Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературных источников 10
1.1 Классификация коммутационных систем 10
1.2 Структура коммутационных систем и возможности их параллельной настройки 15
Выводы к первой главе 36
2. Математические модели матричных коммутационных систем с параллельной настройкой 37
2.1 Модель и алгоритм работы матричной системы коммутации с параллельной динамической настройкой с пространственным разделением каналов 37
2.2 Модель и алгоритм работы матричной пространственно-временной системы коммутации с параллельной настройкой 43
2.3 Математические модели коммутационных систем с параллельной динамической настройкой 46
Выводы по второй главе 55
3. Имитационные модели коммутационных систем с параллельной динамической настройкой 57
3.1 Структура имитационных моделей коммутационных систем с параллельной динамической настройкой 68
3.2 Программная реализация имитационных моделей коммутационных систем с параллельной динамической настройкой 82
3.3 Проведение имитационных экспериментов и анализ результатов моделирования 87
Выводы по третьей главе 96
4. Разработка коммутационных систем с параллельной динамической настройкой 98
4.1 Разработка коммутационных систем с параллельной динамической настройкой с пространственным разделением каналов 102
4.2 Разработка коммутационной системы с параллельной динамической настройкой с пространственно-временным разделением каналов 119
Выводы по четвертой главе 127
Заключение 128
Библиографический список 130
Приложения 138
- Структура коммутационных систем и возможности их параллельной настройки
- Модель и алгоритм работы матричной пространственно-временной системы коммутации с параллельной настройкой
- Программная реализация имитационных моделей коммутационных систем с параллельной динамической настройкой
- Разработка коммутационной системы с параллельной динамической настройкой с пространственно-временным разделением каналов
Введение к работе
Широкое распространение сетевых технологий и средств телекоммуникаций требует постоянного совершенствования средств и систем, обеспечивающих доставку и распределение сообщений между пунктами сети. Для этой цели используются такие устройства как повторители, концентраторы, коммутаторы и т.д. Однако в последние годы прослеживается устойчивая тенденция вытеснения коммутаторами других видов активного оборудования. Это связано, прежде всего, с развитием технологии производства микроэлектронных компонентов, и как следствие уменьшение показателя «цена / качество» для отдельного порта коммутатора. При снижении стоимости коммутационного оборудования, рынок коммутаторов продолжает расти, и по прогнозам специалистов эта тенденция сохранится еще несколько лет. Оценка динамики рынка коммутационного оборудования, выполненная Dell Ого Group, представлена на рис.1.
При столь больших объемах рынка коммутационного оборудования необходима разработка способов уменьшения потерь в системах коммутации, и в частности способов параллельной динамической настройки коммутационных систем. При этом одной из важнейших задач является задача разработки методов моделирования подобных устройств, что позволит прогнозировать их технические характеристики (вероятности потерь требований на соединения, пропускную способность систем и т.д.).
Поэтому целью диссертации является разработка алгоритмов работы, математических и имитационных моделей матричных коммутационных систем с параллельной настройкой, позволяющих осуществлять обслуживание динамически поступающих требований на соединения.
Реализация параллельной настройки коммутационных систем позволит сократить время настройки коммутационных систем и повысить пропускную способность коммутационных систем за счет снижения потерь на центральном управляющем устройстве.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1) проведено исследование и анализ различных топологий коммутационных систем, анализ патентной информации и открытой технической документации ведущих разработчиков коммутационных систем, выбор топологии для разработки алгоритмов параллельной настройки коммутационных систем.
2) выполнена разработка математических моделей коммутационных систем с параллельной настройкой.
3) разработан алгоритм работы коммутационных систем с параллельной настройкой, позволяющих обслуживать динамически поступающие требования.
4) разработана логическая структура устройств коммутационных систем с параллельной настройкой.
5) выполнена разработка имитационных моделей коммутационных систем с последовательной и параллельной настройкой для определения и сравнения характеристик систем.
Для решения этих задач в работе были использованы методы теории множеств, теории алгоритмов, булевой алгебры, теории цифровых автоматов, теории массового обслуживания.
