Моделювання процесів передавання даних в інформаційно-вимірювальних системах інженерних мереж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький державний технічний університет

УДК 681.317

Спеціальність 01.05.02 - математичне моделювання та

обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Моделювання процесів передавання даних в

інформаційно-вимірювальних системах інженерних мереж

Єлісєєнко Андрій Євгенович

Вінниця - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник ддоктор технічних наук, доцент Дубовой Володимир Михайлович Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри комп'ютерних систем управління

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Волков Олександр Андрійович, Національний авіаційний університет, м. Київ,

професор кафедри комп'ютерних систем управління доктор технічних наук, професор Кветний Роман Наумович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри автоматики та інформаційно-вимірювальної техніки

Провідна установа: Харківський держаний технічний університет радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки, кафедра системотехніки

Захист відбудеться " 26 " жовтня 2001 р. о 9.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий " 24 " вересня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Захарченко С.М.

Анотації

Єлісєєнко А. Є. Моделювання процесів передавання даних в інформаційно-вимірювальних системах інженерних мереж. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи. - Вінницький державний технічний університет, Вінниця, 2001.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню математичних моделей інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) інженерних мереж з підсистемою зв'язку на основі цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) та чисельних методів їх практичної реалізації у вигляді методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення. Одержані математичні моделі ЦМІО з неоднорідним інформаційним трафіком, методами комутації каналів, комутації пакетів (кадрів) та використанням різноманітних способів передавання інформації під часу пауз інших повідомлень. Одержані математичні моделі оцінювання інформаційних характеристик та додаткових динамічних похибок, зумовлених затримками інформації в каналах зв'язку ІВС, які використовують засоби цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) як підсистему зв'язку. Розроблена методика проектування, яка представляє собою єдиний комплекс базових моделей, алгоритмічного та програмного забезпечення (InforPro), що дозволяють отримати основні параметри і характеристики ІВС та ЦМІО як на етапі проектування інформаційних систем так і в процесі експлуатації. Застосування на практиці програмного забезпечення InforPro дало успішні результати та довело доцільність його використання.

Ключові слова: математична модель, чисельний метод, інформаційно-вимірювальна система (ІВС), інженерна мережа, цифрова мережа інтегрального обслуговування (ЦМІО), передавання інформації під часу пауз, інформаційні характеристики, додаткова динамічна похибка.

Yelisyeyenko A. Modeling of data transmitting processes in Engineering Networks Informational and Measuring Systems. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree by specialty 01.05.02 - mathematical modeling and computer methods. - Vinnitsia State Technical University, Vinnitsia, 2001.

The thesis is dedicated to the elaboration of mathematical models of Engineering Networks Informational and Measuring Systems with subsystem of connection based on Integrated Service Digital Networks (ISDN) and computing methods of their realization in algorithms and software. The models of ISDN with heterogeneous informational traffic, channels commutation method (CCM), packets commutation method (PCM) and voice silent periods (pauses time) usage for information transmitting have been obtained. The mathematical models of informational characteristic and coursed by information delays in commutation channels additional dynamic errors of Informational and Measuring Systems based on ISDN have been obtained. The method of designing ISDN and the Informational and Measuring Systems have been elaborated. The method is the united sum of base models, algorithms and software (InforPro) for getting of parameters and characteristics of Informational and Measuring Systems and ISDN on step of designing and during of its using processes. The results of using software InforPro were successful and have proved expediency of InforPro usage.

Key words: mathematical model, computing methods, Informational and Measuring Systems, Engineering Networks, Integrated Service Digital Networks (ISDN), Information is transmitted during voice silent periods (pauses time), informational characteristic, additional dynamic errors.

Елисеенко А.Е. Моделирование процессов передачи данных в информационно-измерительных системах инженерных сетей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Винницкий государственный технический университет, Винница, 2001.

Диссертация посвящена разработке и исследованию математических моделей информационно-измерительных систем (ИИС) инженерных сетей с подсистемой связи на основе цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО) и численных методов их практической реализации в виде методического, алгоритмического и программного обеспечения.

В диссертации отмечается важная роль подсистемы связи в информационно-измерительных системах инженерных сетей, которая обусловлена большими размерами инженерных сетей, сложностями, возникающими при организации передачи информации на большие расстояния, высокой ценой аппаратного и программного обеспечения и каналов связи. Поэтому для организации передачи трафика рассматриваемых ИИС предложено использовать существующие ЦСИО, имеющие распространенную и развитую инфраструктуру связи, предоставляющие разнообразный сервис для передачи потоков информации.

Для моделирования процессов передачи данных в ЦСИО разработан подход, позволяющий учитывать время пауз одних сообщений для передачи других данных. Разработанный подход позволяет учитывать особенности информационных потоков и аппаратуры передачи в ЦСИО, специфические требования, предъявляемые как разработчиком системы, так и пользователем ее услуг. При применении этого подхода получены математические модели ЦСИО с неоднородным трафиком, методом коммутации каналов (МКК) и возможностью передачи информации во время пауз других сообщений с резервированием и без резервирования каналов связи для сообщений определенных типов.

Также получены математические модели ЦСИО с МКК и методом коммутации пакетов (кадров) (МКПК) с возможностью передачи информации во время пауз при использовании следующих способов передачи информации:

- передача в порядке поступления сообщений;

- передача нагрузки с МКПК только во время пауз нагрузки с МКК.

