Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из актуальных задач сегодняшнего дня является создание высокоэффективных наземно-воздушных авиационных систем связи. Рассматриваемая в диссертационной работе наземно-воздушная система связи (рис.1.) состоит из двух компонент - базовой наземной сети обмена информацией (СОИ) и воздушной сети связи, элементами которой являются наземные приемные и передающие центры, а также каналообразующее и терминальное оборудование самолетов. Сопряжение наземной и воздушной сети производится на специальных шлюзах, являющихся адресуемыми элементами обеих сетей и выполняющие стандартные функции преобразования протоколов разного уровня.
Воздушные абоненты можно условно разделить на 3 типа - А, В и С. Абоненты типа А находятся в режиме постоянного информационного обмена с наземными пунктами управления и требуют постоянно действующих каналов с высокой пропускной способностью.
Абоненты типа В также требуют выделенных каналов, однако объем трафика существенно меньше. Кроме того эти абоненты являются источниками-потребителями смешанного трафика (речь + данные) в режиме запроса.
Центральной проблемой при организации связи с объектами типов А и В является их постоянная привязка к СОИ как подвижных абонентов.
Абоненты типа С являются абонентами с ярко выраженным пачечным трафиком. Для обеспечения связи с[, ними строится сеть с глобальной зоной действия, к которой предъявляются высокие требования по вероятности своевременной доставки и достоверности передаваемой информации.
^
=^
Формализованные и неформализованные сообщения, телефонная и телетайпная связь
движением
Абоненты воздушной сети связи
Наземные
средства
систем
авиационной
радиосвязи
Наземные сети связи и передачи данных
Абоненты наземной сети связи
ЛЛ типа С
мп-дмв
Команды, донесения, квитанции
Г^А
ЛЛтипа А
„ti^SCfZ.
ЛЛ типа В
Ч rv> тліти n_iimf*»*
Ограничениями при создании системы воздушной связи являются: ограниченный набор приемных и передающих средств, количество рабочих частот, зоны ответственности радиоцентров, определяемые мощностью передающих устройств, чувствительностью приемников и диаграммами направленности антенн. Существует два пути повышения эффективности использования системы воздушной связи: 1) объединение приемных и передающих радиоцентров в единую систему, обеспечивающую двухуровневое планирование связи (на уровне системы и на уровне радиоцентра) и оперативное управление ресурсами путем включения радиоцентров в состав шлюзовых элементов наземной сети обмена информацией; 2) разработка эффективных методов коллективного использования частотно-пространственно-временного ресурса системы воздушной связи.
Опыт создания и эксплуатации подобных систем показывает, что методы организации связи и управления потоками информации в каналах «земля-воздух» и «воздух-земля» существенно различаются и во многом независимы. Таким образом задачу управления потоками в воздушной системе связи можно разделить на две независимые задачи. Методы управления потоками в каналах «земля-воздух» во многом схожи с методами распределения входного потока по пучку параллельных каналов.
В каналах «воздух-земля» центральной проблемой является разработка эффективных протоколов множественного доступа, учитывающих специфику системы.
Сеть наземной связи строится как базовая сеть в интересах обеспечения рбмена информацией многих ведомств. В настоящее время прослеживается четко выраженная тенденция создания интегрированных сетей связи, где под интеграцией понимается не только ведомственная принадлежность, а главным образом интеграция служб. Сети с
интеграцией служб (ISDN) прошли два этапа своего эволюционного
развития. На первом этапе развивались узкополосные сети (N-ISDN) с
предоставлением абоненту цифровых трактов (2B+D) или (23B+D) со
скоростью соответственно 144 Кбит/сек и 1.488 Мбит/сек. В настоящее
время идет второй этап, на котором внедряются широкополосные сети с
интеграцией услуг (B-ISDN). Развитие современных сетевых технологий,
успехи в создании волоконно-оптических линий связи и сверхбольших
интегральных схем привели к появлению нового типа транспортировки
информации - асинхронного режима переноса (Asynchronous Transfer
Mode - ATM). Технология ATM обеспечивает транспортировку всех видов
информации в виде пакетов фиксированной длины - ячеек (cell),
выделение пользователю необходимого ему ресурса по его требованию,
поддержку интерактивных служб, передачу как непрерывного, так и
пачечного трафика. Большинство ведущих фирм мира прекращает работы
по узкополосным цифровым сетям интегрального обслуживания и
сосредотачивают основные усилия на разработке аппаратуры ATM.
Обеспечение требуемого качества обслуживания (QoS) для
различных типов трафика в ATM сетях является сложной задачей.
Управление трафиком обеспечивает эффективное функционирование сети.
Работа по управлению трафиком в ATM сетях в настоящее время
интенсивно ведется в рамках нескольких международных организациях,
наиболее представительной из которых является ATM Forum.
