Моделі та методи реструктуризації телекомунікаційних систем в умовах нестаціонарності

Размещено на http://allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

“Моделі та методи реструктуризації телекомунікаційних систем в умовах нестаціонарності”

Абдельхамід Б.М. Зугбор

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук

ЛЕМЕШКО Олександр Віталійович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

доцент кафедри телекомунікаційних систем.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Поляков Петро Федорович,

Українська державна академія залізничного транспорту,

завідувач кафедри транспортного зв'язку;

кандидат технічних наук, доцент

РУККАС Кирило Маркович,

Харківський університет повітряних сил ім. Івана Кожедуба,

доцент кафедри тактики радіотехнічних з'єднань, частин і підрозділів.

Провідна установа: Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова,

кафедра автоматичної комутації, Державний департамент з питань зв'язку та інформатизації Міністерства транспорту та зв'язку України, м. Одеса.

Захист відбудеться “ 3 ” липня 2006 року о ___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 2 ” червня 2006 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук В.М. Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність сучасних телекомунікаційних систем (ТКС), що тісно пов'язана з наданням послуг гарантованої якості, багато в чому визначається складом та дієвістю рішень завдань мережного управління. Особливо це проявляється в умовах обмеженості мережних ресурсів (буферного простору на вузлах мережі, пропускної здатності трактів передачі, обчислювальних потужностей, часу на прийняття управлінських рішень) і нестаціонарності трафіка, характеристики якого змінюються відповідно до потреб абонентів ТКС. Причому ці зміни можуть відбуватися як на досить коротких часових інтервалах, так і протягом доби, днів тижня ті ін. В подібних умовах особлива роль відводиться засобам реструктуризації ТКС, які повинні забезпечувати якісне розв'язання широкого кола задач структурно-параметричної адаптації та управління, тобто задач управління мережним ресурсом, пріоритетами, трафіком, маршрутизацією та за необхідністю і самою структурою системи. Таким чином, процес реструктуризації можна розглядати як адекватну реакцію систем мережного управління на зміну умов функціонування ТКС.

Однак сучасні засоби реструктуризації ТКС, які покладено в основу існуючих телекомунікаційних технологій, не носять превентивного характеру, тому що забезпечують адаптацію, як правило, лише до топологічних параметрів мережі. Динаміка ж зміни стану ТКС і характеристик абонентського трафіка практично не враховується, що призводить в сучасних умовах забезпечення мультисервісу та якості обслуговування до перевантаження окремих мережних вузлів і трактів передачі або до не завжди обґрунтованого обмеження зовнішнього навантаження. Причина цієї ситуації полягає в тому, що основу існуючих засобів реструктуризації ТКС складають рішення, які базуються переважно на евристичних схемах та досить простих математичних моделях, визначаючи у тому чи іншому вигляді зміст й ефективність функціонування відповідного протоколу управління.

Перспективні моделі й методи реструктуризації мають забезпечувати необхідну системність рішень, враховувати динамічний, нестаціонарний характер процесів реструктуризації, стохастичність зміни стану системи, а також необхідність розширення переліку структурно-функціональних параметрів і характеристик, за якими відбувається адаптація до зміни умов функціонування ТКС. Як показав проведений аналіз, одним з достатньо конструктивних є підхід, який базується на описі подібних нестаціонарних процесів локально-стаціонарними моделями з оцінкою моментів переходу в інший стаціонарний стан. Використання такого підходу надає можливості застосувати досить потужний математичний апарат методів змінних стану, процедур рекурсивної оцінки і управління для врахування широкого переліку вимог щодо якості рішень в області реструктуризації, висунутих у ході реалізації перспективних концепцій і технологій мережного управління. У зв'язку з цим тематика даної дисертаційної роботи, яка присвячена розв'язанню наукової задачі щодо вдосконалення засобів реструктуризації ТКС в умовах невизначеності її стану, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами й темами. Дисертаційна робота проводилася відповідно до вимог "Концепції розвитку зв'язку України до 2010 року", "Концепції конвергенції телефонних мереж і мереж з пакетною комутацією в Україні" і є продовженням і подальшим розвитком наступних науково-дослідних робіт (НДР), в яких здобувач виступав виконавцем:

№129-1 "Розробка технології побудови активних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу та синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем" (ДР № 0101U005126), що виконувалася в Харківському національному університеті радіоелектроніки (ХНУРЕ);

"Розробка концепції обробки, аналізу та передачі даних в ІАС НКАУ" (шифр "Моніторинг-С"), що виконана в Харківському державному регіональному науково-технічному центрі з питань технічного захисту інформації (ХД РНТЦ ТЗІ).

Мета роботи - підвищення продуктивності ТКС шляхом її реструктуризації.

Для розробки моделей та методів реструктуризації ТКС у дисертаційній роботі розв'язувалися наступні взаємозалежні задачі дослідження:

обґрунтування необхідності і можливості розробки динамічних моделей реструктуризації ТКС за різних умов невизначеності структурних і функціональних параметрів, що визначають характеристики трафіка та стан системи в цілому; телекомунікаційний нестаціонарність реструктуризація

розробка методів реструктуризації ТКС в умовах різного роду невизначеності стану ТКС і характеристик абонентського трафіка;

оцінка ефективності розроблених моделей та методів реструктуризації за обраними показниками ефективності з формулюванням рекомендацій щодо їх практичного використання в сучасних та перспективних ТКС.

Об'єктом дослідження є процес реструктуризації ТКС.

