Содержание к диссертации
Введение
1. Методы организации интегральных цифровых сетей оперативно - технологической связи железнодорожного транспорта 12
1.1. Постановка задачи 12
1.2. Основные требования, предъявляемые к перспективным цифровым сетям оперативно-технологической связи 16
1.3. Задачи управления сетью 27
1.4. Выводы 32
2. Исследование параметров телефонной нагрузки в интегральной сети оперативно-технологической связи 34
2.1 Постановка задачи 34
2.2 Методика исследования параметров телефонной нагрузки в сетях оперативно - технологической связи 3 8
2.3 Результаты расчетов параметров распределений длительности вызовов и длительности интервалов между вызовами в каналах ОТС 41
2.4. Результаты определения параметров телефонной нагрузки в каналах ОТС 45
2.5. Выводы 50
З. Разработка моделей обслуживания вызовов в интегральных цифровых сетях оперативно-технологической связи 52
3.1. Постановка задачи 5 2
3.2. Обоснование математической модели обслуживания вызовов в ИЦСОТС 55
3.3. Анализ и выбор способов приоритетного обслуживания в первом сегменте интегральной цифровой сети ОТС 62
3.3.1. Описание моделей 62
3.3.2.Модели обслуживания вызовов с выделенными групповыми каналами и относительными приоритетами 65
3.3.3. Модели обслуживания вызовов с абсолютными приоритетами и разнотипными вызовами 75
3.3.4. Модели с абсолютным приоритетом и с разнотипными потоками вызовов (комбинированные приоритеты) 84
3.4. Модель обслуживания вызовов во втором сегменте ИЦСОТС 96
3.5. Выбор исходных данных и анализ полученных результатов 102
3.6. Выводы 109
4. Разработка алгоритмов управления качеством обслуживания вызовов в интегральных цифровых сетях ОТС железнодорожного транспорта 111
4.1. Постановка задачи 111
4.2. Анализ технических и программных средств управления качеством в различных типах аппаратуры ОТС 112
4.3. Показатели качества обслуживания вызовов в ИЦСОТС 114
4.4.Функционально-технологическая схема процесса управления качеством обслуживания вызовов в интегральных цифровых сетях ОТС 116
4.5,Описание процедуры выбора маршрута 120
4.6,Описание процедур приоритетного обслуживания 123
4.7.Имитационная модель обслуживания вызовов в ИЦСОТС 129
4.8.Выводы 140
5. Сравнителбный анализ цифровых комплексов оперативно-технологической связи железнодорожного транспорта 142
5.1. Характеристики цифровой аппаратуры оперативно-технологической связи 142
5.2. Многокритериальный выбор цифровых коммутационных станций ОТС 151
5.3. Выводы 170
Заключение 172
Список литературы
- Основные требования, предъявляемые к перспективным цифровым сетям оперативно-технологической связи
- Методика исследования параметров телефонной нагрузки в сетях оперативно - технологической связи
- Обоснование математической модели обслуживания вызовов в ИЦСОТС
- Анализ технических и программных средств управления качеством в различных типах аппаратуры ОТС
Введение к работе
В программе информатизации Федерального железнодорожного транспорта [64] на 2000-2005 г определены глобальные цели и на их основе конкретизированы среднесрочные задачи отрасли, в число которых вошли рост эффективности работы железнодорожного транспорта, повышение безопасности движения.
Одним из приоритетных направлений развития Федерального железнодорожного транспорта является создание единого информационного пространства (на базе первичной и вторичных сетей технологической связи) как основы эффективного управления отраслью. С этой целью осуществляется интенсивная модернизация информационной среды отрасли.
Сегодняшний этап изменения структуры управления отраслью характеризуется выделением крупных региональных центров управления перевозками - ЦУПов, реализующих интегрированную систему мониторинга перевозочного процесса и диспетчерского управления на уровне МПС (ЦУП МПС), регионов (ЦУПР) и опорных центров (ОЦ), которые располагаются в районах сосредоточения большого числа железнодорожных направлений (Москва (ЦУП МПС), Санкт-Петербург, Ростов на Дону, Екатеринбург, Новосибирск, Иркутск, Хабаровск - ЦУПРы).
