Програмні продукти для моделювання і оптимізацїї систем та мереж зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОГРАМНІ ПРОДУКТИ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ І ОПТИМІЗАЦЇЇ СИСТЕМ ТА МЕРЕЖ ЗВ'ЯЗКУ

1. Аналіз засобів програмної реалізації математичних моделей мереж зв'язку

При реалізації на ЕОМ імітаційної математичної моделі мережі зв'язку вона задається множиною вузлів, кожен з яких з'єднаний хоча б з одним іншим вузлом за допомогою каналів зв'язку. Розглянемо основні властивості мережі зв'язку з комутацією пакетів, які необхідно відобразити в її моделі:

1. Структуру мережі, яка визначається кількістю вузлів, їх характеристиками, матрицею зв'язності, характеристиками ліній зв'язку між вузлами.

2. Принцип комутації пакетів.

3. Алгоритм обслуговування викликів, який визначається дисципліною обслуговування викликів у вузлах мережі.

4. Маршрутизацію викликів, що визначається правилами вибору маршрутів для обслуговування викликів та таблицею маршрутизації у кожному із вузлів мережі.

5. Абонентський трафік, що визначається властивостями потоків викликів, їх числовими характеристиками.

Виходячи із аналізу процесів передавання інформації через мережу зв'язку, можна виділити такі функціональні елементи, що повинні бути описані в математичній моделі мережі: джерело даних, вузол комутації, канал зв'язку, пакет даних, модуль мережного управління, модуль зовнішньої дії на мережу.

Джерело даних забезпечує моделювання процесу надходження даних для передавання їх через мережу, зокрема, від вузла-відправника до вузла-одержувача. Джерела даних безпосередньо зв'язано з відповідним вузлом комутації.

Вузол комутації моделює роботу вузлів мережі, що забезпечують направлення пакетів даних безпосередньо від джерела даних до вузла через канал зв'язку або між суміжними вузлами згідно вибраної стратегії маршрутизації. При цьому враховується процедура опрацювання черг заявок у вузлах комутації з урахуванням пріоритетів.

При моделюванні роботи каналів зв'язку між суміжними вузлами враховуються такі процеси: затримка пакетів, що зв'язана з обмеженою пропускною здатністю каналів; затримка розповсюдження електромагнітних хвиль в лініях зв'язку; процеси втрати пакетів під час передавання по каналам зв'язку та виходу із дії каналів зв'язку. Канали зв'язку це фактично одноканальні чи багатоканальні системи зв'язку, що з'єднують між собою суміжні вузли комутації.

Пакет даних являє собою деякий об'єм даних, які передаються через мережу. В моделі він задається заголовком, що містить необхідну інформацію для його опрацювання у вузлах зв'язку, а також довжиною пакета, що моделює наявність у ньому даних.

Модуль мережного управління дає можливість моделювати процеси управління в мережі, включаючи передавання службових пакетів з інформацією, необхідною для роботи мережі. Модуль мережного управління зв'язаний з вузлом комутації і є для нього джерелом пакетів із службовою інформацією, що передається до інших вузлів.

Модуль зовнішньої дії на мережу моделює процеси виходу із дії та відновлення працездатності вузлів і каналів зв'язку.

Таким чином, мережа зв'язку містить значну кількість елементів. Процеси в різних частинах мережі можуть протікати незалежно, послідовно чи паралельно. З урахуванням виконання певних умов можуть бути побудовані різні математичні моделі мережі на основі положень теорії випадкових потоків, теорії масового обслуговування, теорії телетрафіка.

При аналізі конкретної імітаційної моделі мережі можна досліджувати різні ймовірносно-часові характеристики, зокрема, середній час затримки повідомлень, середню зайнятість лінії зв'язку при пропорційній зміні інтенсивності вхідних потоків для усіх пар «відправник-адресат».

Для реалізації на ЕОМ математичних моделей мереж зв'язку можуть бути використані як універсальні мови програмування, так і спеціалізовані пакети програм моделювання. Слід визначити, що на одному краю універсальності знаходяться загальні мови програмування типу ФОРТРАН, та більш спеціалізовані мови типу GPSS. Вони дають можливість при достатній кваліфікації в програмуванні створити і реалізувати моделі систем та мереж любої складності, але ціною значних витрат зусиль і часу. Хоча програмна система GPSS і має графічні засоби маніпулювання блок-схемами, можливості використання анімації та інтерфейсу з С++, однак для моделювання мережних об'єктів з великою кількістю зв'язків вона є мало прийнятною.