Предметом дослідження є моделі та методи реструктуризації ТКС.

Методи дослідження. У роботі знайшли своє застосування як аналітичні, так й імітаційні методи дослідження. При розробці динамічних моделей реструктуризації ТКС були використані методи простору станів й апарат диференційно-різницевих рівнянь, теорія марковських випадкових процесів та теорія ймовірностей; при розробці методів реструктуризації була використана теорія оптимального управління, оцінювання, ідентифікації та методи теорії ігор.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. У роботі одержала подальший розвиток динамічна математична модель реструктуризації ТКС, новизна якої полягає в тому, що вона на відміну від раніше відомих моделей враховує виникнення невизначеності стаціонарного стану системи. Це дозволило забезпечити врахування невизначеності, викликаної випадковою зміною структурних і функціональних параметрів ТКС, що визначають її стан, шляхом введення відповідного вектора параметрів невизначеності, компоненти якого входили до складу матричних операторів запропонованої моделі.

2. Удосконалено динамічну модель реструктуризації ТКС в умовах нестаціонарної невизначеності стану системи. Новизна моделі полягає, по-перше, у забезпеченні врахування нестаціонарності й стрибкоподібної зміни характеристик абонентського трафіка за рахунок введення відповідних індикаторів нестаціонарності в рівняння динаміки й спостереження (виміру) стану ТКС, і по-друге, у представленні процесу реструктуризації у вигляді кусочно-стаціонарного марковського процесу з умовно випадковою зміною структури ТКС, законів управління, пропускної здатності трактів передачі, порядку підключення мереж доступу й перерозподілу абонентського навантаження.

3. Розроблено метод реструктуризації ТКС, новизна якого полягає в тому, що він на відміну від раніше відомих забезпечує адаптацію й управління мережними ресурсами в умовах невизначеності структурно-функціональних мережних параметрів і характеристик абонентського трафіка. Це вдалося зробити за рахунок комплексного використання моделей (процедур) адаптивного оцінювання стану ТКС і динамічного управління канальними та буферними мережними ресурсами. Використання запропонованого методу дозволяє одержати більш точні оцінки стану та більш високі показники продуктивності ТКС у цілому в умовах її реструктуризації при реалізації як статичних, так і динамічних стратегій управління мережними ресурсами.

4. Одержав подальший розвиток метод реструктуризації телекомунікаційної системи на підставі розподіленого управління мережними ресурсами в умовах невизначеності спостереження її стану. Новизна методу полягає у формулюванні задачі реструктуризації як ігрової задачі управління мережними ресурсами в умовах невизначеності спостереження стану ТКС, що дозволило забезпечити скорочення затримки в контурі управління, обсягів створюваного службового трафіка й сприяло підвищенню точності й масштабованості одержуваних рішень.

Обґрунтованість і достовірність отриманих наукових результатів забезпечується і підтверджується, по-перше, коректним використанням ключових положень відомого та добре апробованого математичного апарату: методів простору станів, апарату диференційно-різницевих рівнянь, теорії марковських випадкових процесів, теорії оптимально управління, оцінювання та ін.; по-друге, ретельним аналітичним і числовим обґрунтовуванням прийнятих наближень та ясним фізичним змістом одержаних результатів. Крім того, достовірність результатів роботи визначається допустимим збігом результатів аналітичного та імітаційного моделювання. Результати розв'язання задач реструктуризації ТКС за допомогою розроблених моделей та методів в часткових випадках збігалися з раніше відомими результатами, отриманими в рамках існуючих моделей чи методів.

Наукове значення результатів роботи полягає в узагальненні та подальшому розвитку теорії та методів управління мережними ресурсами шляхом розробки або вдосконалення моделей та методів реструктуризації в умовах невизначеності стану ТКС. Використання запропонованих моделей та методів дозволило більш системно підійти до формулювання та розв'язання задач реструктуризації, оскільки використання існуючих моделей чи методів не забезпечувало комплексне врахування динамічного характеру та стохастичності процесів реструктуризації телекомунікаційної системи.

Практична значимість дисертаційної роботи полягає в тому, що запропоновані в ній математичні моделі та методи реструктуризації ТКС спрямовані на використання при розв'язанні важливих прикладних завдань управління буферними й канальними ресурсами в різних умовах невизначеності стану ТКС і можуть бути підґрунтям перспективних протоколів маршрутизації, алгоритмів сучасних і перспективних систем мережного управління. Крім того, результати дисертаційної роботи використані при розробці технології побудови активних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу та синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем (НДР №129-1); концепції обробки, аналізу й передачі даних в ІАС НАКУ (НДР " Моніторинг-С "), а також в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ. Використання результатів дисертаційної роботи підтверджується відповідними актами щодо їх впровадження.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати, висвітлені в дисертаційній роботі, здобувач одержав самостійно. Крім того, у роботі [1] здобувачем у рамках динамічної моделі реструктуризації ТКС запропоновано адаптивний фільтр у формі паралельної реалізації оцінок окремо вектора стану системи й окремо параметрів невизначеності; у статті [2] автором розроблено імовірнісну модель виявлення нестаціонарності стану ТКС у ході розв'язання задач реструктуризації системи; у публікації [3] автором запропоновано методику виявлення моменту часу переходу на новий інтервал локальної нестаціонарності стану ТКС в умовах її реструктуризації; у роботі [4] здобувачем запропоновано процедуру оцінювання стану ТКС в умовах умовно випадкової зміни її структури й нестаціонарності абонентського трафіка; у статті [5] автор сформулював задачу реструктуризації як ігрову задачу управління мережними ресурсами в умовах невизначеності спостереження стану ТКС; у роботі [8] здобувач запропонував комплексну модель адаптивного оцінювання стану ТКС у різних умовах невизначеності мережних параметрів.

