Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей информационного обмена в радиосети АСУ ПН и задача оптимизации процедуры ГОСТ в такой радиосети 13
1.1 Анализ структуры информационной сети АСУ промышленного назначения с подвижными объектами 13
1.2 Особенности построения и функционирования перспективных информационных радиосетей, используемых в интересах АСУ ПН ПО 17
1.3 Системный анализ особенностей перспективной радиосети. Постановка задачи исследования 20
Выводы по первому разделу 32
2 Математическая модель процесса ГОСТ в перспективной радиосети АСУ ПН с учетом совместного функционирования служебных и рабочих каналов 34
2.1 Разработка математической модели запросно-вызывного канала со случайным множественным доступом для конечного числа разнородных абонентов 37
2.2 Разработка математической модели подсистемы распределения рабочих каналов 48
2.3 Разработка комплексной математической модели процесса предоставления каналов по требованию в мультисервисной радиосети 62
2.4 Результаты моделирования. Оптимизация распределения общего коммуникационного ресурса для повышения оперативности информационного обмена в радиосети с предоставлением каналов по требованию 74
Выводы по второму разделу 84
3 Методика оптимизации использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ ПН, функционирующей в режиме ПКТ, в условиях динамики трафика абонентов 86
3.1 Перераспределение общего изменяемого КР между служебными и рабочими каналами как способ повышения оперативности информационного обмена абонентов в условиях динамики их трафика 86
3.2 Подготовка исходных данных. Статистическая оценка параметров системы предоставления каналов по требованию 93
3.2.1 Обоснование интервала наблюдения (измерения) параметров процесса предоставления каналов по требованию 93
3.2.2 Определение параметров законов распределения характеристик запросно-вызывного канала 95
3.2.3 Оценка интенсивности парциального первичного трафика абонентов радиосети 96
3.3 Алгоритм перераспределения изменяемого доступного коммуникационного ресурса радиосети между служебными и рабочими каналами в условиях динамики первичного трафика... 100
Выводы по третьему разделу 112
Заключение 114
Список используемой литературы 121
- Особенности построения и функционирования перспективных информационных радиосетей, используемых в интересах АСУ ПН ПО
- Системный анализ особенностей перспективной радиосети. Постановка задачи исследования
- Разработка комплексной математической модели процесса предоставления каналов по требованию в мультисервисной радиосети
- Подготовка исходных данных. Статистическая оценка параметров системы предоставления каналов по требованию
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Основу могущества любого государства составляет его экономика, базирующаяся на эффективной современной промышленности в основных её отраслях. В свою очередь, современные промышленные производства, как правило, оказываются сложными и включают в себя совокупность разнородных процессов, завязанных в единую технологическую цепь. Это справедливо для металлургии и химической промышленности, нефте- и газодобычи с её транспортной системой, предприятий автопрома, энергетических сетей, огромных рудных и угольных разрезов, объектов атомной промышленности и коммунального хозяйства крупных городов. Особенностью современных производств и их инфраструктуры является значительная территориальная рассредоточенность объектов, включенных в единый технологический цикл.
Для АСУ производственными объединениями характерны распределенные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществляться с использованием пакетной радиосети, выполняющей функцию средств телекоммуникации в системе в целом. Примером таких АСУ являются АСУ ОАО «Газпром», «Роснефть», АСУ «Выборы», АСУ МЧС и АСУ силовых министерств и ведомств.
АСУ территориально распределенными объектами имеют ряд общих особенностей, которые позволяют выделить для исследования новый объект - АСУ промышленного назначения (АСУ ПН), и на его базе провести обоснованный анализ и синтез ее информационной сети. Как правило, в АСУ ПН значительная часть звеньев управления (ЗУ) являются подвижными объектами (ПО). Необходимость обеспечения высокой динамики управления различными ПО в современных изменяющихся условиях требует совершенствования как АСУ ПН в целом, так и ее информационной сети связи, являющейся материальной базой управления.
Основу информационной сети для АСУ ПН территориально распределенных ПО составляет система радиосвязи метрового диапазона, спутниковая на базе подсистемы спутниковой связи, тропосферная, а также KB связь. Наиболее востребованной составляющей общей системы радиосвязи АСУ ПН с ПО является система КВ радиосвязи, которая базируется на различных приемо-передающих комплексах (ППК).
Информационные сети АСУ ПН, в основном, являются иерархическими сетями, имеющими рокадные связи, а также сетями решетчатой структуры. Скорости передачи информации радиоканалов, соединяющих узлы сети АСУ ПН, как правило, лежат в пределах от 1,2 кбит/с до 16 кбит/с.
