Введение к работе
з
Актуальность темы. В последнее время все большее внимание уделяется проблемам анализа информационных систем передачи информации, в частности, пакетных радиосетей. Это обусловлено растущими потребностями в обслуживании мобильных абонентов связи. Упрощенно пакетную радиосеть можно представить в виде совокупности узлов коммутации, соединенных между собой беспроводными линиями связи. Во многих случаях пакетные радиосети предусматривают возможность промежуточного хранения информации в специальных устройствах накопления узлов коммутации.
Отличительной особенностью пакетных радиосетей является широкое использование единого канала передачи информации несколькими узлами сети. Поэтому если несколько узлов пытаются передавать информацию одновременно и в одном частотном диапазоне, на приемной стороне произойдет искажение сигналов, что будет обуславливать довольно большую вероятность ошибочного приема информации. Наличие данной проблемы множественного доступа обуславливает наличие определенной степени взаимовлияния различных путевых потоков, пронизывающих сеть. Взаимовлияние выражается в наличии непосредственной связи между приращением интенсивности некоторого путевого потока и соответствующим изменением длины очереди в узле коммутации, через который данный путевой поток не проходит. В связи с этим задача нахождения оценки такого взаимовлияния, которую можно назвать чувствительностью длин очередей по отношению к приращениям путевых потоков, для пакетных радиосетей является достаточно актуальной, поскольку на ее основе можно судить о степени близости состояния данного узла к предельному состоянию, при котором длина очереди в нем неограниченно растет. Сама постановка задачи и способ ее решения тензорным методом являются новыми и выносятся на защиту. Попытка распространения тензорной методологии на область анализа и синтеза сетей передачи данных рассматривалась и ранее, однако одни подходы касались вопросов надежности проводных сетей, а другие не учитывали вероятностный характер процессов передачи и хранения информации, опираясь на детерминированную модель сетевого трафика.
Кроме проблемы множественного доступа для пакетных радиосетей имеет место сложный и изменчивый во времени характер распространения сигналов по линиям связи. Действительно, в линиях связи пакетной радиосети часто
4 присутствуют явления многолучевого распространения радиоволн, что приводит к замираниям сигнала. Это может существенно ухудшить помехоустойчивость и, соответственно, эффективность передачи информации, что, в свою очередь, спровоцирует рост длин очередей. Поэтому одной из приоритетных задач, возникающих на этапе проектирования и эксплуатации информационных систем радиофизическими методами, является организация и поддержание такого режима функционирования сети, который был бы оптимален в плане некоторого заранее выбранного критерия. При этом алгоритм, применяемый на этапе проектирования сети, в силу непостоянства параметров линии связи должен иметь адаптивный вариант, который являлся бы работоспособным непосредственно при работе (эксплуатации) сети.
В качестве примера можно привести задачу оптимальной альтернативной (многопутевой) маршрутизации, подробно рассмотренную в отечественной и зарубежной литературе. Правило маршрутизации, оптимальное по критерию минимума средней задержки по сети, позволяет снизить время ожидания пакетов в очередях. Другим примером повышения эффективности может служить оптимальное распределение мощностей излучения по исходящим линиям связи многоканальных узлов коммутации радиосети. Значение мощности излучения по конкретной линии определяет помехоустойчивость приема информации узлом-получателем, что, в свою очередь, характеризует число повторных передач и, следовательно, длину очереди на передачу по данной линии. Поэтому эффективное распределение мощности по исходящим линиям связи позволяет производить выравнивание качества передачи информации по всем исходящим линиям и уменьшение числа пакетов в очередях выбранного узла коммутации. Проблема оптимального распределения мощности излучения касается и OFDM-систем, для которых необходимо добиться наивысшей пропускной способности путем распределения суммарной излучаемой мощности по подканалам. Для решения вышеперечисленных задач необходимо использовать итеративные методы условной оптимизации, которых к настоящему моменту существует довольно много. Однако многие из них, применяемые на практике, сложны в реализации или требуют достаточно большого числа итераций, что, безусловно, является их минусом. В настоящей диссертации разработан новый алгоритм условной оптимизации, который работает существенно быстрее своих аналогов и довольно прост в реализации. Предложенный алгоритм, а также тензорный метод его реализации, являются новыми и выносятся на защиту.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки и внедрения новых эффективных радиофизических методов анализа и оптимизации телекоммуникационных систем при наличии случайных искажений, используя тензорную методологию.