Інший шлях забезпечення універсальності системи моделювання полягає у виявленні та реалізації базових найбільш елементарних і загальних для різних застосувань функції мережі. Такий підхід забезпечує в більшості випадків максимальну ефективність використання функціональних можливостей систем моделювання. Однак при цьому основна частина роботи перекладається на користувача, чим підвищується трудомісткість створення складних інформаційних моделей. Іще один шлях полягає в реалізації максимальної кількості різних функцій, що покриває весь діапазон можливих застосувань. Але це ускладнює роботу з такою системою моделювання. Прикладом може служити моделююча програмна система, яка містить біля десятка тисяч функцій і об'єктивно-орієнтованих класів.

На іншому краю універсальності знаходяться спеціалізовані пакети комп'ютерної математики, що дозволяють виконувати символьно-чисельне моделювання систем широкого призначення. Серед них найбільшого поширення одержали такі пакети програм: Eureka, Mercury, MathCAD, Derive, Mathematika, Mapl.

Серед пакетів цього типа особливо вирізняється MatLab. В цьому пакеті задачі розширення можливостей вирішуються за допомогою додаткових спеціалізованих пакетів (Toolbox), що забезпечують можливості символьних та аналітичних обчислень, спеціальні засоби інтегрування з іншими пакетами. Нові властивості надала інтеграція з пакетом Simulink, що призначений для імітаційного моделювання блочно заданих динамічних систем та пристроїв. Пакет Simulink має широку бібліотеку математичних моделей різних за функціональним призначенням блоків. У склад створюваної моделі системи можуть включатися також генератори різного виду сигналів, віртуальні вимірювальні прилади, графічні засоби відображення результатів моделювання системи.

Вказані пакети дають можливість швидко орієнтувати їх на розв'язання задач моделювання в різних галузях: нейронних мереж і засобів телекомунікацій, проектування подійно-керуючих систем.

Однак ці універсальні програмні засоби не завжди відповідають вимогам моделювання систем у галузі зв'язку. Найбільш критичним параметром при цьому частіше всього є продуктивність. У випадку необхідності проведення значного обсягу досліджень, наявність спеціалізованого програмного засобу чи мови моделювання може значно (інколи на декілька порядків) прискорити процес дослідження та суттєво покращити його якісні характеристики. Ця обставина привела до появи надзвичайно великої кількості різних спеціалізованих моделюючих засобів та мов, що орієнтовані на конкретні галузі застосування.

При цьому одним із підходів до моделювання є створення спеціалізованих програмних імітаційних моделей, в яких опис моделі досліджуваної системи виконується в термінах цієї системи. У випадку моделювання мереж зв'язку при використанні даного методу, задається топологія мережі, склад і параметри обладнання у вузлах комутації та характеристики вхідних потоків інформації. Характерними представниками даного підходу є спеціалізовані пакети програм (програмні системи) CLASS/ANKLES, REAL, NEST, ANSAN, NS.

Зокрема, система CLASS/ANKLES призначена для імітаційного моделювання мереж АТМ. Особливістю її побудови є те, що вона складається із двох програмних імітаційних модулів, які позволяють проводити моделювання досліджуваної мережі із різним ступенем деталізації. Програмна імітаційна модель ANKLES дає можливість проводити моделювання мережі на рівні викликів. На цьому рівні деталізації можна досліджувати ймовірність блокування викликів, маршрутизацію і протоколи управління з'єднання. Програмна імітаційна модель CLASS дає можливість досліджувати ймовірність втрат частини даних протоколу, розподіл часу затримки доставки, ефективність управління потоку.

Розглянута система призначена для дослідження АТМ мереж і не може бути застосована для дослідження інших типів мереж. Однак при проектуванні у загальному випадку виникає необхідність проводити моделювання різних типів мереж. При цьому доцільно користуватись програмним середовищем NS (Network Simulator), яке розвинулось із REAL. Система NS призначена для моделювання широкого кола мережених архітектур з використанням стека протоколів TCP/IP. Система NS є об'єктно-орієнтованою системою імітаційного моделювання, яка створена на мові С++ з використанням мови OTcl. Мова С++ зручна з точки зору значної швидкодії при реалізації деталей протоколів та при роботі з великими масивами даних. Мова OTcl більш повільна у роботі, проте потребує меншого часу на зміни у програмі, що важливо при дослідженні впливу конфігурації, параметрів та управління мережі на її показники якості.

Наряду із згаданими вище пакетами програм при моделюванні мереж широко використовуються також пакети NetCracker Professional (NС) та Cinderella (SDL).