В задачи региональных центров интегрируются задачи Единых диспетчерских центров управления (ЕДЦУ), организация которых сопровождается созданием региональных сетей оперативно-технологической связи (ОТС), обеспечивающей все технологические процессы железнодорожного транспорта.
Таким образом, одним из основных направлений совершенствования информационной системы для оперативного управления эксплуатационной работой железнодорожного транспорта является создание цифровых сетей оперативно-технологической связи (ОТС).
9.
Сети оперативно-технологической связи федеральных железных дорог России по своей структуре и назначению относятся к многоуровневым иерархическим региональным корпоративным телекоммуникационным сетям.
Современные технологии позволяют по-новому подходить к построению сетей оперативно-технологической связи и выходить на уровень создания интегральных цифровых сетей (ИЦСОТС) оперативно-технологической связи на основе комплексов цифровой аппаратуры с интеграцией аппаратных средств и услуг.
В таких сетях на аппаратном уровне передача, распределение, обработка, накопление и хранение различных видов информации осуществляется едиными цифровыми методами с использованием общих ресурсов сети.
Предпосылками к созданию ИЦСОТС служат описанные выше изменения в структуре управления перевозочным процессом.
Таким образом, важнейшими задачами при построении ИЦСОТС как региональной корпоративной сети, выборе для нее сетевой технологии, является оценка качества обслуживания вызовов различных видов трафика в сети и на разных ее уровнях, оценка управляемости ресурсами сети с точки зрения качества обслуживания вызовов, рациональный выбор аппаратуры ИЦСОТС. Решение этих актуальных для Федерального железнодорожного транспорта задач и составляют содержание диссертации.
В диссертации реализуется следующая последовательность их решения: 1.Определение основных требований к ИЦСОТС, основных принципов ее построения.
2.Статистическое исследование параметров телефонного трафика в существующих сетях ОТС, определение соотношения нагрузки каждого из видов ОТС на трафик ИЦСОТС с целью разработки алгоритмов эффективного распределения ресурсов сети в зависимости от характера нагрузки.
10.
З.Определение влияние количества пользователей на пропускную способность сети, а также влияние логической структуры сети на качество обслуживания вызовов.
4.0пределение основных показателей качества обслуживания вызовов в ИЦСОТС.
5.Разработка аналитических моделей ИЦСОТС для оценки качества обслуживания вызовов на основе процедур приоритетного обслуживания. Выбор алгоритмов присвоения приоритетов абонентам ИЦСОТС. б.Аналитические расчеты показателей качества обслуживания вызовов в ИЦСОТС, их проверка статистическим моделированием. 7.Разработка алгоритмов управления качеством обслуживания вызовов и распределения ресурсов в ИЦСОТС.
8.Многокритериальный выбор оборудования для реализации сегментов ИЦСОТС.
Цель работы состоит в развитии теории и практики современных цифровых сетей интегрального обслуживания, в разработке методов и математического аппарата аналитического и статистического моделирования их элементов, разработке методов оценки качества распределения информации, что имеет существенное значение для анализа и рационального проектирования ИЦСОТС.
Исходная основа диссертации. Диссертация основывается на результатах: -фундаментальных работ теории вероятностей, теории массового обслуживания Г.П. Башарина, П.Дж. Берке, П.П. Бочарова, В.М. Вишневского, Дж. Р. Джексона, Л. Клейнрока, В.И Неймана и др. - теоретических и прикладных исследований цифровых сетей и систем передачи информации В.М. Алексеева, В. А. Прокофьева, В. А. Прокофьевой О.Н. Ромашковой, и др.
Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математического анализа, теории массового обслуживания, теории телетрафика, теории автоматической коммутации, математической статистики.
11.
Научная новизна определяется результатами разработанных и
использованных в диссертации методов и математического аппарата аналитического и статистического моделирования элементов ИЦСОТС.
Практическое значение работы заключается в применении результатов исследований в анализе и проектировании ряда ИЦСОТС, рациональном выборе аппаратуры их сегментов.
Апробация работы выполнена на заседаниях кафедры радиотехники и электросвязи МИИТа; на научно-практическом семинаре Российского научно-технического общества «Радиотехники, электроники и связи» им. А.С. Попова, Москва 2000г, на студенческой научно-технической конференции, Москва, МИИТ,1998г
Основные требования, предъявляемые к перспективным цифровым сетям оперативно-технологической связи
При создании интегральной цифровой сети оперативно-технологической связи необходимо решить ряд задач, которые можно разделить на три группы.
