Введение к работе
Актуальность темы: В настоящее время интенсивно развивается направление по разработке инфокоммуникационных систем (ИКС) с динамической топологией сети (ДТС), которые обеспечивают передачу информации непосредственно между подвижными объектами (людьми, автомобилями, более крупным транспортом).
Примером реализации ИКС с ДТС стали MANET (Mobile Ad hoc Networks) системы. Среди работ по развитию MANET можно выделить труды S.V. Krishnamurthy, A. Mukherjee, В.В. Баринова. Основным преимуществом технологии построения MANET систем является быстрое развертывание на заданной территории и организация каналов передачи информации непосредственно между подвижными узлами сети, что позволяет создавать инфокомуника-ционные системы для обслуживания транспортных объектов. На современном этапе развития в MANET не обеспечиваются требования к качеству передаваемого трафика QoS (Quality of Service) по критериям времени задержки и вероятности потери информационного пакета во время оказания услуг голосовой и видео связи большому количеству пользователей. Невыполнение требований QoS существенно затрудняет использование принципов работы MANET при построении ИКС для обслуживания транспортных магистралей. Как описывается в работах P.Mohapatra (University of California, Davis), S.V. Krishnamurthy (University of California, Riverside), R. Shorey (IBM Research Indian Institute of Technology), A. Ananda, M. G. Chan, W. Tsang (National University of Singapore) MANET рассматриваются как отдельный класс ИКС. Протоколы сетевого и канального уровней MANET разрабатывались заново. Принципы, заложенные в MANET, распространяются на ИКС с площадью развертывания в пределах 2-3 кв. км. при скорости передачи данных между узлами в пределах 512 кбит/с. Дальнейшим этапом развития MANET систем является построение ИКС с ДТС для обслуживания объектов транспорта, при скорости передачи информации более 2 Мбит/с, и последующей интеграцией с ИКС общего пользования. Внедрение технологии MANET в структуру ИКС общего пользования требует разработки нового или модернизации существующего программного обеспечения по исследованию и проектированию ИКС в области моделирования динамических структурных составляющих. Новые программы или модули для программ по проектированию ИКС для обслуживания транспорта должны быть основаны на алгоритмах и математических моделях, позволяющих производить разработку и исследование ИКС с ДТС, имеющих зону развертывания, по площади сравнимую с площадью транспортных магистралей, таких, как водные или железнодорожные пути. Обеспечение быстрого поиска решений во время моделирования обеспечивается использованием эффективных численных методов поиска параметров, необходимых в процессе проектирования системы.
Цель работы. Разработка математической модели, алгоритмов и программ, основанных на использовании эффективных численных методов, позволяющих оценивать работу крупномасштабных инфокоммуникационных систем с динамической топологией сети.
Объектом исследования являются ИКС с ДТС.
Предметом исследования являются математические модели ИКС с ДТС
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
анализ математических моделей топологии сети ИКС с ДТС; построение новой математической модели процесса оценки работы ИКС с ДТС;
разработка алгоритма оценки качества работы ИКС с ДТС; разработка алгоритма, основанного на использовании численных методов для автоматической расстановки сетевых статических узлов вдоль транспортной магистрали;
разработка программного обеспечения для изучения влияний перемещения сетевых узлов на качество передаваемого трафика в ИКС с ДТС;
оценка параметров трафика ИКС в зависимости от скорости перемещения сетевых узлов с помощью разработанного программного обеспечения.
Методы исследования. При построении математической модели использованы методы теории графов и аналитической геометрии, а для исследования и оценки ИКС с ДТС использовались методы теории вероятности и математической статистики, а также имитационное и аналитическое моделирование.
При выполнении работы применялся программный комплекс Network Simulator, а также программы визуализации Network Animator и TraceGraph, которые обеспечивали надежность и корректность расчетов характеристик телекоммуникационного трафика. Научная новизна.
В ходе выполнения исследований автором разработаны новые математические модели, алгоритмы и программы:
Математическая модель для оценки ИКС, отличающаяся от известных моделей переводом изменений топологии системы из пространственной области во временную, что позволяет ИКС с динамической и статической топологиями сети представить как единое целое и последующим исследованием процесса передачи трафика, в результате на выходе модели формируется решение о годности или не годности ИКС для покрытия заданной зоны обслуживания.