В настоящее время промышленностью РФ ведутся работы по созданию перспективных цифровых ППК КВ диапазона, обеспечивающих передачу разделяемого по времени потока информации со скоростью до 16 и даже 19,2 кбит/с. Его особенностью является то, что, во-первых, его пропускная способность (коммуникационный ресурс) есть цифровые потоки информации (по передаче и приему), во- вторых, эта пропускная способность является ресурсом, разделяемым во времени (по передаче) и разделяемым по времени и по пространству (по приему), в-третьих, формирование сигналов на передающей стороне и их прием и обработка на приемной стороне осуществляется методами цифровой обработки сигналов, в-четвертых, обеспечение заданной помехозащищенности радиоканалов осуществляется за счет использования широкополосных сигналов (ШПС), реализуемых способом псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ).
В потенциале такая система способна обеспечить радиосвязь любых стационарных и ПО в рамках контура управления рассматриваемой АСУ ПН при сравнительно небольших излучаемых мощностях (-100 Вт). Применение современных антенн с технологией MIMO позволяет избежать в декаметровом диапазоне «мертвых» зон. Использование псевдослучайной перестройки рабочих частот (ППРЧ) в декаметровых радиоканалах в сочетании с адаптацией по частоте позволяет получить коэффициент готовности направления связи 0,99 и выше даже в условиях по- меховых воздействий. Использование перспективных сигнально-кодовых конструкций (СКК) и цифровых методов их формирования и обработки позволяет в потенциале обеспечить в декаметровом радиоканале пропускную способность до 19,2 кбит/с и более. Все это делает декаметровую радиосвязь чрезвычайно перспективной для применения в сети АСУ ПН.
Данные ППК и системы радиосвязи должны формировать первичную сеть связи для вторичных сетей территориально распределенных ПО: информационную сеть ЗУ АСУ ПН, вторичную сеть оперативного речевого управления (ОРУ), вторичную сеть межкомпьютерного обмена (МКО).
Переход в сети АСУ ПН на перспективные радиосредства позволит увеличить суммарную пропускную способность информационной сети более чем в 2 раза (в пересчете на канал связи со скоростью 1,2 кбит/с). В то же время применение современных информационных технологий, используемых для построения АСУ ПН, приводит к значительному увеличению объема информационных потоков между ЗУ и, соответственно, в перспективной радиосети АСУ ПН. При этом жесткие требования по вероятностно-временным характеристикам доведения информации, предъявляемые ЗУ АСУ ПН, однозначно приводят к требованию выделения им перспективной радиосетью нужного числа закрепленных каналов с фиксированной минимально достаточной пропускной способностью. Следствием указанного факта является невозможность предоставить остальным абонентам информационной сети (ОРУ и МКО) закрепленные каналы, которые бы обеспечили требуемые характеристики информационного обмена. Таким образом, возникает задача обслуживания абонентского трафика сети АСУ ПН с приемлемым качеством в условиях нехватки общего коммуникационного ресурса радиосети связи.
Как известно, существует два пути решения данной задачи: либо организация случайного множественного доступа (СМД), либо предоставление каналов по требованию (ПКТ). Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим числом низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в подобных сетях исчисляется сотнями и тысячами единиц. Однако, протоколы случайного доступа не гарантируют заданное качество обслуживания (Quality of Service, QoS).
Протоколы предоставления каналов по требованию (Demand Assignment Multiple Access, DAMA), пытаются решить указанную задачу путем организации с главной станции (ГС) радиосети динамического распределения пропускной способности информационной сети в зависимости от требований абонентов. Запросы последних на выделение части коммуникационного ресурса должны быть переданы в адрес ГС до начала передачи пользовательского трафика. Как правило, запросы передаются в режиме СМД. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме - частотного (FDMA), временного (TDMA) или кодового (CDMA) разделения каналов.
Анализ характера трафика абонентов в СПД ПН и требований по ВВХ его обслуживания показывает, что для абонентов ОРУ и МКО в перспективной радиосети должна быть организована процедура ПКТ. Такой подход в настоящее время успешно применяется в системах спутниковой связи (ССС), в мобильной сотовой связи и тран- кинговых системах связи. Как правило, в таких системах общий коммуникационный ресурс (КР) жестко разделен между служебными каналами (СК), которые предназначены для организации процедуры обслуживания абонентов, и рабочими каналами (РК), предназначенными непосредственно для передачи абонентского трафика.
Отметим, что для существующих систем связи с ПКТ характерно, во-первых, наличие достаточно большого общего объема КР, что позволяет заранее назначить требуемое количество СК с учетом возможной динамики абонентской нагрузки, а, во-вторых, наличие большого числа абонентов, позволяющее пренебречь колебаниями входной нагрузки, связанными с началом и окончанием сеансов обслуживания.