На основе полученных моделей проведены исследования рассматриваемых систем. Получены зависимости вероятности блокировки сообщений и времени доставки пакетов пользователю от состава ЦСИО, способа организации передачи, в том числе с использованием времени пауз, методов коммутации и характеристик других типов сообщений, которые передаются в системе.

В зависимости от используемого метода коммутации информационные потоки ИИС инженерных сетей разделяются на два класса. К первому классу относятся сообщения, передача которых производится в реальном масштабе времени (телефонные переговоры диспетчерского состава, телеконференции руководства, сигнализационная, телеметрическая и другая информация), для таких сообщений используется МКК. Ко второму классу относится информация, допускающая задержку в сети (потоки отчетной и архивной информации, некоторые виды измерительных данных, электронная почта и др.), для таких сообщений используется МКПК.

Разработаны математические модели оценки информационных характеристик и дополнительных динамических погрешностей, обусловленных задержками измерительной информации в каналах связи ИИС инженерных сетей, которые для передачи информации используют средства ЦСИО с МКК и МКПК.

Проведены исследования разработанных моделей. Получены зависимости информационных характеристик и дополнительных динамических погрешностей рассматриваемых ИИС от основных параметров цифровых сетей интегрального обслуживания и ИИС: корреляционных характеристик контролируемых параметров, общего числа каналов связи в системе, количества зарезервированных каналов связи, скорости передачи информации, состава сети, характеристик других информационных потоков и способа передачи информации в ЦСИО.

Разработанные математические модели положены в основу алгоритмического и методического обеспечения проектирования ИИС с передачей данных средствами ЦСИО, которые реализованы в программном обеспечении проектирования цифровых сетей интегрального обслуживания и ИИС инженерных сетей с передачей данных средствами ЦСИО.

Разработанное программное обеспечение использовалось для проектирования подсистемы связи информационной системы ОАО ЭК "Хмельницкоблэнерго", для оптимизации информационных потоков НПП "Компания Эл. Ай. Эс." и ООО "Relcom-Подолье" (г. Хмельницкий) при роботе с ресурсами Internet, для управления и оптимизации потоков информации корпоративной сети ЦПМ №2 Украинского государственного предприятия "Укртелеком" (г. Винница). Анализ результатов использования позволил сделать вывод об эффективности разработанного программного обеспечения и достоверности результатов диссертационных исследований.

Ключевые слова: математическая модель, численный метод, информационно-измерительная система (ИИС), инженерная сеть, цифровая сеть интегрального обслуживания (ЦСИО), передача информации во время пауз, информационные характеристики, дополнительная динамическая погрешность.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Широке впровадження інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) інженерних мереж тепло-, водо-, газо- та електропостачання муніципальної, регіональної власності і промислових підприємств, великі витрати на створення для них підсистем передавання даних вимагають створення нових та удосконалення існуючих методів математичного моделювання процесів передавання даних з метою їх оптимізації. математичний вимірювальний інженерний

Сучасні інженерні мережі охоплюють площі у десятки і сотні квадратних кілометрів, які обумовлені розмірами районів, міст та регіонів у цілому. Тому при проектуванні ІВС інженерних мереж перед розробниками на перший план стає проблема створення потужних засобів передавання інформації. Розробка власної підсистеми зв'язку ІВС є дуже складним завданням, яке потребує значних матеріальних витрат. Тому часто для передавання інформаційних потоків ІВС інженерних мереж використовують наявну структуру систем передавання даних загального користування, серед яких швидке поширення знаходять цифрові мережі інтегрального обслуговування (ЦМІО). Використання ЦМІО дозволяє значно заощаджувати кошти на проектування та побудову ІВС.

Але у цьому випадку розробники відчувають відсутність загальної методики прогнозування характеристик ІВС з передаванням даних засобами цифрових мереж (швидкодії, пропускної спроможності, додаткових динамічних похибок, зумовлених затримкою інформації в каналах зв'язку тощо), висування технічних вимог до сервісу ЦМІО та в цілому проектування таких ІВС. Відсутність загальних підходів до проектування ІВС, що розглядаються, і обумовлює актуальність дисертаційної роботи, яка полягає в створенні математичних моделей ІВС інженерних мереж, що використовують ЦМІО для передавання інформації при застосуванні різних способів організації зв'язку з можливістю передавання даних під час пауз основного трафіку. Розроблені моделі представляють основу для створення методики проектування як ЦМІО, так ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО, яка дозволяє значно скоротити час та витрати на побудову нових ІВС, введення яких в дію дозволить більш ефективно керувати технологічними та виробничими процесами, розподіленням витрат цінних природних ресурсів в інженерних мережах, що сьогодні є найбільш актуальним та необхідним в Україні.