Проблемно-ориентированный программный продукт, предназначенный для интерпретации топологических изменений структуры сети ИКС в пространстве в матрицу изменения состояния структуры сети ИКС во времени.
Алгоритм оценки качества работы ИКС с ДТС, отличающийся от известных алгоритмов исследования ИКС с ДТС последовательным использованием аналитического и имитационного моделирования, а также экспертной оценки.
Итеративный алгоритм автоматической расстановки сетевых статических узлов вдоль транспортной магистрали, отличающийся от известных алгоритмов совокупным использованием численных методов в области решения уравнений и интегрирования.
На защиту выносятся следующие основные положения:
математическая модель оценки ИКС по результатам аналитического моделирования процесса перемещения узлов и имитационного моделирования процесса передачи трафика;
алгоритм оценки качества работы ИКС с ДТС;
итеративный алгоритм автоматической расстановки сетевых статических узлов вдоль транспортной магистрали;
программное обеспечение для оценки результатов расчета параметров оборудования, используемого в ИКС с ДТС.
Практическая значимость. На основании разработанной математической модели и алгоритма созданы программы «Система моделирования динамической топологии сети связи» св-во о гос. per. №2008611124 и «Программа расчета времени доступа к канальному ресурсу в системе связи с динамической топологией сети» св-во о гос. per. №2010613881, а также доработана среда имитационного моделирования «Network Simulator», что позволяет проектировать ИКС с ДТС, предназначенные для обслуживания транспортных объектов.
Совокупность результатов, полученных в ходе выполнения исследований, является научной основой для разработки систем автоматизированного проектирования по расчету ИКС, предназначенных для обслуживания транспортных объектов с минимально возможным использованием каналов спутниковой связи.
Разработанный алгоритм оценки качества работы ИКС с ДТС используется в Астраханском региональном отделении поволжского филиала ОАО «Мегафон».
Имитационная составляющая разработанной математической модели оценки ИКС внедрена в учебный процесс Астраханского государственного технического университета и используются при изучении дисциплин «Цифровые сети интегрального обслуживания» и «Цифровые сети с интеграцией служб».
Использование результатов исследований подтверждается актами о внедрении.
Диссертация выполнена в рамках НИР кафедры «Связь» АГТУ: «Анализ и синтез элементов и устройств инфокоммуникационных, информационно-измерительных систем и систем управления» номер гос. per.: 01200406708; «Перспективные высокоскоростные телекоммуникационные системы», номер гос. per.: 01200810269.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на международных и всероссийских научных конференциях: «Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций» С.Петербург 2008.; «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ 20-22; «Микроэлектроника и информатика» Москва, Зеленоград 2007, 2009г.; IX международной конференции Проблемы Техники и Технологии Телекоммуникаций ПТиТТ, Казань 2008г., на научно-технических конференциях АГТУ Астрахань 2006-2011гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ: 6 статей в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ, одна монография, 6 -статей в межвузовских научных сборниках, сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций, 2 патента на изобретение, 2 св-ва о гос. per. программы для ЭВМ.
Личный вклад автора и роль соавторов. Основные результаты работы, теоретические выкладки, положения и выводы, выносимые на защиту, принадлежат лично соискателю. Роль соавторов в совместных публикациях заключается в следующем: Дмитриеву В.Н. принадлежит постановка задач исследований, Пищин О.Н., занимался вопросами электромагнитной совместимости в ИКС с ДТС, Лосев Н.Н. занимался вопросами отладки программного пакета Network Simulator, Перов A.A. и Мансуров Т.Н. занимались интерпретацией разработанных автором положений в программный код языков программирования высокого уровня. Полученные ими результаты опубликованы в совместных статьях. Все соавторы принимали участие в обсуждении результатов исследований и написании выводов по работам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Объем диссертационной работы: 120 страниц. К диссертации прилагаются акты о внедрении результатов исследований в производственный и учебный процесс, копии описаний полученных патентов и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