Апробація основних положень дисертаційної роботи проводилася в ході трьох наукових конференцій й одного форуму, а саме на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми управління мережами та послугами телекомунікацій в умовах конкурентного ринку” (Ялта, Український науково-дослідний інститут зв'язку, 2003); Десятій міжнародній конференції "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" (Харків, ХНУРЕ, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” - ІКТМ'2005 (Харків, Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, 2005) та на Восьмому міжнародному молодіжному форумі "Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке" (Харків, ХНУРЕ, 2004).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 8 наукових працях. Із п'яти статей [1-5], опублікованих у наукових збірниках, чотири статті [1-4] містяться в спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України. Крім того, результати досліджень опубліковані в трьох тезах доповідей [6-8] на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу та чотирьох розділів. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок, у тому числі 133 сторінки основного тексту, 25 малюнків, 3 таблиці усього на 17 сторінках. Список використаних джерел містить 111 найменувань, викладених на 9 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито зміст та стан загальної проблеми та окремих задач реструктуризації, обґрунтовано актуальність теми дослідження, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об'єкт, предмет та методи дослідження, розкрито наукову новизну та практичне значення отриманих у дисертаційній роботі результатів.

У першому розділі показано, що зміст задач реструктуризації повністю визначається комплексом функцій управління мережею, а сам процес реструктуризації є адекватною реакцією систем мережного управління на зміну умов функціонування ТКС. Здійснено аналіз існуючих і перспективних технологій мережного управління TMN, TІNA, правил системної політики (PBNM) та інших засобів, у рамках яких здійснюється рішення завдань реструктуризації сучасних ТКС.

Однак в межах існуючих технологій і протоколів мережного управління й маршрутизації якість одержуваних рішень щодо реструктуризації ТКС не завжди є задовільною, оскільки вони не носять превентивний характер та адаптуються переважно лише до зміни топології системи. Це призводить до перевантаження окремих мережних вузлів та підмереж ТКС або ж до не завжди обґрунтованого обмеження інтенсивності абонентського трафіка.

Вихід з подібної ситуації бачиться у використанні більш адекватних та інформативних математичних моделей та методів реструктуризації - основи відповідних керуючих протоколів, які б забезпечували необхідну системність рішень, враховували динамічний характер процесів реструктуризації, стохастичність зміни стану системи, а також необхідність розширення переліку структурних і функціональних параметрів і характеристик, за якими відбувається адаптація до умов функціонування ТКС. Відповідно до проведеного в розділі аналізу було сформульовано наукову задачу та здійснено її декомпозицію на окремі задачі дослідження, розв'язання яких буде здійснено в наступних розділах дисертаційної роботи.

У другому розділі запропоновано систему математичних моделей, що описують процес реструктуризації ТКС в умовах стаціонарної й нестаціонарної невизначеності її стану. Облік динамічного характеру й стохастичності процесів інформаційного обміну й управління ресурсами ТКС у цілому забезпечувався в рамках розроблених моделей використанням стохастичних керованих диференціальних або різницевих рівнянь стану.

Наприклад, основу динамічної моделі реструктуризації ТКС в умовах стаціонарної невизначеності стану системи представляє процес управління її станом в умовах випадкових стаціонарних впливів

Параметр невизначеності моделює непротокольну зміну номінальної або доступної пропускної здатності тракту,. Параметр формалізує можливий вихід з ладу тракту, . У свою чергу, параметри невизначеності та описують можливість зміни порядку підключення або непланового перерозподілу абонентського трафіка, що надходить в ТКС від мереж доступу.

В другому розділі також розроблено комплексну динамічну модель реструктуризації ТКС в умовах нестаціонарної невизначеності стану системи. Комплексний характер моделі забезпечувався різнотипними способами обліку можливої нестаціонарної невизначеності структурних і (або) функціональних мережних параметрів. У першому випадку процес реструктуризації в умовах реалізації лише статичної стратегії управління мережними ресурсами математично описувався марковським кусочно-стаціонарним процесом

де - адитивний індикатор нестаціонарності, який може бути обумовлений початком нестаціонарності абонентського трафіка; - векторний стрибкоподібний марковський процес із дискретною множиною станів.

У рамках комплексної моделі реструктуризації телекомунікаційної системи опис нестаціонарної невизначеності її стану також проводився шляхом представлення ТКС як системи з умовно випадковою зміною структури. Причому поняття "випадкова зміна структури" стосувалося як безпосередньо топології ТКС, так і структур систем управління, виміру, структури трафіка й т.і.. Процес зміни структури ТКС моделювався дискретним марковським або умовно марковським процесом (), а стан системи відповідними рівняннями

Якщо структура ТКС змінюється в залежності від значень вектора стану, то процес може являти собою скалярний умовний марковський ланцюг з умовними інтенсивностями переходу від -го стану в -й стан (). В іншому випадку процес також є дискретним умовно марковським процесом, а перехід від однієї структури до іншої визначається інтенсивністю переходу, що є лише функцією часу. В цьому випадку диференціальне рівняння, що визначає швидкість зміни ймовірностей переходу, має вигляд

Обрано критерій оптимальності процесу реструктуризації системи, який визначив форму варіаційної задачі Лагранжа, до розв'язання якої було зведено в рамках запропонованих моделей проблему розрахунку вектора динамічного управління мережними ресурсами в ТКС

Використання обраного середньоквадратичного критерію гарантувало мінімізацію вартості використання канальних і буферних ресурсів ТКС у процесі її реструктуризації на певному інтервалі оптимізації. Крім того, квадратичний характер функціоналу (9) зіграв визначальну роль разом з лінійністю запропонованих моделей при спрощенні покладеної в основу розроблюваних методів реструктуризації оптимізаційної задачі.