Научная новизна. В диссертации разработаны и выносятся на защиту следующие основные положения:
1. Предложена модель и алгоритм работы матричной коммутационной системы с параллельной динамической настройкой с пространственным разделением каналов, отличающиеся от известных тем, что предложено разбивать время на отдельные кванты и использовать разовый режим коммутации для каждого кванта времени, введена операция выделения приоритета, определено множество доступных выходных имен для отдельных квантов времени.
2. Предложена модель и алгоритм работы матричной коммутационной системы с параллельной настройкой с пространственно-временным разделением каналов, отличающаяся от известной тем, что в нее введены операции записи и чтения для элементов коммутации, определены правила формирования множества элементов коммутации для реализации операций записи/чтения.
3. Предложены математические модели (на основе теории массового обслуживания), в которых системы коммутации представлены в виде двухфазовых систем массового обслуживания с т-каналами во второй фазе обслуживания. Найдены вероятности состояний системы как функции от приведенной нагрузки и числа устройств управления.
4. Предложены имитационные модели матричных коммутационных систем с параллельной динамической настройкой с пространственным и пространственно-временным разделением каналов. На основании имитационных экспериментов установлено, что коммутационные системы имеют меньшие потери (вероятность потерь ниже на 0,17) по сравнению с системами с последовательной настройкой за счет снижения потерь на центральном управляющем устройстве.
Практическая значимость работы. Предложена структура матричной коммутационной системы с параллельной настройкой с пространственным разделением каналов, отличающаяся от известной тем, что в нее введены блоки синхронизации с моментами коммутации, дополнена структура элементов коммутации так, что элементы совместно выполняют операцию выделения приоритета, определяют множество доступных на каждом кванте времени выходных линий и производят коммутацию.
Предложена структура матричной коммутационной системы с параллельной настройкой с пространственно-временным разделением каналов, отличающаяся от известной тем, что в нее введены входные и выходные блоки, изменена и дополнена структура элементов коммутации так, что позволяют производить операции чтения и записи. Структурные схемы матричных коммутационных систем предназначены для реализации в новых перспективных системах коммутации.
По результатам исследований подана заявка на изобретение № 2003113541/20 (014390) «Коммутационная система»
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе № 0120.0 406700 по теме исследований «Анализ и синтез элементов и устройств телекоммуникационных, информационно-измерительных систем и систем управления» и госбюджетной научно-исследовательской работы Астраханского государственного университета «Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управления»
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Пятой всероссийской научной конференции с международным участием молодых ученых и аспирантов (Таганрог, 2002), на конференции по связи и управлению - The IEEE-Siberian Conference on Control and Communications SIBCON-2003 (Томск, 2003), на международной научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2005), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2002, 2003,2004) и Астраханского государственного университета (Астрахань, 2005)
Коротко изложим содержание диссертационной работы по главам.
Первая глава посвящена анализу существующих систем коммутации и возможности их параллельной настройки, то есть возможности реализации процесса параллельного отыскания каналов связи в коммутационных системах. Быстродействие коммутационных систем характеризуется режимом установления соединений. По режимам коммутацию подразделяют на одиночную, пачечную и разовую. При одиночной коммутации соединения возникают или завершаются по одному, при пачечной - пачками или группами, при разовой - все одновременно. Очевидно, что пачечный режим является универсальным, так как при числе соединений в каждой пачке, равным единице, получается одиночный режим, а если в пачку входят все соединения - разовый режим.
Важную роль, особенно для данного исследования, играют механизмы настройки коммутационных схем.
По способам настройки коммутационные системы можно разделить на схемы с централизованной настройкой и схемы с децентрализованной настройкой (самонастройкой). При централизованной настройке вся информация о необходимых соединениях поступает в единое для всей системы центральное устройство управления, которое вырабатывает управляющие сигналы для отдельных коммутационных элементов. При децентрализованной настройке в системе не существует единого центрального устройства управления, но каждый коммутационный элемент снабжен локальным устройством управления. Схемы с самонастройкой являются более перспективными с позиций применения способов параллельной настройки.