Зв'язок роботи з науковим програмами, планами та темами. Обраний напрямок дисертаційної роботи співпадає з дослідженнями за держбюджетною науково-дослідною роботою № 46-Д-215 (№ держ. реєстрації 0100U002931) "Розробка теорії та алгоритмічних засобів моделювання та дослідження розподілених інформаційних систем", що виконується у Вінницькому державному технічному університеті протягом 2000-2001 р.р. Дисертант виконує обов'язки відповідального виконавця роботи, при проведені якої їм удосконалена та розроблена частина математичного та програмного забезпечення проектування інформаційних систем з передаванням даних засобами цифрових мереж. Також тематика дисертаційної роботи співпадає з напрямком держбюджетної науково-дослідної роботи № 46-Г-171 (№ держ. реєстрації 0197U012662) "Розробка концепції створення міжвузовської телекомунікаційної мережі Подільського регіону", що виконувалась у Вінницькому державному технічному університеті у 1997-1999 р.р. Дисертантові належить розробка математичного, алгоритмічного та програмного забезпечення, щодо проектування інформаційних мереж у частині використання устаткування цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО).

Мета і задачі досліджень. Мета дослідження полягає в отриманні нових математичних моделей, методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення для дослідження і проектування цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) та підсистеми зв'язку інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО.

Об'єктом дослідження роботи є моделі ІВС інженерних мереж, що використовують засоби та технології ЦМІО для передавання потоків інформації.

Предмет дослідження - моделі процесів передавання інформації ІВС інженерних мереж та методи їх покращання.

Для досягнення цієї мети необхідно розв'язати такі задачі:

1. Розробити підхід до моделювання процесів передавання інформації під час пауз основного трафіку ЦМІО та на його основі розробити математичні моделі ЦМІО з неоднорідним інформаційним трафіком, методом комутації каналів та використанням різноманітних способів передавання інформації при врахуванні часу пауз. Дослідити чисельні методи розв'язання задач пошуку характеристик таких систем.

2. Розробити нові математичні моделі ЦМІО з інформаційним трафіком, який передається за допомогою методів комутації каналів та комутації пакетів (кадрів), з використанням різноманітних способів передавання інформації при врахуванні часу пауз.

3. Провести аналіз та дослідження характеристик ЦМІО в залежності від способу передавання інформації з використанням часу пауз.

4. Розробити нові математичні моделі оцінювання інформаційних характеристик та додаткової динамічної похибки, зумовленої затримкою інформації в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж, які використовують засоби ЦМІО для передавання даних.

5. Провести дослідження залежності інформаційних характеристик та додаткових динамічних похибок, зумовлених затримками інформації у каналах зв'язку ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами цифрових мереж, від основних параметрів і характеристик ІВС та ЦМІО.

6. Розробити методичне, алгоритмічне та програмне забезпечення для проектування ЦМІО та підсистеми зв'язку ІВС інженерних мереж на основі цифрових мереж.

Методи дослідження. При розробці математичних моделей ЦМІО передбачається використовувати методи теорії ймовірностей, марківських процесів, апарат виробляючих функцій, які дозволять враховувати стохастичність процесів, що досліджуються, і полегшать математичне виведення основних результатів досліджень та апарат теорії графів і множин для групування параметрів і врахування зв'язків між цими групами. Для розробки математичних моделей ІВС інженерних мереж передбачається використовувати результати теорії інформації, кореляційного аналізу та теорії ймовірностей, що дозволить визначити інформаційний аспект задачі та випадковість процесів, які досліджуються. Аналіз та дослідження характеристик ЦМІО та ІВС інженерних мереж передбачається проводити за допомогою комп'ютерної техніки, алгоритмічних, програмних та спеціально розроблених у роботі математичних засобів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Одержані нові математичні моделі цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) з неоднорідним інформаційним трафіком, методом комутації каналів та використанням різноманітних способів передавання інформації при врахуванні часу пауз. На відміну від існуючих розроблені моделі дозволяють розглядати системи з використанням часу пауз для передавання потоків інформації, що потребують метод комутації каналів (МКК) при різноманітних способах передавання даних в ЦМІО.

2. Одержані нові математичні моделі ЦМІО з інформаційним трафіком, який передається за допомогою методу комутації каналів та методу комутації пакетів (кадрів), з використанням різноманітних способів передавання інформації при врахуванні часу пауз. На відміну від існуючих запропоновані моделі дозволяють оцінювати характеристики ЦМІО з передаванням інформації під час пауз інших повідомлень при використанні МКК та методу комутації пакетів (кадрів) (МКПК).

3. Одержані нові математичні моделі оцінювання інформаційних характеристик та додаткової динамічної похибки, зумовленої затримкою інформації в каналах зв'язку інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО. На відміну від існуючих запропоновані моделі дозволяють оцінити залежність інформаційних характеристик та додаткової динамічної похибки, зумовленої затримкою інформації в каналах зв'язку ІВС, що розглядаються, від основних параметрів ЦМІО та ІВС: кореляційних характеристик контрольованих параметрів, загальної кількості каналів зв'язку, кількості зарезервованих каналів зв'язку, швидкості передавання інформації каналів зв'язку, складу мережі, характеристик інших інформаційних потоків, що мають місце у ЦМІО, метода комутації повідомлень та способу передавання інформаційного трафіку ІВС у ЦМІО.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені математичні моделі покладені в основу створення методики проектування цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) з передаванням інформації під час пауз інших повідомлень та підсистеми зв'язку інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) інженерних мереж на основі засобів ЦМІО, для якої розроблене відповідно алгоритмічне та програмне забезпечення InforPro. Методику проектування доцільно використовувати на практиці для створення та керування ІВС інженерних мереж, ЦМІО та іншими системами цифрового передавання інформації (супутникові комунікаційні системи, телефонні мережі стільникового зв'язку цифрових форматів та інших).