В отличие от существующих систем рассматриваемая перспективная радиосеть сеть АСУ ПН ПО характеризуется малым количеством каналов, доступных для распределения (около 15), и относительно небольшим числом абонентов ОРУ и МКО (около 80-100). Кроме того, абонентский трафик не является стационарным, а объем доступного КР радиосети может изменяться в следствие наличия различных помеховых воздействий.
В таких условиях особенно остро стоит задача обеспечения эффективности использования каждой единицы КР. При фиксированном делении коммуникационного ресурса радиосети между служебными и рабочими каналами велика вероятность простаивания СК при перегрузке рабочих каналов (абоненты находятся на обслуживании или в очереди, ожидая начала обслуживания, и не генерируют вызывной трафик) либо обратная ситуация с простаиванием рабочих каналов в условиях блокировки СК. В обоих случаях оперативность информационного обмена заметно снижается. Таким образом, для поддержания нормального режима функционирования перспективной радиосети с ПКТ в условиях динамики трафика и доступного КР необходимо динамически перераспределять КР между служебными и рабочими каналами в зависимости от текущего состояния радиосети.
Вопросам построения радиосетей с ПКТ большое внимание уделено в школах таких ученых как Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Присяжнюк С.П., Камнев В.Е., Черкасов В.В., Чечин Г.В., Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С., Аболиц А.И., Акимов А.А., Белов А.С., Цимбал В.А., Шиманов С.Н., Клейнрок Л., Дэвис Д., Барбер Д., Спилкер Дж., Степанов С.Н., Тепляков И.М., Комашинский В.И., Максимов А.В., Смородов П.С. и другие. Однако вопрос динамического перераспределения общего КР между пулами СК и РК в динамике абонентского трафика с целью обеспечения максимальной оперативности информационного обмена остается открытым.
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: в перспективной системе радиосвязи АСУ ПН ПО, реализующей режим ПКТ с малым общим КР при динамике нагрузки и нестационарности КР вероятными являются ситуации, когда наблюдается либо перегрузка рабочих каналов и простаивание СК, либо перегрузка СК и простаивание рабочих каналов.
Разрешение этого противоречия заключается в разработке научно- методического аппарата динамического перераспределения общего КР между СК и РК в перспективной радиосети с ПКТ АСУ ПН.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертационной работы «Предоставление каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с ограниченным общим коммуникационным ресурсом служебных и рабочих каналов».
Цель работы: повышение оперативности предоставления каналов по требованию абонентам в перспективной радиосети АСУ ПН.
Объект исследования: режим предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ ПН.
Предмет исследования: методики, методы и модели использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в условиях динамики трафика абонентов.
Научная задача: разработка научно-методического аппарата оптимального использования общего изменяемого КР служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ ПН, функционирующей в режиме с ПКТ, в условиях динамики трафика абонентов.
В ходе решения научной задачи были сформированы следующие результаты, представляемые к защите:
-
Математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с учетом совместного использования служебных и рабочих каналов.
-
Методика оптимизации использования общего изменяемого коммуникационного ресурса служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения, функционирующей в режиме предоставления каналов по требованию, в условиях динамики трафика абонентов.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
-
-
Математическая модель процесса предоставления каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с учетом совместного использования служебных и рабочих каналов впервые рассматривает служебные и рабочие каналы как общий перераспределяемый коммуникационный ресурс радиосети, участвующий в информационном обмене разнородных абонентов.
-
Методика оптимизации использования общего изменяемого коммуникационного ресурса служебных и рабочих каналов в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения, функционирующей в режиме предоставления каналов по требованию, в условиях динамики трафика абонентов в отличие от известных позволяет, во-первых, найти оптимальное деление общего КР между СК и РК, обеспечивающее минимум среднего времени обслуживания совокупного абонентского трафика, во-вторых, позволяет поддерживать данное оптимальное деление при динамике трафика и изменении доступного КР. Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью решенных частных подзадач, использованием апробированного математического аппарата теории конечных марковских цепей, теории массового обслуживания, принятых допущений и ограничений, математического моделирования на основе пакета прикладных программ, подтверждается сходимостью аналитических результатов с результатами имитационного моделирования и их непротиворечивостью с фундаментальными положениями известных научных работ и физикой исследуемых процессов и, кроме того, подтверждается получением при определенных условиях и допущениях частных решений, являющихся результатом применения ранее известных методик.