I группа - структурно-топологические задачи, которые отражают территориальное расположение и охват сетью связи участка железной дороги, разветвленность сети, количество промежуточных станций, включенных в сеть, количество и расположение мостовых станций, логическую структуру сети (как отдельных участков - диспетчерских кругов, так и единой сети технологической связи на уровне дороги). При этом необходимо учитывать тенденцию увеличения длины кругов поездного диспетчера до 400-450 км.
II группа - оперативно-технические задачи, которые характеризуют сеть связи с точки зрения управления качеством обслуживания вызовов.
III группа - технико-эксплуатационные задачи, которые определяют надежность и живучесть сети.
Создаваемая интегральная цифровая сеть оперативно- технологической связи должна отвечать основным технико-эксплуатационным требованиям к технологической сети связи железнодорожного транспорта. Некоторые из этих требований определяются, исходя из прогнозов развития вторичных сетей электросвязи МПС и анализа опыта создания цифровых сетей за рубежом. Наиболее общими требованиями, сформулированными в документах [39,76], являются следующие:
Иерархическая структура сети ОТС должна соответствовать иерархической структуре управления железнодорожным транспортом, с учетом создаваемой сегодня «новой вертикали управления».
В интегральной цифровой сети ОТС обязательно должны быть сохранены традиционные принципы построения сети ОТС. Это означает, что интегральная цифровая сеть ОТС должна обеспечивать на всех уровнях иерархии все многообразие видов ОТС, различающихся как областью применения и алгоритмом функционирования, так и степенью воздействия на процесс управления соответствующими подразделениями на железнодорожном транспорте. Поскольку непосредственное управление перевозочным процессом осуществляется на низовом уровне иерархии управления - уровне участков диспетчерского управления, этот уровень является самым насыщенным различными видами ОТС, к ним относятся: ПДС, ПС, ЛПС, СДС, ЭДС, ПГС, МЖС, СТВ, СТМ, БДС, ВДС и др., также должна быть предусмотрена возможность создания новых видов ОТС, обусловленных развитием инфраструктуры ж.д. транспорта.
Поскольку в ИЦСОТС предусматривается использование общих пучков цифровых каналов, то должна быть выбрана система приоритетного обслуживания вызовов с тем, чтобы не допустить отказов в установлении соединения для абонентов с наиболее ответственным характером работы. Принцип построения структуры интегральной цифровой сети ОТС должен соответствовать новым принципам управления технологическими процессами железнодорожного транспорта. Непосредственное управление технологией перевозочного процесса, а так же технологией работы большинства подразделений железнодорожного транспорта осуществляется в пределах линейных участков дорог по диспетчерскому принципу.
При построении интегральной цифровой сети технологической телефонной связи железнодорожного транспорта для Российских железных дорог следует иметь в виду необходимость сохранения тех же технологических особенностей, что и при групповом принципе построения диспетчерских сетей связи. Традиционно такой принцип был обусловлен тяготением передаваемой информации от промежуточных станций к распорядительной, малым трафиком между промежуточными станциями.
Для диспетчерских групповых цепей характерны следующие особенности: - абсолютный приоритет диспетчера в праве ведения переговоров внутри своего вида ОТС, вплоть до перебоя говорящего. -немедленный способ установления соединения; -обязательный громкоговорящий прием у диспетчера; -возможность громкоговорящего приема у дежурного по станции; -обеспечение индивидуального, группового и циркулярного вызова; -индикация на пульте диспетчера входящего вызова -ограниченный, регламентированный ПТЭ [69] круг абонентов; -все соединения в системе диспетчерской связи должны осуществляться без отказов в установлении соединения; - должен быть реализован принцип «говорит один - слышат все» Все эти необходимые требования могут быть реализованы в ИЦСОТС с помощью специальных процедур системного программного обеспечения
На основе общих требований к цифровым сетям ОТС можно определить круг требований, предъявляемых непосредственно к аппаратуре сетей оперативно-технологической связи [39]: -технико-эксплуатационные параметры системы и аппаратуры отделенческой и станционной ОТС должны соответствовать действующей и перспективной структуре управления перевозочным процессом и текущим содержанием технических средств ж.д. транспорта, а также требованиям обеспечения безопасности движения; - аппаратура ОТС должна быть рассчитана для работы в цифровых и существующих аналоговых и цифро-аналоговых сетях; - система сигнализации и электрические параметры аппаратуры должны обеспечивать ее совместимость в аналоговых сетях с распорядительными, исполнительными станциями и линейными устройствами действующей системы ОТС.
