Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшим фактором в решении задач по повышению производительности труда, интенсификации производства, улучшению жизни является развитие информационно-вычислительных систем различного назначения.
При этом количественные и качественные требования к сбору, обработке и доставке информации пользователям непрерывно возрастают. Данный сложный комплекс проблем должна решать такая объемная область фундаментальных и прикладных знаний, как информатика. Именно данное направление в значительной степени определяет новый этап научно-технической революции.
Еще в начале 60-х годов академик А.А.Харкевич высказал гипотезу, что количество информации, которую необходимо собирать, обрабатывать и доставлять в нужное время и место растет пропорционально квадрату промышленного роста. Особенно актуальным становятся разработки в сфере доставки информации пользователям.
Рост зависимости промышленного производства страны от источников информации (экономической, научной, политической, военной и т.д.), а также от средств переработки и передачи информации привело к формированию на рубеже 1980-х годов нового понятия -национальных информационных ресурсов, которые становятся новой экономической категорией.
По данным ЮНЭСКО более половины трудоспособного населения развитых стран принимает участие в процессе производства и распределения информации.
Общество производит и потребляет разные виды информации, а для доставки использует различные информационные сети (телефонное, телеграфные, сети передачи данных, сети ЭВМ и т.д.). Данное разнообразие сетей становится технически и экономически невыгодным.
В связи с этим актуальны фундаментальные и прикладные научно-исследовательские работы в области создания цифровых сетей интегрального обслуживания (СИО).
Создание сетей, интегрального обслуживания обусловлено во-первых, ростом объемов дискретной информации, передаваемой по сетям связи; во-вторых, преимуществами цифровых методов передачи и коммутации; в-третьих, достижениями в области техники цифровой многоканальной связи, микроэлектроники и вычислительной техники.
Цифровые методы передачи, обработки и коммутации обеспечивают высокие показатели помехоустойчивости, надежности, а также унификацию систем передачи и коммутации. Кроме того, широкие возможности для интеграции различных видов связи.
Среди проблем, связанных с концепцией построения сетей интегрального обслуживания необходимо выделить задачи выбора структуры сети, алгоритмы коммутации и управления обменом информации.
При этом информация должна быть передана с соблюдением норм качества. Для решения столь сложных задач необходимы разработки теоретических основ формирования моделей функционирования.
С учетом выше сказанного, научная проблема формируется, как проблема анализа вероятностно-временных характеристик узлов коммутации и сетей интегрального обслуживания, как наиболее важнейших качественных характеристик функционирования сетей. А также синтез топологии сетей интегрального обслуживания по критерию минимизации вероятностно-временных характеристик, как главных при принятии решения выбора маршрутов в широкополосных сетях.
Цель исследования. Целью исследования является разработка методов анализа и синтеза широкополосных систем и сетей связи на основе использования тензорного исчисления и теории массового обслуживания.
Для достижения цели в диссертации решены следующие задачи:
обосновано использование нового для теории сетей связи математического аппарата, наиболее адекватного решаемой проблеме - тензорного анализа, теории групп преобразования и их инвариантов;
разработаны основы тензорного описания широкополосных сетей интегрального обслуживания;
разработан метод синтеза топологии широкополосной сети интегрального обслуживания на обнове метрического тензора;
разработан метод анализа вероятностно-временных характеристик широкополосных сетей на основе тензорного исчисления;
разработан метод анализа характеристик надежности широкополосных сетей и систем на основе тензорного исчисления;
разработан метод совместного анализа и синтеза вероятностно-временных характеристик, характеристик качества и стоимостных характеристик на основе многомерных матриц перехода в тензорном представлении;
разработан метод анализа вероятностно-временных характеристик широкополосных систем и узлов связи с ограниченным накопителем при произвольном распределении времени обслуживания;
разработан метод анализа вероятностно-временных характеристик широкополосных систем и узлов связи с ограниченным накопителем для не пуассонов-ских распределений входных потоков;
разработаны практические приложения метода синтеза и анализа широкополосных систем и сетей для инженерных расчетов;
разработаны рекомендации по использованию научных выводов.
Методы исследования. В процессе решения задач для достижения поставленной цели в качестве аппарата исследований использованы:
теория матриц, векторного и тензорного анализа;
теория массового обслуживания;
теория сигналов;
теория передачи дискретных сообщений;
теория вероятностей;
теория групп преобразований и их инвариантов;
методы статистического моделирования.
Правильность теоретических положений подтверждена моделированием и расчетами на ЭВМ, экспериментальными исследованиями.
Научная новизна работы определяется теоретическим обобщением и созданием новых методов анализа и синтеза широкополосных сетей и систем связи. При этом получены следующие новые результаты:
-
На основе тензорного анализа рассмотрен вопрос исследования вероятностно-временных характеристик широкополосных сетей интегрального обслуживания. Достоинством метода является возможность анализа сетей любой сложности и размерности.
-
Разработаны основы синтеза топологии широкополосных сетей интегрального обслуживания на основе тензорного анализа по заранее заданным характеристикам качества функционирования сети.