В результате анализа литературных источников, источников патентной информации, открытой документации разработчиков интегральных схем коммутаторов по ведущим странам (Россия, США, страны Евросоюза, Япония) за 7 лет, можно сделать вывод о том, что: параллельную настройку коммутационных систем можно обеспечить, проведя децентрализацию управления в системе; из известных топологий коммутационных систем реализация параллельной настройки при динамически поступающих требованиях на обслуживание возможна только в матричной системе; применение пачечного режима коммутации, как обобщающего разовый и одиночный режимы коммутации позволит обслуживать динамически поступающие вызовы; известен алгоритм и схемотехническое решение (а.с. СССР № 1441471), позволяющие производить параллельную настройку матричных коммутационных систем в разовом режиме, однако они не могут быть применены для параллельной настройки систем при динамически поступающих вызовах.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей и алгоритмов работы матричных систем коммутации с параллельной настройкой с пространственным и пространственно-временным разделением каналов, работающих в режиме с динамически поступающими вызовами.
В известном матричном коммутаторе с параллельной настройкой для установления соединений применяется разовый режим коммутации, который реализует следующий алгоритм.
Первоначально система приводится в начальное состояние, которое характеризуется тем, что все существующие соединения разрушаются. Для установления соединений со стороны входов системы коммутации одновременно передаются идентификаторы выходных линий системы, которым необходимо установить соединение. Одновременно со стороны выходов передаются собственные идентификаторы выходов системы. Если в узле коммутации происходит совпадение идентификаторов, то соединение устанавливается. Если при функционировании коммутационной системы время квантуется на такты, но в произвольные моменты времени возникает необходимость установить одно или несколько соединений, то есть заявки на установление соединений возникают асинхронно, то все возникшие заявки в промежутке времени между соседними тактами ожидают поступления очередного тактового импульса и начинают обрабатываться при его поступлении. Поэтому, изменив разовый режим работы коммутационной системы на пачечный, можно обеспечить параллельную настройку при динамически поступающих требованиях на обслуживание.
С точки зрения теории массового обслуживания системы коммутации с параллельной динамической настройкой представляются как двухфазовые системы массового обслуживания с т-каналами во второй фазе обслуживания. Найдены вероятности состояний системы как функции от приведенной нагрузки и числа устройств управления
Третья глава посвящена разработке имитационных моделей и их программной реализации в среде имитационного моделирования GPSS World.
В случае если система коммутации имеет центральное устройство управления и осуществляет последовательное установление соединений -последовательную настройку, то эффективность обслуживания требований или производительность коммутационной системы в первую очередь определяется производительностью устройства управления.
Центральное устройство управления является одноканальным обслуживающим устройством, которое последовательно обслуживает требования по мере их поступления. В случае занятости устройства управления на момент поступления нового требования, требование будет потеряно. Задержка, или время обслуживания, которым характеризуется устройство управления, является величиной постоянной и не зависит от испрашиваемого требованием времени обслуживания. В случае если соединительная линия будет найдена, будет установлено соединение, что означает занятость соответствующей соединительной линии в сети коммутации и соответствующего выхода на время, испрашиваемое требованием.
Для матричных коммутационных систем с пространственным разделением каналов сеть коммутационных элементов представляет собой сеть одноканальных обслуживающих устройств, а в случае матричных коммутационных систем с пространственно-временным разделением каналов - сеть многоканальных обслуживающих устройств. Если сеть коммутации имеет децентрализованное управление, и каждый элемент коммутации управляется собственным локальным устройством.
Особенностью моделей коммутационных систем с параллельной настройкой является наличие блока синхронизации поступающих требований с моментами коммутации.
Потери для коммутационных систем с параллельной настройкой ниже, чем для КС с последовательной настройкой (разница составляет приблизительно 17%).
Четвертая глава посвящена проблемам разработки матричной системы коммутации с пространственным разделением каналов и матричной системы коммутации с параллельной настройкой с пространственно-временным разделением каналов. Проведен системный анализ коммутационных систем, в результате чего предложена следующая обобщенная структура коммутационных систем с параллельной децентрализованной настройкой
В главе представлены функциональные схемы отдельных элементов коммутационных систем, описан принцип их работы.
В заключении формулируются основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, и выделяются возможные направления дальнейших исследований.