Запропоновані моделі реструктуризації ТКС можуть бути використані для одержання оцінок, по-перше, ймовірностей знаходження системи в тій або іншій структурі, по-друге, вектора стану системи, по-третє, моменту зміни структури або сплеску трафіка на підставі спостереження за координатами вектора стану й індикаторів нестаціонарності у випадку їхнього застосування. Крім того, розроблені моделі маршрутизації в решті решт можуть застосовуватися при розробці відповідних методів реструктуризації, пов'язаних з розрахунком вектора динамічного управління мережними ресурсами (9).

У третьому розділі запропоновано метод реструктуризації ТКС в умовах стаціонарної й нестаціонарної невизначеності її стану. Метод базується на розв'язанні виникаючої на виході запропонованих у другому розділі моделей реструктуризації оптимізаційної задачі (9). Застосування теореми розподілу дозволило визначити загальну структуру методу, основу якого складають відповідні моделі (розрахункові процедури) адаптивного оцінювання стану ТКС і детермінованого управління буферними й канальними мережними ресурсами.

З метою адаптації методу реструктуризації до стаціонарної невизначеності ТКС, викликаною зміною структури системи, пропускною здатності її трактів передачі, буферного простору мережних вузлів, а також характеристик абонентського трафіка, розроблено модель оцінювання стану системи, яка представлена у вигляді відповідного фільтра .

структуру якого становлять неадаптивна частина - множина паралельно включених елементарних лінійних фільтрів (за кількістю можливих реалізацій ), а також нелінійна частина - блок розрахунку апостеріорної щільності ймовірності параметрів невизначеності

Базуючись на можливостях запропонованої в розділі 2 комплексної математичної моделі реструктуризації, розроблено моделі адаптивного оцінювання стану ТКС в умовах нестаціонарної невизначеності структурно-функціональних мережних параметрів. В основу моделей оцінювання покладено адаптовані під сплески трафіка й умовно випадкові зміни структури ТКС процедури Калмана-Б'юсі з модифікацією виразу

Запропоновані моделі дозволяють одержати адекватні оцінки стану ТКС в умовах нестаціонарності її структури й характеристик абонентського трафіка при реалізації як статичних, так і динамічних стратегій управління мережними ресурсами.

У рамках розробленого методу реструктуризації також запропоновано модель детермінованого управління канальними й буферними мережними ресурсами на підставі використання отриманих вище оцінок вектора стану ТКС. У випадку можливості попереднього вирішення завдань розподілу канальної ємності за тим чи іншим класом трафіка, тобто при відсутності інтегральних обмежень на змінні управління (2), обчислювальна процедура формування вектора була представлена в аналітичному вигляді й замкненій формі, що значно спрощує її алгоритмічно-програмну реалізацію:

У загальному ж випадку розрахунок вектора в рамках запропонованої моделі й методу реструктуризації в цілому може бути здійснено за допомогою дворівневої обчислювальної процедури, що ґрунтується на використанні методу цільової координації.

Таким чином, відповідно до запропонованого методу реструктуризації необхідно

по-перше, забезпечити періодичний збір і аналіз інформації про стан ТКС, тобто про її структуру, величини номінальних і доступних канальних і буферних ресурсів, а також про характеристики абонентського трафіка, що надходить на приграничні вузли системи;

по-друге, залежно від виявлених причин, що викликають необхідність реструктуризації, здійснюється класифікація можливої невизначеності стану ТКС (стаціонарна або нестаціонарна невизначеність) і обирається режим адаптації, тобто приймається рішення про використання тієї або іншої моделі оцінювання в блоці адаптації;

по-третє, у випадку, якщо зміни стану мережі класифікуються як виникнення стаціонарної структурної й (або) функціональної невизначеності, відбувається активація динамічної моделі реструктуризації (1)-(3), на підставі якої здійснюється адаптивне оцінювання стану ТКС (10)-(11);

по-четверте, у випадку, якщо необхідність реструктуризації викликана стрибкоподібною зміною характеристик абонентського трафіка, то оцінювання стану ТКС відбувається з використанням процедури Калмана-Б'юсі в межах моделі реструктуризації (4)-(5);

по-п'яте, коли відбувається різка зміна одночасно множини структурно-функціональних мережних параметрів, що приводить до нестаціонарної невизначеності стану ТКС, необхідно ґрунтуватися на моделі реструктуризації (6)-(8) з використанням процедури адаптивного оцінювання (12);

по-шосте, залежно від режиму адаптації за підсумками сформованої оцінки стану ТКС здійснюється розрахунок вектора динамічного управління мережними ресурсами для кожного поточного моменту часу з використанням відповідної моделі управління (13).

Структура запропонованого методу реструктуризації ТКС повністю відповідає принципам управління, закладеним у рамках технологій TMN та TІNA. Корекції підлягають використовувані моделі й обчислювальні процедури адаптації й управління в ТКС.