Практическая значимость научных результатов заключается в том, что они доведены до уровня методики, алгоритмов и машинных продуктов и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в программное обеспечение главной и абонентских станций перспективной радиосети с ПКТ АСУ ПН процедуру перераспределения общего КР между СК и РК в условиях динамики совокупного абонентского трафика и изменения общего КР. Использование результатов диссертации позволяет повысить оперативность информационного обмена абонентов ОРУ и МКО перспективной радиосети АСУ ПН до 20%, а также значительно снизить требования к ресурсам вычислительной системы ГС, реализующей данную процедуру, что свидетельствует о высокой реализуемости методики в контуре оперативного управления режимом ПКТ.
Результаты работы реализованы:
-
-
-
В МОУ «ИИФ» при обосновании алгоритмических решений модуля управления доступом модема ППРЧ в рамках ОКР «ППРЧ-ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 04.12.2012 г.).
-
В Военной академии РВСН имени Петра Великого (филиал в г. Серпухов Московской области) в учебном процессе по кафедре «Автоматизированные системы управления» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и телекоммуникации») (акт о реализации ФВА РВСН от 21.12.2012 г.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: 14 НТК различного уровня, в том числе 9 Международного уровня, 4 Всероссийского уровня, 1 Межрегионального уровня. Опубликованы в 24 работах, из них: 20 статей в научно-технических сборниках и журналах, две из которых опубликованы в журнале из перечня ВАК, 3 отчета об ОКР, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка научных источников и приложения, изложена на 139 страницах машинописного текста. Список научных источников содержит 116 наименований.
Особенности построения и функционирования перспективных информационных радиосетей, используемых в интересах АСУ ПН ПО
Для удовлетворения требований, предъявляемых к информационному обмену звеньями управления АСУ ПН ПО, а также абонентами ОРУ и МКО разрабатываются перспективные системы адаптивной KB и УКВ радиосвязи, которые наряду с различными системами спутниковой связи составят основу информационной радиосети АСУ ПН ПО. Построение информационной сети перспективных комплексов на принципах адаптивной системы КВ-УКВ радиосвязи с постоянно перестраиваемой рабочей частотой (ППРЧ) базируется на новых свойствах рассматриваемой системы [101-103,112]: 1. Высокий коэффициент готовности предоставляемого канала связи в орга низованной сети в условиях помеховых воздействий (более 0,99); 2. Высокая пропускная способность (до 19,2 Кбит/с в KB диапазоне и до 64 Кбит/с и более в УКВ диапазоне). 3. Полнодоступность всех абонентов сети к её ресурсам на дальности до 3000 км (или до 10000 км при оснащении радиопередатчиком пиковой мощностью 5 кВт). 4. Возможность одновременного обмена информацией (включая речевую) через один комплект аппаратуры с большим количеством корреспондентов. Максимальное количество одновременно обслуживаемых корреспондентов определяется их требуемой суммарной скоростью работы (как пример, для передачи речи занимается ресурс 1200 бит/с для одного корреспондента, для обмена данными 4800 бит/с для другого корреспондента, 300 бит/с для третьего корреспондента и т.д. до достижения суммарной скорости до 19,2 Кбит/с). Предусмотрен режим динамического распределения ресурса пропускной способности, при котором при обслуживании заявки от одного корреспондента ему предоставляется максимальная скорость. При одновременном обслуживании заявки от двух корреспондентов скорость каждого из них устанавливается в два раза меньше от максимальной и т.д., при этом учитываются требования для каждого корреспондента по минимальной скорости работы. По достижению максимального количества корреспондентов новые заявки становятся в очередь. Допускается одновременная работа между корреспондентами в УКВ (в пределах прямой радиовидимости) и KB диапазоне (в других случаях) с автоматическим выбором диапазона. Это свойство (размен скорости работы на количество каналов) позволяет существенно упростить проблемы нехватки частотного ресурса и электромагнитной совместимости для многоканальных систем радиосвязи. 5. Возможность организации приоритетного занятия радиоканала в случае недостатка ресурсов сети. 6. Возможность обмена информацией (данные и речь) между отдельными (использующие свой набор рабочих частот) сетями связи. 7. Автоматический переход с одного диапазона на другой и обратно по критерию максимальной пропускной способности.