Структура коммутационных систем и возможности их параллельной настройки
Для того чтобы шина не была узким местом коммутатора, ее производительность должна быть, по крайней мере, в — раз выше скорости
поступления данных во входные блоки процессоров портов. Кроме этого, кадр должен передаваться по шине небольшими частями, по несколько байт, чтобы передача кадров между несколькими портами происходила в псевдопараллельном режиме, не внося задержек в передачу кадра в целом. Размер такой ячейки данных определяется производителем коммутатора. Некоторые производители, например, LANNET (сейчас подразделение компании Madge Networks), выбрали в качестве порции данных, переносимых за одну операцию по шине, ячейку ATM с ее полем данных в 48 байт. Такой подход облегчает трансляцию протоколов локальных сетей в протокол ATM, если коммутатор поддерживает эти технологии. Входной блок процессора помещает в ячейку, переносимую по шине, тэг, в котором указывает номер порта назначения. Каждый выходной блок процессора порта содержит фильтр тэгов, который выбирает тэги, предназначенные данному порту. Третья базовая архитектура взаимодействия портов - двухвходовая разделяемая память. Пример такой архитектуры приведен на рис. 4.
Входные блоки процессоров портов соединяются через переключатели входа с разделяемой памятью, а выходные блоки этих же процессоров соединяются с памятью через переключатели выхода. Переключением входа и выхода разделяемой памяти заведует блок управления портами. Этот блок организует в разделяемой памяти несколько очередей данных — по одной для каждого выходного порта. Входные блоки процессоров передают блоку управления запросы на запись данных в очередь того порта, который соответствует адресу назначения пакета. Блок управления портами по очереди подключает вход памяти к одному из входных блоков процессоров и тот переписывает часть данных в очередь определенного выходного порта. По мере заполнения очередей блок управления производит поочередное подключение выхода разделяемой многовходовой памяти к выходным портам и данные из очереди переписываются в выходной буфер процессора.
Память должна быть достаточно быстродействующей для поддержания скорости переписи данных между N портами коммутатора. Применение общей буферной памяти, гибко распределяемой менеджером между отдельными портами, снижает требования к размеру буферной памяти процессора порта.
У каждой из описанных выше архитектур есть свои преимущества и недостатки. Поэтому часто в сложных коммутаторах эти архитектуры применяются в комбинации друг с другом.
Разнообразие существующих пространственных коммутационных систем отражено в обзорах [79, 87, 93]. Рассмотрим основные коммутационные схемы, их свойства и оценки (табл. 1.1). Кроссовая однокаскадная схема (кроссовый коммутатор, матричный коммутатор) (рис. 1.6).
В этой системе коммутации между каждой парой вход-выход имеется одна точка коммутации. Кроссовая схема является строго неблокирующей системой коммутации и может работать во всех режимах коммутации. Ее недостатком является относительно большое число точек коммутации. Кроссовую однокаскадную схему можно настраивать децентрализованным способом, если снабдить каждую точку коммутации своим устройством управления. В этом случае общая аппаратная сложность устройства управления будет 0(N), что неприемлемо при большом N. Если же применить для настройки этой схемы какое-либо единое центральное устройство управления точками коммутации, то это приведет к тому, что время настройки схемы будет 0(N), что также неприемлемо.
Коммутационная матрица - основной и самый быстрый способ взаимодействия процессоров портов, именно он был реализован в первом промышленном коммутаторе локальных сетей. Одной из универсальных матричных систем коммутации с последовательной настройкой является интегральная микросхема К1509КП1.
Данная схема матричного коммутатора с полем 16x16 предназначена для использования в системах связи, цифровых вычислительных машинах и другой радиоэлектронной аппаратуре широкого применения. Интегральная схема К1509КШ представляет собой однонаправленный, а К1509КП2 двунаправленный коммутатор 16x16 с программируемой настройкой связей, осуществляемой перед коммутацией.
Коммутатор К1509КП1 состоит из дешифраторов выходных и входных линий (DCX и DCY), коммутирующей матрицы и буферных каскадов выходных и входных линий связи (BDI и BDO). Для установления связи /-го входа с j-u выходом необходимо на входы дешифратора выхода DCY подать код номера у -го выхода, а на входы DCX - код номера /-го входа одновременно с сигналом STB=L. Для программирования связей по всем шестнадцати каналам необходимо затратить шестнадцать тактов. Во время настройки БИС должна быть выбрана сигналом CS.