В рамках третього розділу проблема реалізації розподіленого управління мережними ресурсами в умовах реструктуризації ТКС була зведена до ігрової постановки й рішення. Ігрова задача управління розглянута в просторі змінних стану при векторно-матричному поданні рівнянь стану й спостереження

Параметри цих рівнянь характеризували особливості розподіленого управління й невизначеність процесу спостереження в ході реструктуризації ТКС. Важливу змістовність при цьому має задача розподіленого управління спостереженням, що хоч і не забезпечує глобальну оптимальність рішень, але для розглянутого напрямку зв'язку є оптимальним.

В рамках запропонованого підходу для кожного з гравців-маршрутизаторів отримується рішення Неша у вигляді набору стратегій, що мінімізують показник

Для отримання оптимальних оцінок стану розподіленої системи використовувалася процедура Калмана-Б'юсі. З урахуванням функціоналу траєкторію керованої системи (14) можна проаналізувати у зворотному часі, починаючи з останнього кроку:

Оптимальне управління в умовах попереднього розподілу канальних ресурсів ТКС, що задовольняє умові (16), існує і є єдиним, якщо для кожного кроку існує зворотне значення елемента у квадратних дужках, що входить у вираз

З розгляду (17) випливає, що не залежать від результатів спостережень (14). Це може бути лише в тому випадку, коли саме ці величини і мають бути задіяні в даній грі Неша за умови, що всі маршрутизатори мають повну інформацію про стан ТКС і використають стратегії замкненого контуру управління без затримок. Розподілений характер розв'язання ігрової задачі реструктуризації в рамках запропонованого методу гарантує зниження витрат мережних ресурсів на організацію каналів телеспостереження й телесигналізації за рахунок зниження помилок оцінювання вектора стану ТКС.

Запропоновані методи реструктуризації ТКС є досить загальними, що дозволяє ефективно вирішувати завдання адаптації й управління в умовах зміни алгоритмів функціонування й самої структури, у тому числі гібридних і мультипротокольних систем, оскільки самі процедури управління буферними й канальними ресурсами практично вільні від особливостей тієї чи іншої технології.

У четвертому розділі здійснено аналіз показників ефективності, за якими оцінювалась якість одержуваних рішень щодо реструктуризації ТКС у рамках запропонованих моделей та методів. Як показники ефективності обґрунтовано обрано похідні від продуктивності системи. Проведено експериментальне дослідження розроблених моделей і методів реструктуризації ТКС із використанням можливостей пакета імітаційного моделювання Network Simulator V.2 (ns2). Відповідно до отриманих результатів експериментального дослідження в рамках запропонованого у роботі методу реструктуризації в залежності від розмірності ТКС, ступеня зв'язності її вузлів та характеристик абонентського трафіка вдалося покращити:

по-перше, за допомогою моделі адаптивного оцінювання стану ТКС (1)-(3) та (10)-(11) в умовах стаціонарної невизначеності її структурних параметрів точність отриманих оцінок в середньому на 18-25%; в умовах стаціонарної невизначеності параметрів пропускної здатності трактів передачі - на 14-22%; в умовах стаціонарної невизначеності порядку підключення мереж доступу та перерозподілу абонентського трафіка на приграничні вузли ТКС - на 20-27%; в умовах стаціонарної невизначеності параметрів статичної маршрутизації - на 8-12%, що дозволило, в свою чергу, забезпечити відповідне зростання продуктивності системи в середньому на 12-20%;

по-друге, за допомогою моделі адаптивного оцінювання стану ТКС в умовах нестаціонарності абонентського трафіка (4)-(5) точність отриманих оцінок () в середньому на 16-20% (рис.4), що дозволило знизити втрати продуктивності системи () залежно від її завантаженості в середньому на 12-15%;

по-третє, за допомогою моделі адаптивного оцінювання стану ТКС (6)-(8), (12) в умовах нестаціонарності структурних та функціональних мережних параметрів точність отриманих оцінок в середньому на 12-17%, що дозволило підвищити продуктивність системи в середньому на 15-23%.

Як показали результати дослідження, в умовах різних типів невизначеності стану ТКС точність оцінювання по-різному впливає на показники продуктивності системи. Найбільш чутливою продуктивність системи була до точності оцінювання стану ТКС в умовах нестаціонарної невизначеності топології ТКС, а потім - в умовах нестаціонарності трафіка та стаціонарної невизначеності параметрів пропускної здатності трактів передачі.

Крім того, використання запропонованого у роботі методу реструктуризації ТКС в умовах розподіленого управління мережними ресурсами та невизначеності спостереження її стану дозволило або підвищити в 1.2-1.8 раз оперативність рішень щодо управління (рис.6) з відповідним зниженням об'ємів службового трафіка при збереженні заданих показників продуктивності системи, або підвищити на 15-20% продуктивність системи, залишаючи незмінним об'єм службового навантаження.

Також у четвертому розділі розроблено рекомендації щодо практичної реалізації запропонованих в дисертаційній роботі моделей і методів реструктуризації ТКС, які ґрунтуються на результатах їх експериментального дослідження. Виконання запропонованих рекомендацій пов'язане з проведенням комплексу організаційно-технічних заходів, спрямованих на забезпечення ефективного функціонування ТКС, та охоплює питання структурно-топологічної, технологічної й алгоритмічно-програмної реалізації.