Данные свойства адаптивной системы КВ-УКВ радиосвязи с постоянно перестраиваемой рабочей частотой в потенциале позволяют обеспечить выполнение требований по обеспечению устойчивости и оперативности связи перспективных комплексов при одновременном существенном (в разы) сокращении требуемого объёма и стоимости аппаратуры. На основании анализа, проведенного в работах [56,66,101-103,112], можно сформулировать основные принципы построения и функционирования перспективной радиосети АСУ ПН ПО. 1. Перспективная радиосеть будет строиться на цифровых каналах, обеспечивающих передачу любого вида абонентского трафика на основе пакетных технологий. 2. Для повышения такой характеристики, как помехозащищенность необходимо использование сигналов типа ШПС-ФМ (DS -CDMA) либо сигналов ППРЧ (FH-CDMA). 3. Необходимость выполнения требования непрерывности управления исполнительными звеньями АСУ обуславливает потенциально высокую связность сети даже в условиях различных помеховых воздействий. 4. Повышенная пропускная способность каналов связи (до 19.2 кбит/с для декаметрового и 32 кбит/с для метрового диапазона), обеспечиваемая перспективными радиосредствами, предполагает введение дополнительного разделения каналов на временные окна (слоты). Длительность одного временного окна должна обеспечивать информационную скорость, минимально необходимую для передачи с заданными ВВХ трафика ЗУ АСУ ПН ПО. Кроме того, организация вре менного разделения каналов (TDMA) означает, что работа перспективной радиосети будет тактирована по времени. 5. Необходимость всестороннего управления всеми ЗУ АСУ ПН ПО требует наличия двух информационных подсетей: подсети ЗУ АСУ, обслуживающей наиболее приоритетный трафик, а также подсети ОРУ (трафик абонентов речевой связи) и МКО (трафик межкомпьютерного обмена данными). При этом ЗУ АСУ ПН ПО должны быть связаны между собой в рамках информационной сети закрепленными (выделенными) каналами для обеспечения требований по ВВХ доведения информации, подсети ОРУ и МКО допускают работу как по выделенным, так и по незакрепленным (предоставляемых по требованию) каналам. 6. Возрастающий объем информационных потоков приводит к тому, что после закрепления каналов радиосети за ЗУ АСУ ПН ПО невозможно обеспечить абонентам ОРУ и МКО необходимое количество выделенных каналов достаточной пропускной способности, чтобы выполнить требования по информационному обмену даже при использовании перспективных радиосредств. Следовательно, для абонентов ОРУ и МКО должна быть организована процедура предоставления каналов по требованию (ПКТ).
Системный анализ особенностей перспективной радиосети. Постановка задачи исследования
Анализ, проведенный выше, показывает, что переход на перспективные радиосредства позволит увеличить суммарную пропускную способность информационной сети более чем в 2 раза (в пересчете на канал связи со скоростью 1,2 кбит/с). В то же время применение современных информационных технологий, используемых для построения системы управления, приводит к значительному увеличению объема информационных потоков между звеньями управления и, соответственно, в перспективной радиосети. При этом жесткие требования по вероятностно-временным характеристикам (ВВХ) доведения информации, предъявляемые ЗУ АСУ ПН ПО, однозначно приводят к требованию выделения им перспективной радиосетью нужного числа закрепленных каналов с фиксированной минимально достаточной пропускной способностью. Следствием указанного факта является невозможность предоставить остальным абонентам информационной сети (ОРУ, МКО) закрепленные каналы, которые бы обеспечили требуемые характеристики информационного обмена. Таким образом, возникает задача обслуживания абонентского трафика с приемлемым качеством в условиях нехватки общего коммуникационного ресурса сети связи [56,102,103,112].
Как известно, существует два пути решения данной задачи [1,2,9,12]: либо организация СМД, либо предоставление каналов по требованию. Случайный доступ наиболее предпочтителен для сетей с большим числом низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик (пакетообразный трафик). Число терминалов в подобных сетях исчисляется сотнями и тысячами единиц. Однако, протоколы случайного доступа не гарантируют заданное качество обслуживания (Quality of Service, QoS) [112].
Протоколы предоставления каналов по требованию (Demand Assignment Multiple Access, DAMA), пытаются решить указанную задачу путем организации с главной станции (ГС) динамического распределения пропускной способности информационной сети в зависимости от требований абонентов. Запросы последних на выделение части коммуникационного ресурса должны быть переданы в адрес ГС до начала передачи пользовательского трафика. Как правило, запросы передаются в режиме СМД. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме -частотного (FDMA), временного (TDMA) или кодового (CDMA) разделения каналов [61,70,74]. Анализ характера трафика абонентов рассматриваемой информационной сети и требований по ВВХ его обслуживания, проведенный выше, показывает, что для абонентов речевого трафика (РТ) и МКО (трафик данных ТД) в перспективной радиосети должна быть организована процедура ПКТ. Перспективная радиосеть, таким образом, делится на два сегмента: первый сегмент, функционирующий на закрепленных каналах и второй - функционирующий в режиме ПКТ. Далее в работе, рассматривая перспективную радиосеть, будем подразумевать только второй ее сегмент.