Передача данных через БИС может осуществляться в асинхронном (при V=H) или синхронном (при V=L) режимах. В асинхронном - данные со входов DI(0...15) непосредственно транслируются на выходы DO(0...15). В синхронном режиме при CLK=L происходит запись информации с DI(0...15) в одноразрядный регистр сдвига BDO, а через такт при CLK=H - выдача данных на DO(0...15). В обоих режимах при BLC=H выходы DO(0...15) переходят в высокоимпендансное состояние.
Матрица может быть реализована на разных комбинационных схемах, но в любом случае в ее основе лежит технология коммутации физических каналов. Основным недостатком данной технологии является невозможность буферизации данных внутри самой коммутационной матрицы. Ситуация, когда выходной порт занят, встречается достаточно часто — она называется коллизией выходного порта. В большинстве коммутаторов предусмотрено реагирование на коллизию выходного порта. Чтобы уберечь данные от потери, в коммутаторах предусмотрена буферная область памяти, где и хранятся уже принятые кадры. Буферная память способна сглаживать случайные всплески трафика, не допуская потери информации. Однако большая буферная память может приводить к некоторой задержке передачи. Это входит в противоречие с основной целью коммутаторов, так как они применяются именно для устранения замедления.
Один из способов параллельной настройки пространственных коммутаторов можно рассмотреть на примере интегральной схемы коммутатора IMS С004. Несмотря на то, что коммутатор назван кроссовым, в его основе лежит не матрица коммутации, а набор мультиплексоров, поэтому он имеет еще большую избыточность, по сравнению с матричными схемами. На рис. 1.9 приведена структура коммутатора. А на рис. 1.10 - модифицированная схема, в которой применена частичная децентрализация управления.
Модель и алгоритм работы матричной пространственно-временной системы коммутации с параллельной настройкой
В случае, если пространственная координата требования на соединение совпадает с пространственной координатой канала, происходит запись информации в память элемента коммутации. Считывание информации из элемента коммутации происходит при совпадении временной координаты требования и текущей временной координаты канала. Для перебора всех временных координат организуется цикл. Процесс записи и чтения информации из памяти элементов коммутации и представляет собой установление соединения. Введем некоторые термины, используемые в теории массового обслуживания при описании систем. Основными терминами являются вызов, длительность занятия, нагрузка и ряд показателей, характеризующих пропускную способность той или иной системы. Вызов (заявка) - требование на обслуживание, поступающее в систему. Поток вызовов - последовательность вызовов с указанием моментов их поступления и других необходимых признаков, например класса приоритета. Длительность занятия - суммарное время, в течение которого линия (прибор) занята обслуживанием вызова. Если / - длительность установления соединения; т Нагрузка — случайный процесс X(t), представляющий собой число одновременно обслуживаемых в некоторой системе заявок (вызовов, телеграмм, программ и др.) в момент времени /. По аналогии можно ввести понятия поступающей, обслуженной, потерянной, ожидающей нагрузки. Интенсивность обслуженной нагрузки - среднее число занятых линий в произвольный момент t. Интенсивности нагрузки измеряется в Эрлангах (Эрл). Один эрланг — это интенсивность нагрузки, при которой за среднюю длительность занятия поступает одна заявка. Пуассоновская нагрузка I рода — нагрузка, создаваемая пуассоновским потоком вызовов при экспоненциально распределенной длительности занятия. Пуассоновская нагрузка II рода — нагрузка, создаваемая конечной группой источников нагрузки, для которых интервалы свободного состояния и длительность занятий подчиняются экспоненциальному распределению. При измерении пропускной способности системы распределения информации важным является понятие блокировки вызова, что обозначает событие, состоящее в отсутствии свободных и доступных путей соединения к требуемому направлению в момент поступления вызова (или, точнее, в момент поступления попытки установить соединение). В системе с потерями блокированные вызова теряются и основным показателем пропускной способности является доля потерянных вызовов.