і В соответствии с рекомендациями ATM Forum выделено 5
сервисных категорий трафика, определены их параметры и требования по
качеству обслуживания. Наиболее важной является сервисная категория с
постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate - CBR). Эта сервисная
категория охватывает более 90% всей передаваемой в настоящее время
информации и в рамках этой категории могут передаваться остальные 4
сервисные категории. Таким образом управление CBR-трафиком сегодня является наиболее актуальной задачей для ATM сетей. ATM сети ориентированы на соединения. Абонент сети может начать передачу информации только после того, как он «проинформирует» все промежуточные узлы о своих требованиях по качеству обслуживания и параметрах трафика. Эта процедура аналогична процедуре установления соединения в телефонной сети, однако в ATM сети такое соединение называется виртуальным. Пользователь «заявляет» свои требования по качеству обслуживания и параметры трафика во время установления соединения. Если сеть в состоянии удовлетворять эти требования, она организует соединение и в процессе передачи информации контролирует параметры трафика, чтобы они соответствовали заявленным. Для CBR-соединений пользователь заявляет только один параметр - пиковую скорость (peak cell rate - PCR). Если сеть в состоянии организовать виртуальный канал с требуемой PCR, то соединение организуется, в противном случае требование получает отказ. Важнейшей функцией, выполняемой сетью в процессе организации соединения является поиск маршрута в сети. Вероятность блокировки вызова определяется используемым методом маршрутизации. Одной из задач данного диссертационного исследования является разработка эффективных методов маршрутизации CBR-соединений.
Т.к. в основе CBR-соединений лежит принцип коммутируемого і
виртуального канала, математические модели маршрутизации CBR-соединений весьма близки к моделям коммутируемого физического канала, которыми описываются сети с коммутацией каналов и кроссовой коммутацией.
Для передачи данных, не требующих реального времени (передача файлов, электронная почта и др.) разработана новая концепция,
заключающаяся в том, что данные разных пользователей «заполняют» оставшуюся неиспользуемую полосу пропускания трактов сети. При этом скорость передачи данных регулируется сетью с помощью петли обратной связи. Основная идея данной концепции, получившей название доступной скорости (available bit rate - ABR) - справедливое распределение полосы между источниками. Понятие справедливости предусматривает выделение одинакового ресурса всем пользователям и обеспечение минимальной вероятности потерь ячеек, что весьма существенно при передаче данных.
В этой связи возникает новая задача контроля перегрузок ABR трафика, которая сводится к динамическому перераспределению ресурса сети между пользователями.
Цель работы и задачи исследования.
-
Выбор и анализ критериев оптимальной многоскоростной адаптивной маршрутизации CBR-соединений.
-
Разработка оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов многоскоростной централизованной маршрутизации.
3) Оценка эффективности разработанных алгоритмов и
формулировка предложений по их реализации в сетях связи.
4) Разработка методов управления ABR-трафика на основе
динамических моделей с обратной связью.
5) Выбор и оценка параметров качества управления динамическими
системами с запаздыванием.
6) Разработка эффективных комбинированных протоколов
множественного доступа с целью управления трафиком в каналах «воздух-
земля».
7) Разработка и исследование оптимальных методов использования пространственно-частотно-временного ресурса наземных радиоцентров при передаче информации в направлении «земля-воздух».
Методы исследования.
При решении поставленных задач в работе использованы методы системного анализа, исследования операций, аппарат теории случайных процессов, теории массового обслуживания, теории телетрафика, теории сетей связи, методы линейного и нелинейного целочисленного программирования, теория графов, теория динамического управления, методы имитационного моделирования.
Научная новизна.
Научная новизна диссертации состоит в следующих, выносимых на защиту компонентах:
1. Разработаны новые алгоритмы «последовательной» адаптивной
маршрутизации: алгоритм с минимальной вероятностью отказа для
следующего требования (МВОСТ), алгоритм «кратчайшего пути с
резервированием» (КПР). Доказано, что данные алгоритмы превосходят
ранее известные по величине вероятности блокировки вызова во всем
диапазоне изменения входной нагрузки для сетей с решетчатой
структурой.
2. Сформулирована задача оптимального «глобального»
распределения CBR-требований с произвольными величинами PCR в ATM
сети в виде задачи целочисленного программирования. Разработан
итерационный алгоритм, обеспечивающий нахождение локального
экстремума на 2-3 порядка быстрее известных алгоритмов дискретной
оптимизации.
-
Предложен метод комбинированной маршрутизации, сочетающий преимущества метода «последовательной» маршрутизации (малые накладные расходы) и метода «глобальной» маршрутизации (высокая степень использования сетевых ресурсов). Разработаны 2 алгоритма перехода от «последовательной» маршрутизации к «глобальной» -периодический и апериодический. Для периодического алгоритма получены значения длительности процедуры «глобальной» оптимизации и периода ее проведения, при которых достигается минимальная вероятность блокировки вызова.
