Методи і засоби підвищення показників якості систем управління телекомунікаційними мережами

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О.С. ПОПОВА

УДК 621.327.8

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Методи і засоби підвищення показників якості систем управління телекомунікаційними мережами

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

БЕРКМАН ЛЮБОВ НАУМІВНА

Одеса - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському інституті зв'язку Української державної академії зв'язку ім. О.С.Попова.

Науковий консультант: Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Стеклов Василь Купріянович,

ректор Київського інституту зв'язку

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Горохов Сергій Михайлович, Українська державна академія зв'язку ім.О.С.Попова, професор кафедри

доктор технічних наук Сундучков Костянтин Станіславович, ДП “Укркосмос”, заступник Генерального директора з науки

доктор технічних наук Романов Олександр Іванович, Науковий центр управління зв'язку Міністерства оборони, начальник відділу

Провідна установа - Український науково-дослідний інститут зв'язку Державного комітету зв'язку та інформатизації України (м.Київ).

Захист відбудеться " 27 " червня 2001 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Українській державній академії зв'язку ім. О.С.Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Кузнечна,1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української державної академії зв'язку ім. О.С.Попова.

Автореферат розісланий " 25 " травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор Князева Н.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

телекомунікаційний мережа цифровий сигнал

Стрімкий розвиток телекомунікаційних технологій у всьому світі ставить перед Україною, як європейською державою, Державним комітетом зв'язку та інформатизації України особливі завдання: задовольнити надання широкого спектру інформаційних послуг користувачам на сучасному якісно-технічному рівні. Основою могутнього комплексу, що забезпечує розмаїття передачі інформації, можливість ефективного управління та її обробки - є телекомунікаційна мережа. Для досягнення глобальної доступності, реалізації вимог ринку інформаційних послуг, потрібна така архітектура мережі, яка компромісно оптимізувала б діюче устаткування з новими технологіями. Ці вимоги сприяли та визначили створення глобальної інформаційної інфраструктури, платформою якої є концепція інтелектуальних мереж (ІМ). Неупереджена оцінка нинішнього стану телекомунікаційних мереж України приводить до незаперечного висновку: перспективи визначаються тим, наскільки продумано та зважено будуть використані потенційні можливості наявних традиційних мереж зв'язку. ІМ ґрунтується на фундаментальній ідеї розподілу функцій комутації та функцій надання послуг, що дозволяє виконати впровадження глобальної інформаційної інфраструктури (ГІІ), яка надає можливість користувачам отримати всі види телекомунікаційних послуг з високою якістю, належною вартістю у будь-якому місці та у будь-який час. Щоб забезпечити такі вимоги необхідна більш гнучка архітектура системи управління, яка легко підтримала б швидке введення в дію нових послуг та їх підтримку з визначеною ймовірністю на всій глобальній мережі.

ІМ універсальна, володіє різноманітністю функцій, тому може бути побудована на базі будь-якої традиційної мережі, що є важливим аргументом для телекомунікаційних мереж України. Також універсальні її структура і система управління (СУ).

Система управління сучасними телекомунікаційними мережами володіє наступними характерними ознаками: великими розмірами; складністю; розвинутими функціональними можливостями; конкурентноспроможністю; строгою вимогливістю до забезпечення захисту інформації; високою надійністю та точністю; розосередженністю на великій території.

За прогнозом, кількість управляючої інформації в таких системах буде різко зростати з наданням послуг, внаслідок чого система управління може поглинути основну мережу.

СУ адекватна поняттю - "велика система". Останнє характеризується кількома специфічними ознаками. Це, насамперед, багатомірність, розмаїття структури; багатозв'язність елементів (взаємозв'язок підсистем на одному рівні та між різними рівнями ієрархії); різнорідність бази елементів; багатократність зміни складу і стану (змінність структури, зв'язків і складу системи); багатокритеріальність.

Оптимізація систем такого типу містить у собі оптимізацію як самої системи управління, так і процесу її проектування. Обидва направлення оптимізації взаємозалежні. Показники якості розроблюваної системи істотно залежать від оптимальності процесу та терміну часу розробки, засобів устаткування. У свою чергу, час і засоби, затрачені на процес розробки системи в значній мірі визначаються структурою системи та її параметрами. Проте задача одночасного вирішення оптимізації системи управління і процесу її розробки - складна. Тому в дисертаційній роботі основна увага приділена оптимізації системи управління.

На сьогодні не розроблено принципи побудови СУ та методи багатокритеріальної оптимізації СУ різнорідними телекомунікаційними мережами, характерними для України. Не розроблено методи визначення часткових критеріїв (показників якості) СУ, таких як кількість управляючої інформації, достовірність, затримка, що в сукупності забезпечують прийнятну вартість. Не розроблено метод визначення результуючої цільової функції, який дозволяє здійснити векторний синтез СУ. Як відомо, не існуює методів визначення кількості управляючої інформації, яка б забезпечила необхідні вимоги до параметрів телекомунікаційної мережі. Існуючі алгоритми оптимального прийому багатопозиційних ортогональних сигналів повністю не забезпечують реалізацію завдостійких систем сигналів, що не дозволяє побудувати за прийнятною вартістю та в різних умовах ефективний цифровий канал для передачі інформації.