Процедура ПКТ в настоящее время успешно применяется в системах спутниковой связи, мобильной сотовой связи и транкинговых системах связи. Как правило, в таких системах общий КР жестко разделен между СК, которые предназначены для организации процедуры обслуживания абонентов, и рабочими каналами, предназначенными непосредственно для передачи абонентского трафика. Следовательно, общее время обслуживания трафика в радиосети с ПКТ складывается из двух составляющих: времени передачи требования на предоставление КР по СК и времени обрабагки требования, принятого на обслуживание (ожидание в очереди и непосредственная передача трафика). Каждая составляющая времени обслуживания, очевидно, уменьшается с увеличением объема КР, выделенного под служебные или рабочие каналы соответственно.
Отметим, что для существующих систем связи с ПКТ (например, ССС типа «VSAT») характерно, во-первых, наличие достаточно большого общего объема КР, что позволяет заранее назначить требуемое количество СК с учетом возможной динамики абонентской нагрузки, а, во-вторых, наличие большого числа абонентов, позволяющее пренебречь колебаниями входной нагрузки, связанными с началом и окончанием сеансов обслуживания.
Анализ структуры перспективной радиосети АСУ ПН показывает, что количество абонентов сегмента, функционирующего в режиме ПКТ не превышает 100. На основе анализа заявленных ТТХ перспективных радиосредств можно предположить, что после организации временного разделения ППРЧ каналов радиосети и закрепления требуемого КР за абонентами первого сегмента, останется не более 20 каналов, доступных для распределения в режиме ПКТ [70,102,103,112].
Таким образом, главной особенностью рассматриваемой перспективной радиосети, по сравнению с существующими системами ПКТ, является малый общий коммуникационный ресурс. Относительно небольшое число абонентов определяет необходимость учитывать долю парциального трафика каждого из них в общей информационной нагрузке на сеть. Кроме того, анализ, проведенный выше, свидетельствует, во-первых, о нестационарности абонентской нагрузки (взрывной фрактальный трафик), а во-вторых, о нестационарности объема доступного КР в первую очередь вследствие возможных помеховых воздействий различного типа. В таких условиях особенно остро стоит задача обеспечения эффективности использования каждой единицы КР.
Разработка комплексной математической модели процесса предоставления каналов по требованию в мультисервисной радиосети
Комплексная математическая модель процесса предоставления каналов по требованию является объединением моделей, рассмотренных в п. 2.1 и п. 2.2, при этом учитывается взаимное влияние текущего состояния ЗВК и подсистемы распределения рабочих каналов. Среднее время обслуживания абонентского трафика Тоба, складывается из двух составляющих: Тзвк -среднего времени задержки при передаче требования в ЗВК и Тф - среднего времени обработки поступившей в подсистему распределения рабочих каналов заявки: Тобсл = Т звк + Т обр. (2.23) Для построения математической модели процесса предоставления каналов с учетом особенностей рассматриваемой радиосети примем следующие допущения [ 1121. 1. Канальный ресурс, выделенный под v - Гч. У V скуъ а также время организации связи по предоставляемому каналу - Тску, являются некоторыми фиксированными величинами, причем Тску « Т щобсл Таким образом, в рамках решаемой задачи данные величины не рассматриваются. 2. ЗВК функционирует на основе синхронного протокола СМД (неконтролируемого или с проверкой состояния канала); 3. В ЗВК реализовано оптимальное параметрическое управление протоколом СМД для поддержания высокой эффективности использования канала при изменении интенсивности входного потока; 4. В информационном потоке можно выделить трафик реального времени, требующий фиксированной скорости передачи (телефонная связь) и трафик передачи данных (файловый обмен), допускающий задержку. Трафик реального времени имеет преимущество в занятии и использовании канального ресурса; 5. В системе имеется два различных потока заявок на обслуживание, соответствующих различным видам трафика и образованных конечным числом абонентов N/ и Л соответственно. Поступление заявок этих потоков происходит через интервалы времени, имеющие показательное распределение с соответствующими параметрами \ и , которые зависят от состояния сети; 6. Если для обслуживания поступившей заявки нет необходимого канального ресурса, заявка становится в очередь. Соответственно, /, ЛГ,, /2 N2 - длина очереди для заявок каждого потока, /, ЛҐ,, i2 N2 количество заявок, находящихся на обслуживании; 7. Преимущество трафика реального времени в занятии и использовании канального ресурса заключается в снижении скорости передачи данных с ростом нагрузки на сеть, а также первоочередном обслуживании заявок первого потока, находящихся в очереди. Т.е. освободившийся канальный ресурс при условии его достаточности будет выделен находящейся в очереди заявке на передачу трафика реального времени, независимо от относительного времени поступления требований двух потоков; 8. Положим, что заявки на передачу трафика реального времени являются «нетерпеливыми», т.е. покидают очередь, если время ожидания начала обслуживания превысит некоторое заданное. Будем предполагать, что каждая поступившая заявка первого потока может ожидать начала обслуживания не более случайного времени, распределенного по показательному закону с параметром о.