Цель работы. Целью исследования является внедрение тензорной методологии для анализа и оптимизации процессов хранения и передачи информации в информационных системах при наличии искажений и замираний сигналов в линиях связи. Для этого в работе решаются следующие задачи:
Постановка и решение задачи оценки чувствительности длин очередей пакетной радиосети вследствие малых изменений средних интенсивностей путевых потоков;
разработка нового алгоритма условной оптимизации при наличии ограничений и описание тензорной методики его реализации;
разработка адаптивного алгоритма оптимизации при использовании непосредственно в процессе работы системы;
сравнение разработанных алгоритмов с существующими аналогами с помощью имитационного моделирования на ЭВМ;
решение задачи оптимальной альтернативной маршрутизации по критерию минимума средней задержки пакета в информационной сети при наличии замираний в каналах связи;
постановка и решение задач оптимального распределения мощности излучения по исходящим линиям связи многоканального узла коммутации по критерию минимума среднего числа повторных передач на один пакет при наличии замираний различного вида и для различных схем модуляции сигналов;
решение задач оптимального распределения мощности излучения по подканалам OFDM-системы по критерию максимума суммарной пропускной способности системы при наличии замираний, описываемых различными моделями.
Методы проведения исследования. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовались методы математического аппарата статистической радиофизики, теории массового обслуживания, теории нелинейного программирования, тензорного анализа и методы имитационного моделирования.
Научная новизна. Впервые произведено приложение тензорного метода для анализа чувствительности длин очередей и оптимизации процессов передачи и хранения информации при различных моделях передачи радиосигналов по каналам связи. Впервые описан метод условной оптимизации при наличии ограничений, который учитывает особенности распространения радиоволн в каналах передачи информации. Этот метод позволяет осуществить оптимизацию структур радиосетей, работающих в различных частотных диапазонах и использующих различные радиоканалы.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты, впервые полученные в данной работе:
новая модель узла коммутации, представляющая его в виде аналога электронного усилительного прибора, позволяет представить пакетную радиосеть в виде совокупности соединенных определенным образом четырехполюсников и анализировать такую сеть тензорным методом. Целью анализа является нахождение чувствительности длины очереди некоторого выбранного узла коммутации по отношению к малым изменениям некоторого путевого потока;
новый алгоритм условной оптимизации при наличии ограничений, основанный на энергетическом подходе к анализу сети, позволяет оптимизировать сети произвольного типа, для которых имеется выпуклая целевая функция и линейные ограничения как следствие закона сохранения потока. Алгоритм Франка-Вольфа и производный от него алгоритм отклонения потока, а также некоторые проекционные градиентные методы, в ряде случаев сходятся медленнее предложенного алгоритма. Предложенный алгоритм реализуется за одну итерацию при квадратичном виде целевой функции;
предложенный алгоритм оптимизации имеет адаптивную реализацию и может быть использован непосредственно при работе сети на основе периодических отсчетов целевой функции, когда аналитический вид или некоторые ее параметры неизвестны;
применение разработанного алгоритма оптимизации для задач оптимальной маршрутизации и распределения мощности излучения сигналов в телекоммуникационных системах при наличии замираний сигнала в линиях связи.
Практическая ценность. В результате разработки новой модели узла коммутации и применения ее для нахождения чувствительности длин очередей в пакетных радиосетях появляется возможность оперативно оценить состояние всех узлов и выявить наиболее уязвимые участки, на которых может возникнуть перегрузка, и предотвратить эту ситуацию с помощью внесения корректив в алгоритм маршрутизации. В результате разработки нового алгоритма условной оптимизации при наличии ограничений появилась возможность использовать его для оптимизации сетевых структур, предполагающих многопутевое распространение потока от отправителя к адресату и наличие случайных искажений в каналах связи. В качестве приложения алгоритма к телекоммуникационным сетям можно рассматривать задачи маршрутизации и распределения мощности, а также другие задачи, которые могут быть сформулированы исследователем при условии, что они опираются на сетевую модель и закон сохранения потока в сети.
Личный вклад автора.
В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи и определение направлений, в которых нужно вести исследования. Подробное проведение рассуждений, доказательств и расчетов принадлежат автору.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на
XII, XIII, XIV международных научно-практических конференциях «Радиолокация, Навигация, Связь.» (г. Воронеж) в 2006, 2007, 2008 г.;
Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь - 2005». - Воронеж, Воронежский институт МВД РФ, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 работы - в Журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 43 наименования. Включает 26 рисунков и 8 таблиц. Общий объем работы 119 листов.