NetCracker - це програмний засіб мережного проектування та імітаційного моделювання апаратно-програмного забезпечення інформаційних мереж, за допомогою якого можна створювати статичні та динамічні моделі мереж з елементами візуалізації передавання пакетів даних у реальному і модельному часі. NetCracker містить бази даних з набором різних пристроїв, які дають можливість моделювати мережі різної конфігурації, технології з різною топологічною структурою. NetCracker можна використовувати для проектування локальних, глобальних, корпоративних мереж зв'язку. На таких проектах видно розташування вибраного обладнання, його технічні характеристики, по якому протоколу воно працює, яка технологія роботи застосовується та інше. Такі проекти дають можливість автоматично виконати оптимальне розташування обладнання та розрахунки вартості, а також дослідити до моменту побудови основні характеристики проектованих мереж (поточне та середнє робоче навантаження, середній час чекання, кількість переданих та загублених пакетів за певний інтервал часу, кількість заблокованих запитів та ін.).

Cinderella - програмний засіб, який дає можливість розробляти, аналізувати та моделювати процеси в динамічних системах, які описані на мові специфікацій та описів Cinderella в комбінації із двома іншими мовами специфікацій ASN.1 і MSC. На даний час мова Cinderella розвилася до об'єктно-орієнтованої мови і зараз широко використовується не тільки у телекомунікаціях, але і багатьох інших галузях. Cinderella призначена для моделювання процесів взаємодії, що описують протоколи передавання даних, протоколи сигналізації, вхідні та вихідні внутрістанційні з'єднання і багато чого іншого, що можна представити у виді процесів взаємодії. Мови ASN.1 і MSC призначені в основному для специфікації даних і являються признаними для описування даних у протоколах, які будуються у відповідності із моделлю взаємодії відкритих систем.

2. Пакети програм для моделювання і оптимізації систем

мережа зв'язок програма моделювання

Математичні моделі системи зв'язку повинні включати моделі різних типів джерел повідомлень, кодерів і декодерів, модуляторів і демодуляторів, каналів звязку. Для програмної реалізації математичних моделей різних варіантів системи зв'язку та процедури їх дослідження методом статичного моделювання на ЕОМ можуть буті використані універсальні мови типу Pascal та С++. На цих мовах можливо описати моделі усіх складових системи зв'язку. Для організації зручного інтерфейсу при роботі із реалізованою математичною моделлю системи можна використати можливості програмних середовищ Delphi та Builder. Як приклад можна навести пакети программ, що створені вказаними програмними засобами для моделювання та порівнювальних досліджень різних типів систем зв'язку.

На даний час існує ряд стандартних пакетів програм, що дозволяють моделювати і досліджувати системи зв'язку. Окрім пакетів програм моделювання систем, що згадані у п. 1, є багато інших програмних продуктів, що можуть бути використані для автоматизації проектування окремих пристроїв та систем зв'язку в цілому. Розглянемо деякі з них.

Пакет System Wiew являє собою «конструктор», за допомогою якого зі стандартних блоків може бути реалізована задана функціональна схема любої системи зв'язку. В пакеті існує обширна бібліотека, з каталогу якої вибирається потрібний функціональний модуль, який переноситься на схему. Після з'єднання усіх функціональних модулів і підключення усіх вимірювальних приладів задаються системні параметри: тривалість інтервалу спостереження, частота дискретизації, параметри швидкого перетворення Фур'є, а потім виконується моделювання. Розраховується перетворення Фур'є в різних точках схеми, кореляційні і взаємокореляційні функції, виконуються арифметичні і тригонометричні операції, проводиться статистичне опрацювання даних моделювання і багато чого іншого.

Незважаючи на потужні засоби аналізу у пакеті System Wiew опрацювання одержаних в результаті моделювання даних зручніше проводити з допомогою пакету LabView. Це програма функціонального моделювання систем та аналізу результатів досліджень за допомогою обширної бібліотеки програм статистичного аналізу, оцінювання різних характеристик сигналів, регресійного аналізу, частотно-часового аналізу, цифрового та інших видів опрацювання сигналів.

Пакет Microwave Office 2010 призначений для моделювання систем зв'язку на рівні структурних та функціональних схем, так як і пакет System View. Особливістю цього пакету є можливість проектування високочастотних пристроїв, а також моделювання процесів обробки складних сигналів, що є характерним для реальних систем зв'язку. Нелінійний аналіз в цьому пакеті виконується методом гармонічного балансу і рядів Вольтера.

Пакет HyperSignal Block Diagram - це програма моделювання аналогових і цифрових пристроїв, заданих функціональними схемами.