Методика исследования параметров телефонной нагрузки в сетях оперативно - технологической связи
Методика исследования параметров телефонной нагрузки в сетях оперативно - технологической связи Измеренные статистические данные моментов занятия каналов ОТС вызовами и длительностей занятия каналов разговорным соединением представляют собой случайную выборку событий. Предполагается, что эта выборка репрезентативна, то есть по ней можно определить законы распределения (и их характеристики): - длительностей вызовов tp; - длительности интервалов Т между соседними вызовами для каждого исследуемого канала ОТС. Задаемся статистическими распределениями tp иТ в виде последовательных интервалов и соответствующих им частот - числами наблюдений элементов выборки в данном интервале п,-, и отношением частот к объему выборки - относительными частотами: , = - . (2.1)
Число интервалов разбиения статистического ряда (выборки) m выбирается исходя из объема выборки п по рекомендации [13, 23,43]. Длина интервала разбиения статистического ряда "/ - определяется исходя из максимального и минимального значения исследуемой величины [13,23,43].
При группировке значений случайной величины по интервалам, все значения находящиеся в точности на границе двух интервалов, отнесены к нижнему интервалу.
Статистическое распределение выборки оформляют в виде гистограмм относительных частот, состоящих из прямоугольников, основаниями которых служат интервалы длиной h, а высоты равны плотностям W , относительных частот, вычисляемых как отношение —:—.
Затем производится аппроксимация статистического распределения непрерывным законом плотности распределения вероятности. Для этого применяется «метод моментов» выравнивания статистических рядов, изложенный в [13,43]. Согласно «методу моментов» [13,43] параметры ПРВ выбираются с таким расчетом, чтобы несколько важнейших числовых характеристик - моментов теоретического распределения были равны соответствующим статистическим характеристикам. Рассчитывают: - статистическое среднее случайных величин т от x = HxJnj/Hnj (2-2) где nj — численность элементов в j-ом интервале разбиения статистического ряда; Xj - средние значения случайной величины в j-ом интервале разбиения статистического ряда; m - число интервалов разбиения статистического ряда; т 2] w, =п - число элементов статистической совокупности; /=1 - среднеквадратическое отклонение ) = ( - )4 -1)- С2-3)
Допустим, что статистическое распределение аппроксимируется экспоненциальным законом плотности распределения вероятностей. Тогда статистическое среднее случайной величины X равно математическому ожиданию случайной величины М(х). Вычисляют параметр экспоненциального закона распределения: Я = 777Т- (2-4) М (х) Сглаживающая кривая статистической функции распределения строится по значениям аппроксимирующей функции ПРВ /(/) = Ах ехр(-Ах/) (2.5) в контрольных точках, которыми являются границы интервалов разбиения.
Так как выборочная совокупность измеренных данных меньше генеральной совокупности, то вычислим ошибку репрезентативности: A ;., м ))/V T, (2.6), где z _, - коэффициент в распределении Стьюдента, который при объеме выборки 40 элементов и доверительной вероятности 0,99 равен 2,58, а при доверительной вероятности 0,95 равен 1,96.
Для того чтобы проверить правильность выдвинутой гипотезы о предполагаемом законе распределения длительностей вызовов tp и длительностей интервалов Т между соседними вызовами для каждого исследуемого канала ОТС, воспользуемся одним из критериев согласия [13,23,24,43 ] - критерием « х2» Пирсона.
Для исследования распределения телефонной нагрузки в каждой из исследуемых ОТС была разработана программа «Обработчик статистики» (подпрограмма «обработчик нагрузки») (ПРИЛОЖЕНИЯ Б,В,Г, рисунки В.1.-В.16), которая определяет по исходным данным (рис. АЛ) нагрузку каждого часа суток с 15-ти минутным сдвигом по методике, изложенной [1,59,60]. По указанной методике был определен час наибольшей нагрузки для всех ОТС. Чтобы учесть малый объем измерений нагрузки определена величина ошибки репрезентативности.