Розроблене автором програмне забезпечення InforPro, що реалізує результати дисертаційних досліджень, впроваджене та використовується на таких підприємствах:

- НВП "Компанія Ел. Ай. Ес." (м. Хмельницький) для створення інформаційної мережі ВАТ ЕК "Хмельницькобленерго" з підсистемою зв'язку на основі систем передавання інформації загального користування;

- НВП "Компанія Ел. Ай. Ес." для управління і оптимізації інформаційних потоків при розробці проекту спільного використання каналів зв'язку з ТОВ "RelCom-Поділля" (м. Хмельницький) для роботи з інформаційними ресурсами Internet;

- Центр первинних мереж №2 Українського державного підприємства електрозв'язку "Укртелеком" (м. Вінниця) для оптимізації інформаційних потоків та параметрів корпоративної мережі ЦПМ - 2 по напрямках.

Окремі теоретичні результати дисертаційній роботи та програмне забезпечення впроваджено в учбовий процес по викладанню дисципліни "Багатомашинні комплекси та мережі ЕОМ" на кафедрі комп'ютерних систем управління Вінницького державного технічного університету. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. Серед робіт, опублікованих у співавторстві, дисертантові належить проведення порівняльного аналізу характеристик цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) від способу передавання інформації [ 3 ] розробка математичних моделей оцінювання параметрів ЦМІО з методом комутації каналів (МКК) та методом комутації пакетів (кадрів) (МКПК) [ 5 ], розробка методики проектування ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО [ 6 ], розробка математичних моделей оцінювання інформаційних характеристик ІВС, які передають інформацію через ЦМІО з МКПК [ 7 ], розробка математичних моделей оцінювання інформаційних характеристик ІВС, які передають інформацію через ЦМІО з МКК [ 8 ], розробка алгоритмічного та програмного забезпечення [ 11 , 12 ].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на таких конференціях: IV Міжнародна науково-практична конференція "Контроль і управління в технічних системах" (КУТС-97) (м. Вінниця, 1997), ІІ Всеукраїнська молодіжна науково-практична конференція "Людина та космос" з міжнародною участю (Дніпропетровськ, 2000), VII Науково-технічна конференція "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (м. Хмельницький, 2000), VI Всеукраїнська науково-методична конференція з проблем економічної кібернетики (Харків, 2000), XXIX науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів ВДТУ за участю працівників науково-дослідницьких організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці (Вінниця, 2000), міжнародна конференція "Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи: Друкотехн - 2000" (Львів, 2000).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 праць, у тому числі 7 надруковано у наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України, 3 роботи опубліковані в збірниках матеріалів конференцій та отримані два авторських свідоцтва на розроблене програмне забезпечення.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків (13 додатків). Загальний обсяг дисертації складає 248 сторінок, з яких основний зміст, викладений на 157 сторінках друкованого тексту, містить 37 рисунків та 27 таблиць. Список джерел складається з 117 найменувань.

Автор висловлює щиру подяку першому науковому керівнику, д. т. н., професору Л.О. Шарейко за наукові консультації та колегам по кафедрі комп'ютерних систем управління і університету за допомогу у роботі і корисні зауваження.

Основний зміст роботи

У вступі до дисертації обгрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами та темами. Сформульована мета та задачі дисертації, описані основні результати, охарактеризована їх новизна, достовірність, практична цінність та ступінь впровадження.

В першому розділі проведено огляд та аналіз існуючих математичних моделей і методів моделювання процесів, що відбуваються у цифрових мережах інтегрального обслуговування (ЦМІО) та інформаційно-вимірювальних системах (ІВС) інженерних мереж, також проаналізована можливість передавання інформації ІВС засобами ЦМІО.

У наведеному аналізі відзначається важлива роль підсистеми передавання інформації ІВС, яка обумовлена великими розмірами інженерних мереж, ускладненнями, що виникають при організації передавання інформації на великі відстані та високою ціною апаратного, програмного забезпечення і каналів зв'язку (КЗ). Тому для організації передавання трафіку ІВС інженерних мереж (потоки звітної, вимірювальної інформації, телеконференції диспетчерських служб тощо) показана перспектива використання ЦМІО-технологій, які набувають стрімкого розвинення і розповсюдження та мають велику інфраструктуру зв'язку передавання інформації ІВС інженерних мереж у ЦМІО доцільно використовувати способи підвищення ефективності експлуатації комунікаційного обладнання, до яких відноситься передавання інформації під час пасивності користувачів ЦМІО під час сеансів зв'язку (далі для стислості - час пауз). Час пауз складає від 20% до 80% загального часу мовного трафіку, сеансів зв'язку інформаційно-пошукових систем, передаванні малодинамічної теле- і відеоінформації та деяких інших видів повідомлень ЦМІО.

Оскільки критерієм ефективності роботи ІВС обирається пропускна здатність, яка визначає можливість забезпечення споживачів необхідною інформацією про стан об'єктів у системі при обмеженнях на загальну вартість системи та моделей, що використовуються при проектуванні, то метою моделювання є визначення часу доставки інформації користувачу для трафіка з методом комутації пакетів (кадрів) (МКПК) та ймовірність блокування повідомлень у цифрових мережах для інформаційних потоків з методом комутації каналів зв'язку (МКК) від яких залежать інформаційні характеристики та додаткові динамічні похибки, зумовлені затримками інформації в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО.