Зададимся следующими исходными данными. 1. Nh N2 - количество абонентов, создающих соответствующий поток; 2. Y\ Yi интенсивность первичных требований от каждого абонента; ЗЛс — длительность одного временного интервала (кадра); 4. Первичная активность абонентов в ЗВК, равная вероятности генерации заявки в очередном временном кадре: 5. Со - суммарная оптимальная пропускная способность ЗВК (в пакетах на временной интервал). 6. Vo6 - скорость передачи информации мультисервисной линии, выраженная в единицах канального (коммуникационного) ресурса (к.е.). Т.е. общий объем доступного КР, оставшийся после закрепления каналов для абонентов СКС и организации СКУ; I. Ък- число единиц канального ресурса, необходимого для обслуживания одной заявки, причем для второго потока b2 = min(6) = 1 ; 8. 1/jUf - среднее время обслуживания одной заявки речевого трафика (длительность обслуживания распределена экспоненциально); 9. \1/Щ)2 - среднее время обслуживания одной заявки трафика данных при минимальной пропускной способности выделенного канала; 10. М - число элементарных каналов (к.е.), выделенных для функционирования ЗВК; II. V = Vоб - М - объем КР, предназначенный непосредственно для обслуживания принятых заявок. Механизм динамически изменяемой скорости передачи реализуется путем выделения соответствующему трафику т.н. макроканала, пропускная способность которого изменяется в зависимости от текущей загрузки канального ресурса (например, в соответствии с алгоритмом двоичного изменения пропускной способности [85,88,89]). Будем считать минимальную скорость макроканала g0 = b2 = 1 к.е., g = 1,2...К. Время обслуживания одной заявки второго потока распределено по показательному закону и при минимальной пропускной способности т02= Следовательно, А 2 /л2 = g / 02. Обозначим w = цЬх - число канальных единиц, занятых обслуживанием трафика реального времени; f = V-w9 - оставшийся канальный ресурс. В общем случае средняя интенсивность обслуживания для потока заявок Mi fhiffh) и однозначно определяется для каждого состояния системы. Состояние модели задается вектором (i]9l i2J2), совокупность таких векторов образует пространство состояний модели S. Вероятности /?(/,, 1Х9і19Іг)интерпретируются как доля времени пребывания системы в соответствующих состояниях. Стационарному режиму соответствует вектор финальных вероятностей п (/,,/, j2 ,/2 ) =s \ \l\ Р h» 2 )) .
Пусть С], С2 - пропускные способности ЗВК по соответствующему потоку. В соответствии с принятыми допущениями, оптимальное параметрическое управление, организованное в ЗВК позволяет поддерживать оптимальную пропускную способность канала и минимальную возможную задержку при передаче в условиях нестационарной входной нагрузки. Тогда, если суммарная входная нагрузка меньше общей оптимальной пропускной способности ЗВК, можно принять, что суммарная пропускная способность канала равна входной нагрузке, а время задержки в ЗВК будет составлять один такт (непосредственно на передачу).
Отметим, что при /2 0 пропускная способность всех макроканалов, выделенных ТД, минимальна, т.е. для всех обслуживаемых заявок второго потока b2 = g2 =1. Переходы (9) и (10) в обоих направлениях приводят к перераспределению КР между обслуживанием требований первого и второго потока. Переходы (1, 4, 5, 7), а так же в некоторых случаях (9, 10), в обоих направлениях приводят к динамическому изменению скорости передачи ТД.
Подготовка исходных данных. Статистическая оценка параметров системы предоставления каналов по требованию
Согласно основным положениям теории квалиметрии при проведении прямых численных измерений любой величины мы никогда не получаем истинного значения этой величины, то есть результат измерения всегда является приближенным значением. Это объясняется как принципиально ограниченной возможностью точности измерения, так и природой самих измеряемых параметров [34,100].
