутним пріоритетом забезпечують більш високу якість обслуговування, ніж мережі зв'язку з обходами і без обходів, у всьому розглядуваному діапазоні навантажень. При цьому буде відсутня необхідність проведення вимірів навантаження і витрат на мережі зв'язку.

Подальше підвищення ефективності функціонування мереж зв'язку було здійснене на основі комбінування методу маршрутного пріоритету і перебудов (МПП).

Проведена порівняльна оцінка засобів, що опублікувалися в сучасній науково - технічній літературі, і розроблених в дисертаційній роботі показала, що останні мають перевагу.

Дев'ятий розділ присвячений рішенню питань управління мережами зв'язку в умовах перевантаження.

З метою аналізу цієї проблеми була розроблена аналітична модель, що дозволить досліджувати вплив одніх напрямків зв'язку на інші в умовах виникнення локальних перевантажень. Крім того, були проаналізовані перехідні процеси на мережах зв'язку і виявлений їхній негативний вплив на пропускну спроможність мереж зв'язку. Далі на аналітичній та імітаційній моделях була досліджена поведінка мереж зв'язку з МП і МПП в умовах наростання перевантаження. Отримані результати показали, що розроблені засоби дозволяють знизити негативне впливу перевантажень на якість функціонування мереж зв'язку.

Для захисту мереж зв'язку від перевантажень був розроблений метод об'ємного пріоритету, що дозволить забезпечити функціонування мережі в номінальному режимі при виникненні локальних перевантажень. В основі методу лежить принцип обмеження навантаження. Причому, обмеження здійснюється шляхом динамічного присвоєння пріоритету викликам до залежностей від обсягу навантаження в направленні зв'язку. Якщо навантаження в направленні зв'язку не перевищує нормованого значення, то йому присвоюється підвищений пріоритет. Якщо навантаження в направленні зв'язку перевищує нормоване значення, то йому присвоюється понижений пріоритет.

Дослідження, проведені на аналітичній та імітаційній моделях, показали достатньо високу ефективність розробленого засобу. Він дозволяє практично повністю виключити вплив перевантаженого направлення зв'язку на якість функціонування інших.

В десятому розділі розглядаються особливості управління ТМКП.

Рішення задач управління вимагає розробки відповідної моделі. При цьому необхідно враховувати особливості функціонування ТМКП. Основною і найбільш істотною особливістю є те, що процеси обслуговування телефонних викликів і мовних пакетів в ТМКП протікають на різноманітних рівнях мережі. Частково, обслуговування телефонних викликів (встановлення віртуальних з’єднань) виробляється на транспортному рівні мережі, а обслуговування мовних пакетів (буферізація і передача по каналам мережі у відповідності зі стратегією, що використовується маршрутизація) відбувається на її мережевому рівні. При цьому швидкість процесів, що протікають в них, вимірюється в різних масштабах часу, що відрізняються один від одного на декілька порядків.

В дисертаційній роботі розроблена модель, що дозволить врахувати взаємозв'язок мережевого і транспортного рівнів. На основі даної моделі розроблено методику оцінки якості обслуговування в процесі статичного управління телефонними мережами з КП. В якості основного показника якості обслуговування використовувалася імовірність PBC (TD, PD) відмови при встановленні ВЗ із–за незадовільнення вимог абонентів до показників якості обслуговування мовних пакетів в ВЗ по імовірності PD витрат і величин TD допустимої затримки мовних пакетів абонентів в ВЗ.

ВИСНОВКИ

В дисертації здійснена розробка теоретичних основ побудови систем управління мережами зв'язку спеціального призначення на базі визначення основних закономірностей функціонування об'єкту управління, виявлення найбільш тривких взаємозв'язків між елементами, оптимізації принципів їхньої організаційно - технічної і алгоритмічної побудови і розробки засобів рішення основних задач управління.

В процесі досліджень отримані наступні основні наукові результати:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.