ВИСНОВКИ

У дисертації розв'язана актуальна наукова задача щодо вдосконалення засобів реструктуризації ТКС в умовах невизначеності її стану шляхом розробки відповідних математичних моделей та методів реструктуризації зі стохастичною зміною їх окремих структурних та функціональних параметрів з метою підвищення продуктивності системи в цілому. За підсумками розв'язання поставленої наукової задачі можна зробити наступні висновки:

1. На підставі проведеного аналізу принципів побудови й умов функціонування сучасних ТКС встановлено, що важливе місце в рамках передових технологій і концепцій мережного управління, таких як TMN, TІNA, PBNM й ін., займають засоби реструктуризації, які можна розглядати як ефективний інструмент адаптивного управління доступними мережними ресурсами в умовах невизначеності й нестаціонарності стану системи. Виявлено основні фактори, що спричиняють невизначеність стану ТКС і необхідність наступної реструктуризації системи. Встановлено перелік основних задач управління на морфологічному й параметричному рівнях, погоджене розв'язання яких у рамках існуючих або перспективних систем мережного управління забезпечить цілісне вирішення загальної проблеми реструктуризації телекомунікаційної системи.

2. У результаті проведених досліджень визначені основні засоби розв'язання окремих задач реструктуризації, до яких, насамперед, відносяться засоби управління трафіком, буферними й канальними мережними ресурсами, маршрутизації, пріоритетної обробки пакетів, що представлені відповідними сигнальними протоколами, протоколами маршрутизації, а також механізмами обслуговування черг на мережних вузлах. Аналіз існуючих рішень у цій області продемонстрував значну розмаїтість використовуваних протоколів і механізмів, які в різній мірі задовольняють вимогам до якості розв'язання задач реструктуризації ТКС.

3. Проведений аналіз якості розв'язання задач реструктуризації з використанням існуючих технологій і протоколів мережного управління визначив основні проблемні місця й напрямки їхнього усунення. Встановлено, що процеси реструктуризації мають носити динамічний і адаптивний характер для досягнення наступної множини цілей: по-перше, превентивне виявлення небажаних змін стану ТКС; по-друге, попередження й запобігання перевантаженню окремих мережних елементів і телекомунікаційної системи у цілому; по-третє, оперативне реагування на зміни стану системи з наступним усуненням перевантаження як локального, так і глобального характеру.

4. Основою докорінного вдосконалення існуючих засобів реструктуризації ТКС, як показав проведений аналіз, є перегляд використовуваних у тій чи іншій технології або протоколі математичних моделей, а в решті решт і методів управління у бік підвищення рівня їхньої інформативності, адекватності й системності в цілому. Перспективні моделі, виходячи з вимог до процесів реструктуризації, мають носити динамічний характер і забезпечувати одночасний облік множини взаємозалежних, а в ряді випадків і стохастичних за своєю суттю структурно-функціональних параметрів ТКС і характеристик трафіка.

5. У роботі запропонована система математичних моделей реструктуризації ТКС, у рамках яких вдалося досить повно описати наявність стаціонарної й нестаціонарної невизначеності стану системи. Самі моделі відносяться до класу динамічних стохастичних моделей, представлених залежно від особливостей опису процесів інформаційного обміну й управління системою диференціальних або різницевих керованих рівнянь стану ТКС із мінімаксними й інтегральними обмеженнями на змінні стану та управління.

Залежно від типу причин, що викликають необхідність реструктуризації, облік невизначеності стану ТКС проводився декількома способами: шляхом введення додаткових параметрів невизначеності в матричні оператори моделі; включенням нових доданків - індикаторів нестаціонарності в рівняння динаміки й спостереження, а також за рахунок представлення ТКС у вигляді т.зв. мультиструктурної системи, тобто системи, що допускає стрибкоподібну зміну своєї топології, законів управління, параметрів пропускної здатності й характеристик абонентського трафіка. Врешті решт запропоновані моделі є основою для розробки в межах поставленої наукової задачі відповідних методів реструктуризації ТКС.

6. Запропоновано методи реструктуризації ТКС в умовах невизначеності стану системи. Перший і основний метод реструктуризації ґрунтується на поділі й послідовному розв'язанні задач адаптивного оцінювання стану ТКС й оптимального управління доступними канальними й буферними мережними ресурсами. У рамках запропонованого методу адаптація до випадкової зміни тих або інших структурних і функціональних мережних параметрів забезпечувалася шляхом використання адаптивних моделей й обчислювальних процедур оптимального оцінювання, кожна з яких настроєна на свій тип невизначеності стану ТКС.

Крім того, запропонований метод реструктуризації одержав свій подальший розвиток за рахунок розширення області його застосування на процеси розподіленого управління в умовах невизначеності спостереження стану ТКС, в т.ч. ієрархічної структури. Ігрове трактування процесу координації розв'язання задач управління за підмережами ТКС із застосуванням процедур оптимального оцінювання дозволило значно підвищити оперативність процесів управління, помітно знизити обсяги переданого службового трафіка, а також у цілому сприяло підвищенню точності й масштабованості одержаних рішень.

7. Викладена теорія спільних оцінок вектора стану ТКС і ймовірності зміни структури системи є одним з небагатьох рішень, у рамках яких одночасно відображаються як структурні, так і функціональні параметри системи, що базуються на методах марковської теорії фільтрації й методах змінних стану та дозволяють мінімізувати вартість використання мережних ресурсів, час реакції ТКС на зміну характеристик трафіка й ін.. Серед відомих в теорії систем трьох методів забезпечення високої стійкості ТКС (ентропійний, гомеостатичний і морфогенетичний) у даному випадку реалізувався морфогенетичний.