-
На базе тензорного исчисления разработан метод анализа и синтеза характеристик надежности сетей интегрального обслуживания и их элементов.
-
Разработан метод анализа и синтеза по нескольким характеристикам одновременно на основе использования многомерного тензора.
-
Разработан метод, позволяющий получить аналитические выражения для расчета среднего времени задержки в однолинейной системе массового обслуживания при пуассоновском входном потоке требований и произвольной функции распределения времени обслуживания.
-
Разработан метод расчета вероятностно-временных характеристик для неоднородного потока требований на входе систем.
-
Разработан метод расчета вероятностно-временных характеристик в системах массового обслуживания при произвольном законе распределения входного потока требований.
-
Разработан метод исследования вероятностно-временных характеристик узлов коммутации широкополосных сетей интегрального обслуживания при применении систем передачи данных с различными алгоритмами обслуживания.
-
На основе исследований, изложенных в диссертации, создан способ передачи сообщений и три устройства его реализации.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Основы тензорной теории широкополосных сетей.
-
Основы тензорной теории анализа вероятностно-временных характеристик сетей и узлов широкополосных сетей и систем связи.
-
Основы анализа вероятностно-временных характеристик однолинейных систем массового обслуживания.
-
Основы анализа вероятностно-временных характеристик узлов при использовании систем передачи информации с различными алгоритмами обслуживания сообщений.
-
Основы анализа вероятностно-временных характеристик узлов коммутации при использовании систем передачи информации с учетом повторного обслуживания.
-
Прикладные результаты диссертационной работы, представлены в форме:
а) аналитических выражений для расчета вероятностно-временных характе
ристик широкополосных сетей.
б) аналитических выражений для расчета характеристик надежности широ
кополосных сетей.
в) аналитических выражений расчета вероятностно-временных характери
стик однолинейных систем массового обслуживания.
г) инженерных методик расчета характеристик качества узлов коммутации
широкополосных сетей интегрального обслуживания
д) способа передачи информации и устройств его реализации.
Практическая значимость результатов и рекомендации по по использованию научных выводов
Диссертация выполнена на базе плановых хоздоговорных НИР, госбюджетных НИР и НИР по договорам о содружестве и передаче научно-технических достижений, проводимых для ряда НПО и НИИ Министерства связи и МЭП России.
При участии диссертанта в научно-исследовательских лабораториях кафедры "Автоматическая электросвязь" Сибирской государственной академии телекоммуникации и информатики выполнены работы по расчету характеристик качества систем и узлов коммутации при приоритетном обслуживании в реальном масштабе времени.
Созданы устройства для реализации способа передачи информации в широкополосных сетях интегрального обслуживания.
В исследовательских лабораториях Санкт-Петербургского института связи разработан способ передачи информации и разработаны основные положения метода анализа вероятностно-временных характеристик сетей связи.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургском электротехническом институте связи им. М.А.Боич-Бруевича (1980-1982). В курсовых и дипломных работах в Сибирской государственной академии телекоммуникации информатики (1984-1992).
Результаты работы также внедрены в учебный процесс в Красноярском государственном техническом университете.
В 1993 г. диссертантом разработаны курсы лекций "Современные информационные технологии" и "Сети интегрального обслуживания" для подготовки студентов и аспирантов в Красноярском государственном техническом университете, для углубленной подготовки в области практических приложений тензорных методов анализа и синтеза широкополосных сетей связи.
Под руководством диссертанта создан цикл лабораторных работ по данным дисциплинам. Осуществлено руководство ряда дипломных работ, в которых нашли отражений вопросы диссертации.
Рекомендации но использованию научных выводов
Получеігаьіе в диссертации научные выводы позволяют дать следующие рекомендации по их использованию.
-
Сформулированный в третьем разделе вывод о возможности применения тензорной теории для анализа сетей связи позволяет рекомендовать ее для анализа характеристик качества существующих сетей связи любой размерности.
-
Вывод о том, что тензорная модель сети позволяет синтезировать топологию сети по заранее заданным критериям, может быть использована для выбора оптимальных структур проектируемых широкополосных сетей интегрального обслуживания.
-
Тензорная методология может использоваться и для решения других задан в сетях, например, в управлении потоками информации,
-
Вывод о использовании многомерного тензорного анализа для решения задач анализа и синтеза сетей и систем передачи информации позволяет рекомендовать его для анализа и синтеза сетей интегрального обслуживания по ряду критериев оптимальноста одновременно.
-
Разработанный в разделе четыре метод анализа вероятностно-временных характеристик в системах массового обслуживания с ограниченной очередью, позволяет получить аналитические выражения для времени задержки и вероятность переполнения накопительных устройств узлов коммутации сетей интегрального обслуживания при различных способах обслуживания сообщений.
-
Разработанный в разделе пять метод анализа вероятностно-временных характеристик в коїщегпраторах сетей шггефального обслуживания рекомендуются для инженерных расчетов характеристик при использовании широкополосных систем передачи информации.