При измерении векторов С и Г в ЗВК действует большое количество случайных факторов, обусловленных целями и условиями функционирования абонентов радиосети. Поскольку в каждом временном сегменте канала возможна успешная передача только одного запросно-вызывного пакета, то измерение С основано на фиксации в каждом временном сегменте события В - в текущем временном сегменте канала наблюдалась успешная передача запросно-вызывного пакета абонента. Таким образом, задача измерения С является задачей оценки вероятностей событий В- Р(в). Интервал наблюдения канала - tH является математической моделью последовательно проводимых измерений или наблюдений и представляет собой исходный материал для решения задачи мониторинга (идентификации).
Задача измерения Т может рассматриваться как задача оценки математического ожидания случайной величины задержки запросно-вызывного пакета на множестве наблюдаемых на интервале tH успешно переданных пакетов абонентов - Хзвк Всякая функция от результатов измерений называется статистикой [34,100]. Классической задачей статистики является задача описания генеральной совокупности или каких-нибудь ее характеристик по случайной выборке. Из случайного характера наблюдений непосредственно вытекает, что любое суждение о генеральной совокупности по выборке само является случайным. Фундаментальные положения теории математической статистики (неравенство и теорема Чебышева, теоремы Бернулли, Муавра-Лапласа и др.) показывают, что точность статистических оценок напрямую связана с объемом выборки [8,10].
Однако при измерении параметров процесса ПКТ в условиях нестационарности первичного трафика и возможной слабой эргодичности ЗВК [107-109] увеличение объема выборки наталкивается на противоречие нестационарности самой оценки. Проблема робастности статистических оценок в таких условиях является самостоятельной математической проблемой, находящейся в процессе своего разрешения [112]. Для её разрешения в условиях измерения характеристик радиосети воспользуемся рассмотренным в [109] свойством робастности канала в условиях его слабой эргодичности. Поскольку измеряемые величины носят характер средних значений, то очевидно интервал наблюдения необходимо выбирать из условий сходимости характеристик процесса функционирования системы ПКТ к финальным средним. Таким образом, величина интервала наблюдения должна быть соизмерима с интервалом корреляции процесса функционирования системы ПКТ и находится в соответствии с проведенными ранее исследованиями в пределах 700 tH 800 временных сегментов канала.
В оптимальном режиме функционирования системы ПКТ значения р 0 должны быть равны исходным расчетным значениям р сн. Отметим, что со гласно результатам п. 2.4 снижение оперативности обслуживания абонентского трафика в случае выделения под ЗВК количества каналов, превышающего оптимальное (смещения точки оптимума вправо), заметно меньше, чем при отклонении от точки оптимума влево. Во втором случае система попадет в область состояний, характеризующихся существенным возрастанием длительности обслуживания вследствие резкого возрастания среднего времени передачи требований по ЗВК. Результаты моделирования, проведенного в предыдущем разделе, показывают целесообразность использования заведомо завышенной оценки параметра первичного трафика, чтобы гарантированно избежать перегрузки ЗВК.
Получаемые в соответствии с (3.7) косвенные оценки р 0 являются функциями от случайных величин С и Ґ и, следовательно, сами являются случайными величинами. Пусть суммарный первичный трафик 7о=Х -Л . 0-13) GaC4- величина, принятая в качестве текущего значения первичного трафика, на основании которой выполняется оптимальное распределение КР. Тогда, согласно [34,100], существует некоторая вероятность Рн = P[G0 GaCH ] нахождения системы в области недостаточной пропускной способности ЗВК вследствие заниженной оценки первичной активности абонентов. Таким образом, актуальной становится задача поиска такой оценки для параметра первичного трафика абонентов на очередном интервале наблюдения - tu, которая с заданной вероятностью обеспечивает как нормальный режим функционирования ЗВК, так и оптимальный режим функционирования системы ГОСТ в целом. Очевидно, перераспределение КР должно проводится в соответствие с результатами решения данной задачи. Для ее решения найдем параметры закона распределения оценки первичного трафика ЗВК - G 0.
Проведенные в работе исследования показывают, что предложенная математическая модель процесса предоставления каналов по требованию позволяет проводить необходимые математические расчеты фактически в режиме реального времени. Таким образом, процесс динамического перераспределения КР сводится к мониторингу текущего состояния радиосети, определению статистических оценок интенсивности парциального первичного трафика каждой группы абонентов на основе измеренных параметров, нахождению оптимального объема пула служебных каналов с использованием математической модели процесса ПКТ, разработанной в предыдущем разделе, сравнению полученного значения с текущим и при необходимости внесению соответствующих изменений в структуру КР радиосети.
Похожие диссертации на Предоставление каналов по требованию в перспективной радиосети АСУ промышленного назначения с ограниченным общим коммуникационным ресурсом служебных и рабочих каналов
-
-
-