8. Результати експериментального дослідження запропонованих у роботі моделей та методів реструктуризації, яке проводилося з використанням пакету імітаційного моделювання ns2, підтвердили їх ефективність за показниками продуктивності. В залежності від розмірності ТКС, ступеня зв'язності її вузлів та типу невизначеності тих чи інших структурно-функціональних мережних параметрів та характеристик абонентського трафіка вдалося підвищити точність оцінювання в середньому від 12-15% до 20-22%, що дозволило покращити такі важливі показники ефективності, як продуктивність (в середньому на 15-18%) та оперативність (в середньому в 1.2-1.8 раз) із відповідним зниженням об'ємів службового трафіка.

9. Запропоновані моделі та методи реструктуризації ТКС за своїм змістом відповідають вимогам сучасних концепцій управління мережними ресурсами, трафіком і маршрутизацією, наприклад Load-Balancing Routing, Traffic Engineering та Active Network, розширюючи область їхнього застосування в умовах стаціонарної та нестаціонарної невизначеності стану системи. Практична реалізація розроблених моделей і методів реструктуризації ТКС не пов'язана з корінним переглядом основних положень побудови й функціонування існуючих телекомунікаційних систем і систем мережного управління, а лише в тій чи іншій мірі стосується лише принципів обробки інформації про стан системи та порядку її подальшого використання для організації більш ефективного управління мережними ресурсами.

10. Результати дисертаційної роботи використані при розробці технології побудови активних телекомунікаційних мереж, методології їх аналізу та синтезу для забезпечення розподілених інформаційно-обчислювальних систем (НДР №129-1); при розробці "Концепції обробки, аналізу й передачі даних в ІАС НАКУ" (НДР "Моніторинг-С"), а також в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ. Використання результатів дисертаційної роботи підтверджується відповідними актами щодо їх провадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Абдельхамид Зугбор, Звягольская Г.В., Селевко С.Н. Методы адаптации и управления в задачах профилирования трафика // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2004. - Вып. 138. - С. 130-133.

Абдельхамид Зугбор, Звягольская Г.В., Селевко С.Н. Разработка математической модели состояния нестационарной телекоммуникационной системы // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 142. - С. 80-82.

Звягольская Г.В., Селевко С.Н., Абдельхамид Зугбор. Оценка состояния нестационарной телекоммуникационной системы // Радиотехника: Всеукр. межведомств. науч.-техн. сб. - 2005. - Вып. 142. - С. 97-104.

Поповский В.В., Звягольская Г.В., Абдельхамид Зугбор. Методы реструктуризации телекоммуникационных сетей // Праці Українського науково-дослідного інституту радіо і телебачення. - 2004. - №4 (40). - С. 3-6.

Поповский В.В., Абдельхамид Зугбор. Проблемы реализации алгоритмов в телекоммуникационных системах // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. - 2003. - №2. - С. 69-75.

Абдельхамид Зугбор. Перспектива использования технологии PARLAY в современных компьютерных и телекоммуникационных системах // Материалы 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”. Часть 1. - Х.: ХНУРЭ, 2004. - С. 67.

Абдельхамид Зугбор, Звягольская Г.В. Обнаружение и оценка полезных сигналов в задачах управления телекоммуникационными системами // 10-я Международная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". Сб. тезисов докладов. - Х.: ХНУРЭ, 2004. - С. 121.

Поповский В.В., Абдельхамид Зугбор. Методика адаптивной оценки состояния сетевых элементов в современных технологиях управления телекоммуникационными сетями // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” - ІКТМ'2005. - Х.: Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, 2005. - С. 274.

АНОТАЦІЯ

Абдельхамід Б.М. Зугбор. Моделі та методи реструктуризації телекомунікаційних систем в умовах нестаціонарності. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2006.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню актуальної наукової задачі, що пов'язана із вдосконаленням засобів реструктуризації ТКС в умовах невизначеності її стану шляхом розробки відповідних математичних моделей та методів зі стохастичною зміною їх окремих структурних та функціональних параметрів для підвищення продуктивності системи в цілому.

Розроблено математичні моделі та методи реструктуризації ТКС за умов невизначеності її стану. В рамках цих моделей, представлених у просторі станів диференціальними чи різницевими рівняннями, враховано динамічний та стохастичний характер процесів реструктуризації. Стаціонарну невизначеність, нестаціонарність характеристик абонентського трафіка, топології ТКС, законів управління, параметрів пропускної здатності й інше було формалізовано в запропонованих моделях у вигляді відповідних параметрів невизначеності, індикаторів нестаціонарності, а в загальному випадку - скалярним умовно марковським ланцюгом зміни структури системи.

Запропоновані методи реструктуризації забезпечують адаптивне оцінювання стану ТКС та управління мережними (канальними та буферними) ресурсами в умовах невизначеності окремих структурно-функціональних параметрів системи та характеристик трафіка.

Ключові слова: реструктуризація, телекомунікаційна система, управління мережними ресурсами, адаптивне оцінювання, моделювання, невизначеність, нестаціонарність.

АННОТАЦИЯ

Абдельхамид Б.М. Зугбор. Модели и методы реструктуризации телекоммуникационных систем в условиях нестационарности. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2006.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной задачи, которая связана с усовершенствованием средств реструктуризации ТКС в условиях неопределенности ее состояния путем разработки соответствующих математических моделей и методов со стохастическим изменением их отдельных структурных и функциональных параметров для повышения производительности системы в целом.