Для системы с ожиданием следует различать случай неограниченной и ограниченной емкостей накопителя (число мест ожидания). Если накопитель обладает неограниченной емкостью, то основными характеристиками являются среднее время ожидания и вероятность ожидания (вероятность блокировки). В случае накопителя с ограниченной емкостью добавляется еще одна характеристика - вероятность потери вызова, тогда вероятность блокировки равна суммой двух вероятностей - ожидания и потери вызова.
Как и системы с последовательной настройкой [8, 67, 68], коммутационные системы с параллельной динамической настройкой могут быть представлены системами массового обслуживания, имеющими две фазы обслуживания вызовов. Первая фаза обслуживания состоит в работе управляющего устройства коммутатора по установлению соединения, вторая в обслуживании непосредственно самой заявки.
Из изложенных выше алгоритмов работы коммутационных систем с параллельной динамической настройкой следует, что кванты времени, через которые происходит коммутация, пачки заявок не являются бесконечно малыми и за время между двумя соседними моментами коммутации возможен приход двух и более заявок, которые будут обрабатываться далее совместно. Однако при построении математической (аналитической) модели это означало бы скачкообразные переходы системы массового обслуживания в состояния, не являющиеся соседними, т.е. из состояния / система могла бы перейти в состояние i+2, минуя состояние i+1. И при выводе уравнений переходных вероятностей было бы необходимо учитывать большое количество переходов системы с малыми вероятностями. Даже для системы коммутации с небольшим числом каналов это представляется проблематичным.
Поэтому дальнейшее описание моделей будем вести, исходя из следующих предположений. Пусть выполняются простейшие предположения теории телетрафика: 1) поток вызовов образует пуассоновский процесс с параметром Л. (или, по терминологии Хинчина, представляет собой простейший поток), т. е. среднее число вызовов в единицу времени равно Л и вероятность того, что за время / поступит / вызовов, равна Построим случайный процесс, описывающий деятельность системы. Через рХО обозначим вероятность того, что в момент t занято / линий: i=0, 1, 2, ...т. Составим систему дифференциальных уравнений для нахождения pt(t). Для этого рассмотрим значения переходных вероятностей в моменты времени t и t + At. При сформулированных предположениях относительно потока вызовов и длительности обслуживания случайный процесс является марковским, поэтому для вычисления распределения {pj(t + At),j = 0,l,2,...,m} необходимо иметь распределение {#( ),/ = 0,1,2,...,/я} и переходные вероятности / у(Д/). Изучим переходные вероятности. Как было уже упомянуто, их вывод существенно упрощает предположение, что А/ является малым промежутком времени. Найдем выражения для p,j(At) с точностью до членов порядка А/. -Занятие линий зависит от поступления вызовов.
Программная реализация имитационных моделей коммутационных систем с параллельной динамической настройкой
Объясняется это тем, что показательное распределение обладает характеристическим свойством - отсутствием последействия. Этим свойством обладает только показательное распределение. Поскольку простейший поток обладает отсутствием последействия, следовательно, он распределен по показательному закону. Функция распределения промежутков времени между двумя вызовами, соответственно равна
Процесс обслуживания S - является сложной случайной величиной, ввиду того, что он может иметь многофазовый характер.
Потоком освобождений - последовательность моментов окончания обслуживания вызовов. В общем случае свойства и характеристики потока освобождений зависят от поступающего потока вызовов, качества обслуживания этих вызовов, закона распределения длительности обслуживания.
Интенсивность потока освобождения р - средняя частота обслуживания вызовов, измеряемая средним числом обслуженных вызовов в единицу времени. Соответственно 1/Р - средняя длительность обслуживания (средняя длительность занятости устройства).
При длительном функционировании система входит в режим работы, при котором ее характеристики явным образом не зависят от текущего момента времени. Такой режим функционирования системы считается стационарным (установившимся). Большинство систем достаточно быстро входят в стационарном режиме. Необходимым условием стационарного режима является следующее требование: интенсивность входящего потока вызовов должна быть меньше пропускной способности системы, то есть Я р. Если Л = /3, то при неограниченном времени работы система будет переполняться, из-за случайных флуктуации. Отношение XIР называется средним трафиком системы (интенсивностью трафика, интенсивностью нагрузки, потоком нагрузки). Трафик измеряется в Эрлангах, и обычно оценивается в период наибольшей нагрузки.