В другому розділі запропоновано підхід до моделювання передавання даних у ЦМІО, який дозволяє врахувати час пауз для передавання інформації ЦМІО з резервуванням та без резервування каналів зв'язку за повідомленнями визначених типів при використанні МКК.

Для зручності викладу матеріалу вводяться наступні визначення.

1) Для врахування пауз, які виникають у процесі передавання повідомлень і-го типу (i-повідомлень), вводиться вектор коефіцієнтів використання швидкості передавання інформації, що виділяється для i-повідомлень , де - кількість інформаційних потоків, що передаються у ЦМІО. Значення кожного компонента вектора характеризує середню статистичну долю часу активності користувачів під час передавання і-повідомлення, і=1,…,М

де - доля часу пасивності користувачів під час сеансів зв'язку і-повідомлень. Значення і змінюються у межах від 0 до 1 і визначаються з статистичних даних. Якщо під час передавання і-повідомлення відсутні паузи, це означає, що коефіцієнт і дорівнює 1. У протилежному випадку: . Рівність коефіцієнта і нулю відповідає випадку сеансу зв'язку, коли абоненти виявляють повну пасивність (наприклад, під час телефонної розмови - повне мовчання). Вважається, що інформація, яка передається під час пауз інших повідомлень, зберігає експоненціальний час передавання з параметром tперi.

2) Матриця спільного використання каналів зв'язку повідомленнями різних типів: Е = iji,jM. Якщо елемент матриці ij=1, то i-повідомлення може використовувати канали лінії зв'язку ЦМІО, по яких передається j-повідомлення. Якщо ж спільне використання каналів зв'язку повідомленнями i та j типів неможлива, то ij =0.

3) Вся множина типів повідомлень М, що надходять у ЦМІО, поділяється на три підмножини, що не перетинаються:

- підмножина H (Host) - це множина типів повідомлень (H-повідомлень), що відповідно до матриці Е під час пауз надають свої канали зв'язку для передавання інших повідомлень, позначення: "Hj-повідомлення" означає, що j-тий тип повідомлення входить у підмножину Н, H-повідомлення мають хоча б один ненульовий елемент у відповідному їм стовпчику матриці Е та усі нульові елементи у відповідному рядку;

- підмножина U (User) - це множина типів повідомлень (U-повідомлень), що відповідно до матриці Е передаються по каналах зв'язку H-повідомлень під час пауз, позначення: "Ui-повідомлення" означає, що i-тий тип повідомлень входить у підмножину U, U-повідомлення мають нульовий стовпчик і хоча б один відмінний від нуля елемент у відповідному їм рядку матриці Е;

- підмножина К - це множина типів повідомлень (K-повідомлення), що під час свого передавання не можуть спільно використовувати канали зв'язку ні з якими іншими повідомленнями, позначення: "Ki-повідомлення" означає, що i-тий тип повідомлення входить у підмножину K, K-повідомлення мають нульовий рядок і нульовий стовпчик у матриці Е.

4) Канали зв'язку, по яких передається Н-повідомлення з незайнятими паузами під передачу якогось Ui-повідомлення (відповідно до матриці Е) назвемо Н-каналами зв'язку, по яких можуть передаватися Ui-повідомлення.

5) Канали зв'язку, по яких передається U-повідомлення з незайнятими паузами під передачу якогось Нj-повідомлення (відповідно до матриці Е) назвемо U-каналами зв'язку, за якими можуть передаватися Hj-повідомлення.

Кожний тип Hj-повідомлення має власну множину Вj, j=1,…, M типів Ui-повідомлень, які можуть використовувати КЗ, по яких передаються Hj-повідомлення. Обов'язковою умовою належності типів Ui-повідомлень до множини Вj, є те, що сума коефіцієнтів використання швидкості передавання інформації повідомленнями різних типів, що входять у цю множину, не повинна перевищувати одиниці. Крім цього можуть бути вироблені деякі додаткові вимоги до типу Ui-повідомлення, сформульовані у правилі визначення елементів матриці Е, виконання яких є невід'ємною умовою належності до множини Вj. До таких вимог можна віднести, наприклад, рівність числа КЗ, що одночасно виділяються різним типам повідомлень, завантаження повідомленнями, особливості функціонування апаратного та програмного забезпечення ЦМІО тощо. Таким чином елементи матриці Е визначаються з такого виразу

де - множина типів Ui-повідомлень, що задовольняють вимогам правила визначення елементів матриці Е та можуть входити у множину Вj, j=1,…,M.

Отже для врахування часу пауз для передавання повідомлень у ЦМІО необхідно зробити наступні дії.