Проведен анализ общей проблемы и содержания частных задач реструктуризации телекоммуникационных систем, и показано, что процесс реструктуризации является адекватной реакцией систем сетевого управления на изменение условий функционирования ТКС. Установлены основные внутренние и внешние факторы, которые обуславливают необходимость реструктуризации на морфологическом и параметрическом уровнях.

Несмотря на декларирование решения задач реструктуризации в рамках существующих технологий, протоколов сетевого управления и маршрутизации, качество получаемых решений не всегда является удовлетворительным. Как показал проведенный анализ, причина сложившейся ситуации кроется в использовании неадекватных математических моделей, которые положены в основу используемых методов решения задач реструктуризации и определяют в том или ином виде содержание соответствующего протокола. На практике в ходе морфологической и параметрической реструктуризации решение задач маршрутизации, управления потоками или приоритетами в современных ТКС основано преимущественно на инженерной интуиции, эвристических схемах и простейших графокомбинаторных моделях.

Подобные модели не обеспечивают необходимую системность решений, не учитывают динамический характер процессов реструктуризации, стохастичность изменения состояния системы, а также необходимость расширения перечня структурных и функциональных параметров и характеристик, по которым происходит адаптация к условиям функционирования ТКС. Использование таких моделей также не позволяет в должной степени учесть широкий перечень требований к качеству решения задач реструктуризации, выдвигаемых в ходе реализации правил системной политики, концепций инжиниринга трафика, маршрутизации на основе качества обслуживания, сбалансированной загрузки сети и быстрой перемаршрутизации.

В этой связи для решения поставленной в работе научной задачи предложена система математических моделей, описывающих процесс реструктуризации ТКС в условиях неопределенности ее состояния. Учет динамического характера и стохастичности процессов информационного обмена и управления ресурсами ТКС в целом обеспечивался в рамках разработанных моделей использованием стохастических управляемых дифференциальных или разностных уравнений состояний. Моделирование процесса несанкционированного изменения структуры ТКС, параметров пропускной способности трактов передачи, порядка подключения сетей доступа, а также задержки в контуре управления и старение передаваемых данных основывалось на введении элементов стационарной или нестационарной неопределенности состояния ТКС.

В рамках предложенных моделей возникновение стационарной неопределенности состояния телекоммуникационной системы моделировалось с помощью вектора параметров неопределенности, входящего в состав соответствующих матричных операторов. Сами параметры неопределенности в зависимости от причины ее возникновения носили аддитивный или мультипликативный характер. Кроме того, неопределенность состояния в рамках разработанных моделей описывалась в зависимости от особенностей постановки задачи в виде индикаторов нестационарности, а в общем случае - скалярной условно марковской цепью изменения структуры системы.

Предложенные методы реструктуризации обеспечивают адаптивное оценивание состояния ТКС и управление сетевыми (канальными и буферными) ресурсами в условиях неопределенности отдельных структурно-функциональных параметров системы и характеристик трафика.

Предложен метод реструктуризации ТКС в условиях как стационарной, так и нестационарной неопределенности структурно-функциональных сетевых параметров и характеристик абонентского трафика. Метод основывается на решении возникающей на выходе предложенных моделей реструктуризации оптимизационной задачи, относящейся к классу вариационных задач векторной оптимизации. Применение теоремы разделения позволило определить общую структуру метода, в основу которого положены соответствующие модели (расчетные процедуры) адаптивного оценивания состояния ТКС и детерминированного управления буферными и канальными сетевыми ресурсами.

Как показали результаты проведенного экспериментального исследования средствами имитационного моделирования, использование предложенных в работе моделей и методов реструктуризации позволило повысить производительность ТКС в условиях неопределенности ее состояния, а при реализации распределенного управления сетевыми ресурсами, кроме того, уменьшить задержку в контуре управления и объемы создаваемого служебного трафика, способствуя тем самым повышению точности и масштабируемости получаемых решений.

Ключевые слова: реструктуризация, телекоммуникационная система, управление сетевыми ресурсами, адаптивное оценивание, моделирование, неопределенность, нестационарность.

ABSTRACT

Abdelhamid B.M. Zugbor. Models and methods of network re-structuring in conditions unstationary. - Manuscript. Dissertation for candidate's degree of technical in a specialty 05.12.02 - telecommunication systems and network. - Kharkiv National University of Radioelectronics, Kharkiv, 2006.

The dissertation is devoted to the decision of an actual scientific task which consists in improvement of means of network re-structuring in conditions of her status uncertainty. The task is solved by synthesis of mathematical models and methods of re-structuring with stochastic change of their separate structural and functional parameters for increase of network productivity as a whole.

Mathematical models and methods of network re-structuring in conditions of uncertainty of her status are developed. Models of re-structuring are presented in space of conditions by the differential equations. Dynamic and stochastic character of processes of re-structuring is considered. Stationary uncertainty, unstationary characteristics of the user's traffic, network topology, laws of management, parameters of throughput, etc. it is formalized in the offered models in the form of parameters of uncertainty, unstationary indicators, and generally - scalar Markovian circuit of system structure change.

The offered methods of re-structuring provide adaptive estimation of network status and network resource management in conditions unstationary structurally functional parameters of network and characteristics of the traffic.

Index Terms: telecommunication systems, network resource management, re-structuring, adaptive estimation, modeling, uncertainty, unstationary.

Размещено на Allbest.ru