-
Разработаны новые модели управления перегрузкой ABR-трафика: с управлением по величине длины очереди, с управлением по предоставляемой пропускной способности линии связи, позволяющие путем выбора соответствующих параметров регулирования обеспечить минимальную вероятность потерь ячеек в стационарном и переходном режимах, вызванных изменением предоставляемой пропускной способности линии связи. Отличительной особенностью данных моделей от ранее известных является их простота и отсутствие осциллирующих процессов, вызывающих неустойчивое поведение системы.
-
Предложен новый класс протоколов множественного доступа со случайным доступом и частотным разделением каналов (FDMA-ALOHA), область применения которых - распределенные системы передачи данных с подвижными объектами. Разработана марковская модель, позволяющая определить оптимальные значения вероятности «первичного» и
«вторичного» захвата слота, при которых производительность системы
максимальна, а задержка - минимальна. Разработанная модель, в отличие от известных ранее, учитывает вероятность выбора любого из нескольких частотных каналов, а также вероятность искажения пакета в радиоканале из-за ошибок.
-
Разработан метод обобщенного множественного доступа в протоколе типа FDMA-ALOHA, при котором вводится дополнительная степень свободы - число каналов для передачи пакета, выбираемое случайным образом. Показано, что для однородной системы существует оптимальное число выбираемых случайным образом каналов, которое уменьшается с увеличением нагрузки.
-
Предложен новый метод распределения входного потока в распределенной радиосети в направлении «земля-борт», при котором обеспечивается максимальная величина вероятности своевременной доставки информации. Метод предполагает доставку пакета по нескольким параллельным каналам, выбираемых случайным образом.
8. Разработан метод детерминированного распределения
информационных потоков «земля-борт» и «борт-земля», а также алгоритм,
позволяющий путем решения задачи нелинейного целочисленного
программирования находить оптимальное распределение потоков по
радиоканалам, каждый из которых характеризуется скоростью передачи и
вероятностью информационного искажения пакета.
Практическая значимость работы.
Основные научные выводы и рекомендации работы имеют важное
практическое значение при проектировании и эксплуатации наземно-
воздушных систем связи. I Выполненные разработки использованы при проектировании и
эксплуатации систем наземно-воздушной связи, в том числе при
разработке автоматизированной системы связи с самолетами гражданской
авиации (ОКР «Аэрофлот»), бортовых и наземных комплексов связи (ОКР
«Цифра-ГА»); разработке и государственных испытаниях методов
управления информационными потоками в автоматизированной системе
связи (ОКР «38» - заместитель главного конструктора); создании и государственных испытаниях системы мобильных командных пунктов («65с28» - заместитель главного конструктора); разработке методов управления трафиком в сети ведомственной принадлежности (ОКР «Лазурь» - главный конструктор); разработке, создании и испытании системы привязки подвижных объектов к наземным сетям связи и управления (ОКР «Взгляд-НПП-НН» - главный конструктор); разработка системного проекта по развитию ведомственной АСУ и связи (шифр «Синтез» - заместитель главного конструктора);
Все перечисленные работы задавались Постановлениями правительственных органов, в настоящее время ряд работ входит в государственный оборонный заказ, в федеральные целевые программы и относится к числу приоритетных.
Кроме того, автор являлся руководителем совместного российско-французского научного проекта (корпорация Thomson-CSF) по методам управления трафиком и контроля перегрузок в ATM сетях, а также ряда НИР, выполненных в НЛП «Полет» по техническим заданиям заказчиков различных ведомств.
Практическая ценность работы подтверждается актами внедрения и использования ее результатов.
Апробация работы.
і Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
Всероссийских научно-технических конференциях: НЛП «Полет»
Н.Новгород, 1994 г.; военная академия связи, С.Петербург, 1997 г.; ЛНПО
«Красная Заря», г.Ленинград, 1986 г.; ВНИИС, г.Воронеж, 1996 г.;
Нижегородский государственный технический университет, Г.Н.Новгород,
1997, 1998 гг.; Нижегородский государственный университет,
Г.Н.Новгород, 1994 г., а также международных НТК: «Нечеткая логика, интеллектуальные системы и технологии», г.Владимир, 1997 г.; «Радиолокация, навигация, связь», г.Воронеж, 1998 г.
Публикации.
По основным материалам диссертации опубликовано 60 научных работ. Кроме того, некоторые результаты и выводы диссертационной работы вошли в конспект лекций по математическим методам исследования сетей связи и управления трафиком, читаемым автором на факультете вычислительной математики и кибернетики Нижегородского государственного университета (кафедра «Теория управления») и факультете информационных систем и технологий Нижегородского государственного технического университета (кафедра «Теория телекоммуникаций»).
Структура и объем работы.