1. Визначається вектор коефіцієнтів використання швидкості передавання інформації, що виділяється для i-повідомлень . 2. На основі вектору , обраного способу розподілу КЗ між вхідними повідомленнями (резервування КЗ для повідомлень визначених типів, передавання інформації під час пауз тощо) формулюється правило визначення елементів матриці спільного використання КЗ повідомленнями різних типів Е. 3. Використовуючи формулу (2) визначаються елементи матриці Е. 4. Далі на основі елементів матриці Е визначаються підмножини H-, U- та К- повідомлень. 5. Отримані елементи матриці Е, склад підмножин H-, U- і К- повідомлень та характеристики інформаційних потоків є основою для розробки математичних моделей ЦМІО, що отримані за допомогою теорії мультиресурсних систем при припущеннях про пуассонівський характер інформаційних потоків з експоненціальним законом часу передавання. Функціонування ЦМІО описується марківським процесом у множині станів D6, де - кількість i-повідомлень, i=1,…,M у системі у моменти . D6 - множина М-мірних векторів з позитивними цілочисельними координатами. За рахунок використання часу пауз для передавання інформації множина D6 має розширений вигляд: додаткові стани системи визначаються випадками, коли у системі передаються повідомлення під час пауз інших.

Таким чином множина станів D6 ЦМІО з використання часу пауз для передавання інформації без резервування КЗ визначається з виразу

,

а множина станів D7 ЦМІО з резервуванням КЗ та урахуванням часу пауз

,

де gi, i=1,…, М - кількість КЗ для передавання одного i-повідомлення; СUi, i=1,…, М - додаткова кількість КЗ для передавання Ui-повідомлення, коли у системі знаходиться повідомлень

С - кількість КЗ у ЦМІО; СUiс, i=1,…, М - додаткова кількість КЗ у загальному пулі (загальнодоступні КЗ для будь-яких повідомлень) для передавання Ui-повідомлення, коли там знаходиться повідомлень

;

- загальна місткість індивідуального пула для Hj-повідомлень (кількість зарезервованих КЗ);

Перевірка достовірності одержаних результатів та адекватності моделей на відомих частних випадках показує: якщо елементи матриці Е прийняти рівними нулю, отримаємо моделі множини D4 Башаріна для неповнодосяжного способу розподілу каналів зв'язку. Прирівнюючи вектор індивідуальних пулів нулю, приходимо до моделі множини D2 для повнодосяжного способу розподілу каналів зв'язку. Якщо місткість загального пула каналів менше мінімального компонента вектора :

с=С-b<min(),

то виходить модель множини D1 для способу повного розподілу. Відзначимо, також, що у випадку М=1, g1=1 та множини D6 або D7 із нульовими елементами матриці Е отримаємо відому В-формулу Ерланга.

Стаціонарна ймовірність того, що у системі перебуває повідомлень має мультиплікативний вигляд:,

,

,

де G(M,C) - константа, що нормована; - ненормована стаціонарна ймовірність повідомлень; і - завантаження потоком повідомлень i-го типу; i - інтенсивність передавання i-повідомлення у ЦМІО; i - інтенсивність надходження пуассонівського i-го потоку повідомлень.

Ймовірність блокування i-повідомлень, що знову надходять у систему з використанням часу пауз для передавання іншої інформації

,

де - наявність для i-повідомлення, i=1,…,M у системі вільних КЗ.

Резервування КЗ сприяє зменшенню значення ймовірності блокування 3-го типу повідомлень при зростанні кількості зарезервованих КЗ за рахунок погіршення цієї характеристики для інших типів повідомлень.

Досліджені чисельні методи розрахунку отриманих моделей. Для знаходження константи, що не нормована, визначені вимоги застосування методу Бузена: кількість інформаційних потоків повинна бути парним числом, а компоненти вектора кількості каналів зв'язку повинні бути рівними між собою: gi=const, i=1,…, М.

В інших випадках використовуються класичні комбінаторні методи пошуку елементів множин D6 та D7 відповідно до виразів (3) та (4).

У третьому розділі отримуються нові математичні моделі ЦМІО при використанні МКК та МКПК. Розглядається одноканальна інтегральна система з швидкістю передавання данних Vk, на вхід якої надходять два типі пуассонівських потоків повідомлень з експоненціальним часом передавання (1-ий тип - телефоні розмови, 2-ий тип - інформаційні пакети) з параметрами відповідно і , та з середніми довжинами і .

Передавання інформації здійснюється у порядку надходження (ППНП). У випадку зайнятості каналу зв'язку телефонні розмови будуть завжди блокуватися, а пакети накопичуються у черзі необмеженого розміру. Крім того, під час зайнятості КЗ телефонною розмовою система передає пакети під час пауз, що виникають, з експоненціальною інтенсивністю п. Параметр п визначається формулою

.

Час доставки інформації визначається формулою (8).

,

, , .

Наступна модель отримана для системи, де передавання інформаційних пакетів ведеться тільки під час пауз телефонних розмов (ПП).

, , .Ці залежності наочно демонструють зворотно пропорційний зв'язок часу доставки інформаційних пакетів від завантаження системи потоком телефонних розмов. Зростання тривалості пауз веде до збільшення інтенсивності передавання пакетів, що зменшує затримку пакетних даних в системі. Крім того затримка пакетів суттєво збільшується з ростом їх завантаження в системі та прагне до нескінченності при наближенні

.

У четвертому розділі одержані нові математичні моделі оцінювання інформаційних характеристик та додаткової динамічної похибки, зумовленої затримкою інформації в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО на основі результатів, що одержані у другому та третьому розділах.