Обоснование математической модели обслуживания вызовов вИЦСОТС
Рассмотренные выше алгоритмы установления соединения по схеме организации ИЦСОТС, представленной на рис. 1.1, предполагают многофазное обслуживание вызовов.
Первая фаза обслуживания вызовов — это обслуживание вызовов в пределах кольца нижнего уровня. Нагрузка, создаваемая абонентами исполнительных станций, может обслуживаться в пределах кольца нижнего уровня (нижнего (первого) сегмента сети) или передаваться для дальнейшего обслуживания в каналы верхнего (второго) сегмента сети.
Распределение телефонной нагрузки по ИЦСОТС происходит следующим образом: внутри кольца нижнего уровня замыкается часть нагрузки, и часть нагрузки выходит за его пределы. Примем обозначения: г)2 - коэффициент тяготения ко второму сегменту; (1-Г2)- коэффициент замыкания нагрузки внутри кольца нижнего уровня.
В случае, когда вызов от і-го узла первого сегмента сети адресуется j - му узлу также первого сегмента, вызов проходит последовательно несколько узлов сети, занимая на каждом этапе свободный канал для создания соединительного пути между і - м и j - м узлами.
Обслуживание вызовов в первом сегменте ведется согласно принятой процедуре приоритетного обслуживания. В случае отсутствия свободного пути между узлами і и j, и отсутствия для вызова возможности ожидания установления соединения, вызов теряется.
Вероятность того, что вызов получит отказ в первом сегменте, обозначим Ротк. Тогда вероятность обслуживания вызова на первом сегменте обсл отк
Часть вызовов, адресуемых, например в ЕДЦУ и обслуженных на первом сегменте, с вероятностью Р сл хг2 направляются во второй сегмент. В работах [47-50,78-80]для исследования процесса многоэтапного обслуживания вызовов используется следствие из теоремы Берка [37,38,40], доказанной для сети массового обслуживания, составленной из n СМО S,fS2,...S„.(pHC.3.1.).
Каждая і-я СМО представляет собой полнодоступный пучок каналов, емкостью Vj. Заявка на обслуживание (вызов), поступающая в первую систему, занимает одну из свободных линий, либо становится в очередь (или теряется), если в первой системе нет свободных линий.
Ожидающие вызовы обслуживаются в порядке, который регламентирует принятый алгоритм обслуживания. После окончания обслуживания в первой системе, вызов поступает на вторую систему, занимая там одну из свободных линий, и в противном случае, становится последним в очередь на обслуживание (или теряется) во второй системе.
После окончания обслуживания в і-той системе вызов поступает в (і+1 )-ю систему, пока не будет окончательно обслужена в узле назначения Sn.
В случае обслуживания вызовов двумя сегментами, вызов, обслуженный всеми фазами первого сегмента, проходит еще одну фазу обслуживания — обслуживание каналами второго сегмента сети. При этом можно рассматривать все фазы обслуживания первого сегмента как обобщенную фазу обслуживания.
Конкретизируем вышеописанную модель для процесса обслуживания вызовов в ИЦСОТС. Модели многофазного обслуживания вызовов в ИЦСОТС приведены на рис. 3.2.-3.3.
Согласно теореме Берка, в стационарном режиме на любую из подсистем поступает простейший поток, причем параметр потока, поступающего на і-тую СМО, равен Х\, где Х\ определяется из системы уравнений: А/= А; + А, Р; \ (3.1) где ij=0,l,2,....n; Pij - фиксированная вероятность того, что вызовы, обслуженные в і-той системе (фазе) могут быть направлены на j-тую систему; А, - интенсивность потока вызовов, поступающего на і-тую СМО из вне.
Джексоном [37,38,40,98] доказано утверждение, что вероятности состояний всей рассматриваемой сложной системы в стационарном режиме, могут быть получены перемножением соответствующих вероятностей для отдельных систем. Таким образом, системы могут быть рассчитаны как независимые. Для существования стационарного режима нужно выполнение условия эргодичности, при котором интенсивность нагрузки, поступающая на любую из подсистем, меньше числа линий в этой СМО.