Пакети SPT і IPT виконують відповідно цифрове опрацювання сигналів і двовимірних зображень. До складу пакетів включені функції опрацювання сигналів, призначені для аналізу і перетворення часових послідовностей, а також двовимірних растрових зображень. Цей пакет включає в себе більш як 130 функцій, які розв'язують задачі цифрового опрацювання сигналів. Зокрема, функції, що виконують перетворення Фур'є і Гільберта, а також цифрову фільтрацію за допомогою цифрових фільтрів з різними частотними характеристиками. Пакет дозволяє розраховувати кореляційні функції, щільність спектральної потужності сигналів, оцінювати параметри фільтрів, використовуючи вимірювані відліки вхідного і вихідного сигналів.

Пакет APLA призначений для проектування і моделювання електричних схем і систем у часовій і частотній областях. До складу моделюємих систем можуть входити як цифрові, так і аналогові компоненти, у тому числі, високочастотні пристрої. Виконуються розрахунки: частотнх характеристик, спектральнї щільністі та коефіцієнту шуму, перехідних процесів, спектрів сигналів, проводиться параметрична оптимізація, статистичний аналіз за методом статистичних випробувань при випадкових вхідних впливах. Важливою особливістю пакета є наявність бібліотеки значного числа елементів принципових схем і окремих блоків, що застосовуються в аналогових і цифрових системах зв'язку.

Пакет DesignLab - це інтегрований програмний комплекс для автоматизації проектування аналогових, цифрових, а також змішаних (аналого-цифрових) пристроїв, синтезу пристроїв програмувальної логіки і аналогових фільтрів. У цьому пакеті проектування починається з введення принципової схеми пристрою, її моделювання й оптимізації та закінчується створенням керуючих файлів для программаторів, а також для фотоплоттерів і свердлильних верстатів з метою створення печатних плат.

Пакет Electronics Workbench - це система схемотехнічного моделювання та аналізу аналогових та цифро-аналогових систем великої складності. Пакет включає велику бібліотеку широко використовуваних схемних компонентів, параметри яких можуть мінятися в широкому діапазоні. Широкий набір вимірювальних приладів (осцилографів, аналізаторів спектру) дозволяє вимірювати різні величини та характеристики схеми.

Пакет Оr CAD - це програма моделювання і наскрізного проектування аналого-цифрових електронних пристроїв та автотрасировщика SPECTRA.

Програма Circuit Maker відноситься до простих систем автоматизованого проектування. Програма має власний редактор схем, що легко настроюється та адаптується до конкретних задач проектування систем. Можливості цієї програми еквівалентні пакету Elektronics Workbench.

Пакет Micro-Cap - це пакет схемотехнічного моделювання. З його допомогою виконується графічне введення проектованих схем і аналіз характеристик аналогових, цифрових і аналого-цифрових пристроїв, ведеться аналіз нелінійних схем на постійному струмі, розрахунок перехідних процесів і частотних характеристик. В пакет включено велику бібліотеку компонентів, до якої входять найбільш популярні цифрові інтегральні схеми дискретної логіки й аналогові компоненти типу діодів, транзисторів, ліній передавання з втратами, кварцових резонаторів і т.д.

Програма PSPICE A/D найкраще підходить для вирішення більш складних задач схемотехнічного моделювання. Раніше вона входила до складу пакету DisineLab. Потім вона ввійшла до пакету ОrCAD. Ця програма може виконувати різні види аналізу схем і має ряд функцій перегляду результатів моделювання. Доповнена спеціальним модулем PSPICE Optimizier, вона дає можливість не тільки моделювати, але й оптимізувати схеми за різними критеріями.

Програмний модуль SIM 10 SE дає можливість проводити всі види параметричного аналізу схем, змінюючи одночасно дві компоненти. Цей модуль входить до складу пакетів P-CAD 2002 та Protel 99 SE.

Програмний модуль View Analog має стандартний набір функцій моделювання змішаних аналого-цифрових пристроїв. Він дозволяє також моделювати поведінку програмуємих логічних схем. Цей модуль входить до пакету Product Designer.

Пакети проектування програмуємих логічних інтегральних схем. Окремою задачею автоматизації проектування систем є синтез заданих логічних схем, що визначають роботу складних пристроїв і реалізуються на програмуємих логічних інтегральних схемах. Для цих цілей можуть бути використані такі програмні продукти: програма Peak FPGA, модуль PLD 10 SE, програма FPGA Studio, пакет System View, програми Fusion/Speed Wave, Fusion/ViewSim, View PLD.

Слід зазначити що ряд із вказаних пакетів програм дають можливість не тільки моделювати та аналізувати задані схеми пристроїв та систем, але й проектувати топологію відповідних великих інтегральних схем (ВІС), виконувати їх аналіз електромагнітної сумісності і тепловий аналіз, а також проектувати відповідні печатні плати.

Размещено на Allbest.ru