Для оцінювання кількості інформації, що надходить користувачу ІВС за час t необхідно визначити ймовірність працездатності вимірювального каналу, яка є ймовірністю події, що складається з двох таких незалежних подій: перша - вимірювальний прилад працездатний та друга подія - можливість передати інформацію через підсистему зв'язку ІВС у випадку використання ЦМІО з МКК або пакет інформації, що посланий у мережу, доходить до адресата у випадку використання ЦМІО з МКК та МКПК.

Отже вираз для визначення ймовірності працездатності вимірювального каналу для випадку використання МКК має вигляд

,

де - ймовірність блокування трафіку ІВС у ЦМІО, що має С каналів зв'язку, яка визначається виразом (6);

- ймовірність працездатності вимірювального приладу, а для випадку використання МКПК

,

де - ймовірність утрати пакету в цифрової мережі.

Якщо пакет послідовно проходить дві та більше компонент зв'язку до пункту призначення, то визначені часи доставки пакету на кожної компоненті сумуються і середній час доставки пакетних даних користувачу визначається з наступного виразу:

.

Зменшенню сприяє організація передавання пакетів під час пауз інших повідомлень, наприклад, телефонних розмов. Отже цей час визначається способом розподілу КЗ між вхідними повідомленнями та складом структури системи (кількість каналів зв'язку тощо). Значення параметру визначає коефіцієнт кореляції між двома сусідніми вимірюваннями: .

Отже для оцінки інформаційних характеристики потоків ІВС, які застосовують засоби ЦМІО з МКК для передавання даних використовується вираз (12), а при застосуванні ЦМІО з МКПК застосовується формула (13).



де - ентропійний коефіцієнт діапазону вимірювального сигналу, тобто такий коефіцієнт, при якому величина дорівнює ентропії рівномірного закону розподілу; - ентропійний коефіцієнт похибки інформаційного каналу; - діапазон можливих значень вимірюваної величини; -середнє квадратичне відхилення значень вимірюваної величини; - коефіцієнт кореляції між двома сусідніми значеннями вимірюваної величині; - інтервал часу між двома сусідніми вимірюваннями.

Для оцінювання додаткових динамічних похибок, зумовлених затримками інформації в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж, використовується вираз:

.

Результати, що одержані в роботі, використовуються для розробки методики проектування ЦМІО та підсистеми зв'язку ІВС на основі цифрових мереж.

П'ятий розділ присвячений питанням практичної реалізації результатів дисертації. Обґрунтована структура програмного забезпечення InforPro, в основу якого покладені розроблені методика та моделі. Програмне забезпечення InforPro було застосовано для проектування підсистеми зв'язку комп'ютерної мережі ВАТ ЕК "Хмельницькобленерго", яка призначена для транспортування інформаційних потоків між обладнанням збору та обробки даних про параметри електроенергії та її потужності у Подільському регіоні.

На основі аналізу результатів моделювання для передавання інформації між підприємствами електромереж у Хмельницькому та регіональним диспетчерським центром у Вінниці запропоновано використання одного цифрового КЗ з передаванням інформації під час пауз. При цьому забезпечується достатня для розрахункових інформаційних потоків пропускна здатність системи, яка відповідає двом цифровим КЗ з передаванням інформації без використання часу пауз.

Також результати дисертації використовуються групою автоматизації виробничих процесів для оптимізації інформаційних потоків та параметрів корпоративної мережі ЦПМ - 2 державного підприємства електрозв'язку "Укртелеком", ефект від впровадження полягає у підвищенні корисного завантаження каналів зв'язку та уточнені параметрів основних характеристик корпоративної мережі ЦПМ - 2, що експлуатується. Результати розрахунків застосовуються при керуванні завантаженням корпоративної мережі ЦПМ - 2 по напрямках.

Аналіз практичної реалізації отриманих результатів та їх впровадження підтвердили їх достовірність та практичну цінність.

Висновки

Сукупність наведених у дисертаційній роботі результатів дозволяє розв'язати важливу наукову задачу, яка має теоретичне та прикладне значення, що полягає у створенні математичних моделей цифрових мереж інтегрального обслуговування (ЦМІО) з можливістю передавання інформації під час пауз при різноманітних варіантах складу структури мережі і способах передавання інформації та інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) інженерних мереж, які для передавання потоків інформації використовують засоби ЦМІО.

У дисертаційній роботі одержані наступні теоретичні та практичні результати:

1. На основі запропонованого підходу для моделювання процесів передавання інформації під час пауз основного трафіку ЦМІО, одержані нові математичні моделі ЦМІО з неоднорідним інформаційним трафіком, методом комутації каналів (МКК) та використанням різноманітних способів передавання інформації при врахуванні часу пауз. На відміну від існуючих розроблені моделі дозволяють розглядати системи з використанням часу пауз для передавання потоків інформації, що потребують МКК при різноманітних способах передавання даних в ЦМІО.

2. Одержані нові математичні моделі ЦМІО з інформаційним трафіком, який передається за допомогою МКК та методу комутації пакетів (кадрів) (МКПК), з використанням різноманітних способів передавання інформації при врахуванні часу пауз. На відміну від існуючих запропоновані моделі дозволяють оцінювати характеристики ЦМІО з передаванням інформації під час пауз інших повідомлень при використанні МКК та МКПК.