В.Е. Гмурман [15] показал, что обслуживание простейшего потока вызовов с показательным временем обслуживания является частным случаем процесса Маркова - процессом рождения и гибели со счетным множеством состояний. Процесс рождения отождествляется с процессом занятий, а процесс гибели с процессом освобождений каналов связи. Применительно к системам динамической коммутации это дискретная Марковская цепь, в которой вероятность перехода из состояния Et в состояние Ej зависит только от состояния Е-, и не зависит от того, когда и как система пришла в это состояние. Под состояниями понимается число занятых линий в каждый момент времени. Таким образом, будущий процесс обслуживания (при / to) зависит только от состояния системы в момент t0 и не зависит от того, как протекала работа системы до момента t0
В теории телетрафика основные результаты получены исходя из предположения об отсутствии памяти в процессе обслуживания, что, строго говоря, неверно. Но в данном случае проще получить аналитические соотношения, а несущественными различиями результатов можно пренебречь.
Дисциплина обслуживания Д - определяет взаимодействие потока вызовов с системой распределения информации. Ее обычно характеризуют: - способами обслуживания вызовов (с потерями, с ожиданием, комбинированное обслуживание); - порядком обслуживания вызовов (в порядке очередности, в случайном порядке, обслуживание пакетами и др.); - режимами искания выходов схемы (свободное, групповое, индивидуальное); - законами распределения длительности обслуживания вызовов (показательный закон, постоянная или произвольная длительность обслуживания); - наличием приоритетов в обслуживании некоторых категорий вызовов; - наличием ограничений при обслуживании всех или некоторых категорий вызовов (по длительности ожидания, числу ожидающих вызовов в очереди, длительности обслуживания). Как правило, рассматривают два случая обслуживания вызовов: обслуживание с отказами (или с явными потерями), когда поступивший вызов, застав занятым ресурс системы, покидает систему не обслуженным; и обслуживание с ожиданием -когда поступивший вызов застав ресурс занятым становится в очередь. В системах коммутации с параллельной настройкой используется пачечный режим коммутации, и обслуживается одновременно несколько заявок, поступивших за промежуток времени между выполнением двух разовых коммутаций. По описанным в гл. 2 математическим моделям коммутационных систем с параллельной настройкой, возможна реализация имитационных моделей систем для получения их характеристик. Для сравнения характеристик, целесообразно также реализовать и имитационные модели систем с последовательной настройкой. Среди методов прикладного системного анализа имитационное моделирование является наиболее мощным инструментом исследования сложных систем, управление которыми связано с принятием решений в условиях неопределенности. По сравнению с другими методами имитационное моделирование позволяет рассматривать большое количество альтернатив, улучшать качество решений и точнее прогнозировать их последствия. Имитационное моделирование является экспериментальной и прикладной методологией, имеющей целью: - описать поведение систем; - построить теории и гипотезы, которые могут объяснить наблюдаемое (или ожидаемое) поведение системы; - использовать эти теории для предсказания будущего поведения системы, то есть тех воздействий, которые могут быть вызваны изменениями в системе или изменениями способов ее функционирования. Модели вообще и имитационные модели в частности можно классифицировать различными способами, но ни один из них не является полностью удовлетворительным, хотя каждый преследует определенные цели. Некоторые типовые группы моделей, которые могут быть положены в основу классификации, приведены ниже: - статические и динамические; - детерминистские и стохастические; - дискретные и непрерывные; - натурные, аналоговые, символические.
Разработка коммутационной системы с параллельной динамической настройкой с пространственно-временным разделением каналов
Как было отмечено выше, известные модели Эрланга не применимы к системам коммутации с параллельной настройкой. Однако по описанным в гл. 2 математическим моделям коммутационных систем с параллельной настройкой, могут быть построены имитационные модели систем.