-
Разработанный в разделе шесть метод анализа вероятностно-временных характеристик в узлах коммутации с учетом повторного обслуживания рекомендуется для инженерных расчетов среднего времени задержки и вероятности по-
терь из-за переполнения накопительных устройств в узлах сетей интегрального обслуживания с учетом того, что часть ранее обслуженных сообщений поступит на повторное обслуживание
8. Предложенный способ повышения достоверности передачи информации и устройства его реализации рекомендуется использовать для передачи информации на участке абонент-концентратор в сетях интегрального обслуживания, а также в широкополосных системах передачи информации
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались в течении 1978-1996 гт. и получили одобрение на трех международных, 12 Всесоюзных и Российских, 8 региональных конференциях, совещаниях, симпозиумах и школах-семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы, в том числе 4 авторских свидетельства. Основные результаты исследования получены автором лично. Вклад автора в совместные публикации указан в примечаниях к списку опубликованных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения на 269 стр. машинописного текста, приложения с актами использования результатов исследования и содержит 29 рисунков и библиографию, включающую 228 наименований.
Состояние проблемы и задачи исследования
Исследование телефонных сетей осуществляется довольно давно. В этой области получены существенные результаты. Создана целая теория специально для решения данных вопросов - "теория телетрафика". В ее формирование внесли большой вклад многие ученые. Хорошо известны работы А.К.Эрланга, Т.Энгсета, К.Пальма, Г.0"Делла, Т.Фрайя.
Всемирно известна отечественная школа исследователей: Лившиц Б.С, Ба-шарин Г.П., Шнепс М.А., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. и др.
Однако результаты, полученные для телефонных сетей, пе нашли применение для анализа сетей передачи данных и широкополосных систем передачи, которые появились в 1970-е годы.
Поэтому исследования сетей передачи данных и использование в них широкополосных систем передачи информации продолжилось на основе результатов теории телетрафика и теории массового обслуживания.
Широко известны работы таких авторов: Захаров Г.П., Чугреев О.С., Яновский Г.Г., Самонленко СМ., Лазарев В.Г., Якубайтис Э.А., Шувалов В.П., Аваков Р.А., Л. Клейнрок, Советов Б.Я., Саати Т. и др.
Появление сетей передачи данных (СПД) позволило решить задачу обмена информацией между ЭВМ и человеком, а также между ЭВМ. При этом сети позволили предоставить новые формы обслуживания пользователям: обработка и доступ к банкам данных, использование информационно-вычислительных систем (ИВС) и автоматизированных систем управления (АСУ) различных уровней.
Отдельное направление теории и практики составили локальные сети.
Однако в последнее время ярко выражена тенденция на совмещение всех видов обслуживания в единой сети, получившей название сети интегрального обслуживания (СИО). По оценкам ведущих отечественных и зарубежных специалистов это генеральная линия развития информационных сетей в последний период.
В настоящее время сети интегрального обслуживания среднескоростные (40-2048 Кбит/сек) создаются во Франции; ФРГ; США; Японии, Италии и т.д.
Однако обслуживание с данной скоростью уже не устраивает ни создателей сетей, ни пользователей. Дальнейшая интеграция телефонии, передачи данных, передачи текстов, факсимильной связи, передачи подвижных изображений с использованием скоростей передачи цифровой информации 140 Мбит/сек.
Дальнейшее развитие будет осуществляться в повышении скорости передачи и формировании новых видов передаваемой информации
К 2020 г по сетям ожидается передача двух видов информации: трехмерное изображение и электронная почта.
При этом возникают совершенно новые проблемы в формировании трафика и способов обслуживания заявок в широкополосных сетях интегрального обслуживания при использовании большого числа широкополосных систем передачи информации по коммутируемым системам
Такие сети должны будут на первом этапе обслуживать до 80 видов информационных потоков при различных способах обслуживания передаваемой информации в узлах коммутации.
Особое место занимают качественные показатели. Требования к таким важнейшим из них, как время задержки сообщений (от 200 мсек. до 10 сек.) и вероятность потерь сообщений от 10"3 до 10"п. При этом узлы коммутации можно представить как системы массового обслуживания с ограниченной очередью.
Однако в теории массового обслуживания системы с ограниченной очередью не имеют аналитических результатов, кроме системы с пуассоновским входным потоком и экспоненциальным распределением времени обслуживания.
Поэтому в соответствии с поставленной целью основными задачами диссертации являются:
-
Разработка математических моделей исследования вероятно-временных характеристик широкополосных сетей интегрального обслуживания на базе новой методологии - тензорного анализа.
-
Разработка методов синтеза и анализа широкополосных сетей интегрального обслуживания.
Совокупность исследований классифицируется, как разработка теоретических положений, совокупность которых может квалифицировать, как новое крупное научное достижение в развитии перспективного направления в области синтеза и анализа широкополосных сетей интегрального обслуживания.
Похожие диссертации на Анализ и синтез вероятностно-временных характеристик широкополосных систем и сетей передачи информации