3. На основі розроблених математичних моделей ЦМІО одержані нові результати досліджень цифрових систем з використанням часу пауз для передавання даних при різних варіантах структури ЦМІО, способах розподілу каналів зв'язку між вхідним трафіком та параметрів інформаційних потоків.

4. Одержані нові математичні моделі оцінювання інформаційних характеристик та додаткової динамічної похибки, зумовленої затримкою інформації в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО. На відміну від існуючих запропоновані моделі дозволяють оцінити залежність інформаційних характеристик та додаткових динамічних похибок, зумовлених затримками інформації в каналів зв'язку ІВС, що розглядаються, від основних параметрів ЦМІО та ІВС: кореляційних характеристик контрольованих параметрів, загальної кількості каналів зв'язку, кількості зарезервованих каналів зв'язку, швидкості передавання інформації каналів зв'язку, складу мережі, характеристик інших інформаційних потоків, що мають місце у ЦМІО, метода комутації повідомлень та способу передавання інформаційного трафіку ІВС у ЦМІО.

5. На основі розроблених математичних моделей оцінювання характеристик та додаткових динамічних похибок, зумовлених затримками в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж, вперше одержані результати досліджень інформаційних характеристик та додаткової динамічної похибки, зумовленої затримкою інформації в каналах зв'язку ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО-служб від параметрів ІВС та ЦМІО.

6. Розроблено методичне, алгоритмічне та програмного забезпечення для проектування ЦМІО та ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО. Розроблена методика дозволяє оцінити параметри ЦМІО, інформаційні характеристики та додаткові динамічні похибки, зумовлених затримками у каналах зв'язку ІВС інженерних мереж з передаванням даних засобами ЦМІО.

Результати, що одержані під час проведення дисертаційної роботи, дозволили окреслити задачі подальших досліджень, які складаються в розробці та аналізу математичних моделей ЦМІО з довільним законом розподілу вхідних інформаційних потоків та іншими способами передавання інформації.Список опублікованих праць за темою дисертації

Єлісєєнко А. Є. Використання структури ISDN для передавання потоків даних ІВС // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля). - 1999. - №3. - С. 107-110.

Єлісєєнко А. Є. Моделі ISDN з резервуванням каналів зв'язку та використанням пауз для передавання інформації // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля). - 1999. - №4. - С. 82-86.

Дубовой В.М., Єлісєєнко А. Є. Вплив способу інтеграції інформації на характеристики потоків ІВС, що передаються в ISDN // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харків: ХДПУ. - 2000. - №94. - С. 18-22.

Елисеенко А.Е. Оценка вероятности блокировки сообщений в ЦСИО при использовании пауз в передаче информации // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" Радіоелектроніка та телекомунікації. - Львів: Львівська політехніка. - 2000. - №387. - С. 277-285.

Шарейко Л.А., Елисеенко А.Е. Модели оценки эффективности одноканальной интегральной системы при использовании пауз в передаче информации // Вісник Державного університету "Львівська політехніка" Радіоелектроніка та телекомунікації. - Львів: Львівська політехніка. - 2000. - №387. - С. 286-292.

Дубовой В.М., Єлісєєнко А. Є. Метод проектування розподілених ІВС з підсистемою зв'язку на основі цифрових мереж // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах (Технологічний університет Поділля). - 2000. - №1. - С. 106-112.

Дубовой В.М., Єлісєєнко А. Є., Наталич О.М. Алгоритм оцінки інформаційних характеристик пакетних даних РІВС з підсистемою зв'язку на основі ISDN // Збірник наукових праць "Комп'ютерні технології друкарства". - Львів: Фенікс. - 2000. - №5. - С. 246 - 253.

Дубовой В.М., Єлісєєнко А. Є. Інформаційні характеристики розподілених ІВС з використанням засобів ISDN як підсистеми зв'язку // Збірник наукових праць за результатами VII науково-технічна конференція "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах". - Хмельницький: РВЦ ТУП. - 2000. - С. 47 - 51.

Елисеенко А.Е. Модели оценки эффективности ISDN при использовании пауз в передаче информации // ІІ Всеукраїнська молодіжна науково-практична конференція з міжнародною участю "Людина та космос": Збірник тез. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ. - 2000. - С. 305.

Елисеенко А.Е. Метод максимальной экономии для выбора оптимальной структуры вычислительных сетей с учетом ненадежности каналов связи и времени доставки сообщения пользователю // Праці 4-ої Міжнародної конф. "Контроль і управління в технічних системах" (КУТС-97). - Том 3. - Винница: УНІВЕРСУМ-Винница. - 1997. - С. 169-174.

Комп'ютерна програма: "Интегрированная программная среда UniNetPro. Программное обеспечение для анализа и синтеза информационных сетей": А.с. №2557 ПА. Україна. / Л.А. Шарейко, А.Е. Елисеенко; Дата реєстрації 16.12.1999. Дата видачі 29.12.1999.

InforPro. Програмне середовище для проектування ISDN та розподілених інформаційно-вимірювальних систем з використанням засобів ISDN як підсистеми зв'язку: А.с. № 3114 ПА. Україна. / В.М. Дубовой, А.Є. Єлісєєнко; Дата реєстрації 6.06.2000. Дата видачі 03.08.2000.

Размещено на Allbest.ru