Исходя из алгоритма работы коммутационных систем с параллельной настройкой, примем, что требования входного пуассоновского потока, поступая на вход систем коммутации с параллельной настройкой, задерживаются и преобразуются в пачки требований, образуя множество запросов (см. гл. 2) в момент времени t: Rt. Эти требования содержат координату назначения, то есть выход коммутационной системы, на который требуется переслать требование. При построении модели координата назначения указывалась непосредственно, как параметр требования. Для этого использовался генератор с равномерным распределением, который с равными вероятностями генерирует и добавляет в поле параметров транзакта (требования) номера выходов к которым требуется установить соединение. Кроме того, требования характеризуются испрашиваемой длительностью обслуживания. В данной работе при моделировании используется детерминированное время обслуживания, как если бы передавались пакеты равной длины от независимых источников нагрузки.
Операция выделения приоритета, которая определяется в гл. 2, выполняется системой автоматически. И, хотя, приоритет определяется системой, не так как он был описан при разработке математической модели, имитационная модель соответствует математической модели, так как было определено, что правило выделения приоритета не важно, важно лишь преобразование множества R,, которое является функциональным отношением в биекцию. Данную операцию выполняет сама система имитационного моделирования. Необходимо отметить, что под приоритетом в данном случае понимается требование, которому будет отдано предпочтение в случае появления двух и более требований на установление соединений к одному и тому же выходу в момент времени t.
Определение, какому выходу предназначается требование и отправка его соответствующему выходу, выполняется блоком изменения маршрутов транзактов (TRANSFER).
Имитационные модели строились, исходя из того, что коммутационные системы с параллельной настройкой являются системами с явными потерями. Таким образом, определены все необходимые составляющие систем коммутации с параллельной настройкой как систем массового обслуживания: поступающий поток заявок - пуассоновский с дополнительным параметром - координатой назначения вызова, время обслуживания - детерминированное, дисциплина обслуживания - с явными потерями, система с параллельным установлением соединений.
В обобщенном виде система коммутации состоит из сети коммутации и устройства управления. Устройство управления обрабатывает требования на обслуживание и управляет процессом установления соединения через сеть коммутации. Сеть коммутации устанавливает и поддерживает соединение на весь период обслуживания требования. К входам системы коммутации подключены источники нагрузки (ИН 1...ИНп), которые генерируют требования на обслуживание и создают входную нагрузку системы. Источники нагрузки характеризуются как минимум интенсивностью генерации требований и испрашиваемой продолжительностью обслуживания требований. Все требования, обслуженные системой, составляют обслуженную нагрузку, требования, не обслуженные по каким-либо причинам, составляют потерянную нагрузку.
В случае если система коммутации имеет центральное устройство управления и осуществляет последовательное установление соединений - последовательную настройку, то эффективность обслуживания требований или производительность коммутационной системы в первую очередь определяется производительностью устройства управления.
В этом случае коммутационную систему можно представить как систему массового обслуживания, имеющую структуру, приведенную на рис. 3.2 а
Нагрузка на коммутационную систему (рис. 3.2 а) складывается из суммарной нагрузки источников. Центральное устройство управления является одноканальным обслуживающим устройством, которое последовательно обслуживает требования по мере их поступления. В случае занятости устройства управления на момент поступления нового требования, требование будет потеряно (или поставлено в очередь, если используется система с очередями). Задержка, или время обслуживания, которым характеризуется устройство управления, является величиной постоянной и не зависит от испрашиваемого требованием времени обслуживания, так как устройство управления лишь находит соединительную линию внутри сети коммутации, а время ее отыскания зависит только от производительности устройства.
В случае если соединительная линия будет найдена, будет установлено соединение, что означает занятость соответствующей соединительной линии в сети коммутации и соответствующего выхода на время, испрашиваемое требованием. В случае занятости соединительной линии в сети коммутации или выхода системы, требование будет потеряно (или поставлено в очередь, если используется система с очередями). Для кроссовых (матричных) систем коммутации занятость соединительной линии внутри сети коммутации возможно лишь в случае, когда занят соответствующий выход системы, так как кроссовая система является неблокирующей.
Если сеть коммутации имеет децентрализованное управление, и каждый элемент коммутации управляется собственным локальным устройством, система коммутации будет иметь следующую структуру (рис. 3.2 б)