Анализ технических и программных средств управления качеством в различных типах аппаратуры ОТС
В том случае, когда цифровая сеть оперативно-технологической связи строится по традиционному принципу, на базе цифровых групповых каналов управление качеством заключается в реагировании на технические отказы в сети и реализации алгоритмов резервирования.
Вследствие неизбежной неравномерности трафика для разных узлов сети будут возникать ситуации, когда одни узлы сети перегружены, а другие -нагружены лишь частично. Оперативно же маневрировать свободными ресурсами нельзя, из-за их жесткого закрепления.
Одной из задач построения ИЦСОТС, сформулированных в первой главе, является задача управления ресурсами сети. Она решается с помощью распределительных алгоритмов, учитывающих логическую структуру сети -алгоритмов маршрутизации, а также процедур приоритетного обслуживания вызовов. При проектировании интегральной цифровой сети оперативно -технологической производится: - выбор топологии сети; - выбор пропускных способностей каналов между узлами сети, - определение процедуры выбора маршрутов, выбор процедуры приоритетного обслуживания,
Ниже излагаются методы использования имитационного и математического моделирования для оценки способов организации управления качеством обслуживания вызовов и на этой основе предлагаются рекомендации по повышению качества распределения информации в ИЦСОТС, а также управления трафиком и маршрутизации.
Система управления в цифровых сетях, построенных по традиционному групповому принципу, реализуется в виде подсистемы системного программного обеспечения - подсистемы технического обслуживания, контроля технического состояния и диагностики сети и ее отдельных элементов. Работает программное обеспечение на базе встроенной в сеть системы сбора и обработки данных о техническом состоянии и наличии неисправностей с линейных объектов сети. В качестве линейного объекта контроля выступают: коммутационные станции узлов ИЦСОТС, мультиплексорное оборудование ввода/вывода каналов на станциях, оборудование электропитания, каналы линейного тракта.
Рассмотрим организацию подсистемы технического обслуживания на примере систем ДСС и МиниКОМ-ОХ500.ЖТ.
В состав этих систем входят комплексы технической эксплуатации и контроля системы, которые позволяют отслеживать текущее состояние как сети в целом, так и отдельных ее элементов.
Организация управления распределением информации и технического обслуживания системы ДСС состоит в следующем: контроль состояния линейного тракта осуществляется по специально выделенным в линейном тракте ОЦК, предусмотренных в оптическом линейном тракте дополнительно к потоку 2,048 Мбит/с, которые организуются при помощи специального первичного мультиплексора, в составе системы. Наличие этих дополнительных каналов позволяет осуществлять контроль тракта в обход коммутационных станций; - информация о состоянии контролируемых объектов (на уровне ТЭЗов) передается по каналам управления в центр технической диагностики сети, где системный администратор принимает решения по устранению неисправностей. Переключение объектов сети с основного оборудования на резервное может осуществляться автоматически. - система технической диагностики может строиться также по распределенному принципу, когда терминал технического обслуживания, и соответствующее программное обеспечение устанавливается в каждом узле сети
В системе МиниКОМ-ОХ500.ЖТ для управления сетью организуется, так называемое, «терминальное направление», в котором выбирается «глобальный центр», в который собирается вся информация о состоянии станций участка. Контроль технического состояния элементов сети, как и в предыдущем случае, осуществляется на уровне ТЭЗа. Управляющая информация передается в 16 канальном интервале цикла ИКМ линейного тракта сети. При необходимости, осуществляется удаленное администрирование станций участка с терминала технического обслуживания «глобального центра»
В связи с построением единой сети технологической связи Федеральных железных дорог России возникает задача объединения отдельных цифровых участков, строящихся на базе разнотипного оборудования в единую сеть, с единой системой управления. Поэтому в программное обеспечение системы вводят процедуры информационно-логического взаимодействия с сетью верхнего уровня.
При организации интегральной цифровой сети оперативно-технологической связи кроме технического контроля сети необходимо осуществлять управление распределением информации в сети, которое подразумевает распределение канальных ресурсов сети, с целью достижения заданного качества обслуживания вызовов пользователей всех категорий.