Тема дисертаційної роботи, яка присвячена методам побудови ефективної системи управління різнорідними телекомунікаційними мережами України є значущою.

Актуальність теми

Рішенню завдання глобального синтезу системи управління сучасними телекомунікаційними мережами присвячено багато робіт українських та закордонних вчених. Створення методів побудови систем управління і розвитку теорії багатокритеріальної оптимізації, інформаційно-ентропійних методів, теорії масового обслуговування і теорії завадостійкості, пов'язано з роботами таких вчених, як Варакін Л.Є., Вітербі Е.Д., Лазарєв В.Г., АріповМ.Н., Стеклов В.К.,

Нетес В.А., Нечипоренко В.І., Якубайтіс Е.А. Харкевич О.О. Зюко А.Г., Кловський Д.Д., Назаров М.В., Фінк Л.М., Куо Ф.Ф., Бертсекас Д.В., Галлагер Р., Захаров Г.П., Гуткін Л.С., Батіщев Д.І.,. Красовський О.А., Поспєлов Г.С., Шеннон К., Шахгільдян В.В., Шнепс М.А., Блек Ю., Гандел Р., Девід Е., Болгер Дж., Сігалл А. та інші.

У відомій науково-технічній літературі досліджуються різні принципи побудови систем управління телекомунікаційними мережами. Ці методи, в основному, придатні для однорідних мереж, що стало суттєвим недоліком для управління мережами зв'язку України, так як останні характеризуються обладнанням широкого спектру. Більш істотні результати досягнуті при розробці методів СУ для інтелектуальних мереж, як можливості реалізації управління послугами в ІМ. Проте не проведено порівняльний аналіз принципів побудови СУ і не представлено методи побудови для мереж з різнорідним обладнанням, котрі надають різні послуги. До теперішнього часу не проаналізовані методи багатокритеріальної оптимізації систем управління, які дозволяють здійснити глобальний синтез таких систем з урахуванням усіх основних окремих критеріїв, необхідних для забезпечення заданої точності параметрів управляємої мережі. Не розроблено методи визначення кількості управляючої інформації, що дозволяє забезпечити системі як властивість адаптивності до плинно прогнозованих збурень, так і інваріантності до різних непередбачених випадкових факторів. Недостатньо досліджені можливості мінімізації затримки управляючої інформації та засоби створення ефективних цифрових каналів для її передачі.

Дисертаційна робота присвячена принципам побудови СУ різнорідними телекомунікаційними мережами та методам векторного синтезу СУ на базі багатокритеріальної оптимізації є актуальною, доцільною, наукові розробки якої сприяють реалізації концепції розвитку зв'язку України, прискоренню рішень важливої задачі - інформатизації держави.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Українська державна академія зв'язку ім. О.С. Попова, Київський інститут зв'язку УДАЗ ім. О.С. Попова, Український науково-дослідний інститут зв'язку та “Укртелеком” активно працюють над розробками та впровадженням на державному рівні концепції ефективної системи управління телекомунікаційними мережами України. Питання, які розглянуті та розроблені в дисертаційній роботі, входять до вищезазначених наукових програм.

Результати дисертаційної роботи з підвищення показників якості систем управління пропонується використовувати науково-дослідним організаціям, підприємствам та операторам зв'язку України, країн СНД та інших країн при розробці систем управління телекомунікаційними мережами, а також для підвищення ефективності існуючих систем управління.

Мета і задачі дослідження

У зв'язку з тим, що не існує самої концепції та чіткого наукового порівняльного аналізу принципів побудови системи управління сучасними телекомунікаційними мережами з різнорідним обладнанням, не розроблено метод глобального синтезу СУ, яка володіє властивостями адаптивності та інваріантності з урахуванням усіх вимог користувача, то ці актуальні питання визначили мету дисертаційної роботи, об'єктом дослідження якої є телекомунікаційні мережі, а предметом дослідження - система управління телекомунікаційною мережею.

Таким чином метою дисертаційної роботи є розробка та методи побудови систем управління різнорідними телекомунікаційними мережами зв'язку на основі методу багатокритеріальної оптимізації.

В дисертаційній роботі вирішуються наступні задачі:

виконання порівняльного аналізу методів побудови системи управління сучасними телекомунікаційними мережами, які входять в глобальну інформаційну інфраструктуру;

побудова СУ на базі мережі TМN (Telecommunications Management Network-мережа управління зв'язком);

розробка методу багатокритеріальної оптимізації СУ мережами зв'язку з різнорідним обладнанням;

розробка інформаційно-ентропійного методу визначення кількості управляючої інформації з урахуванням заданих вимог до точності параметрів управляємої мережі;

розробка комбінованої структури системи управління, яка забезпечує системі властивості адаптивності до плинно спрогнозованих збурень та інваріантності до непрогнозованих випадкових факторів;

розробка методу побудови ефективного цифрового каналу для передачі управляючої інформації на основі багатопозиційних сигналів;

розробка методики розрахунку завадостійкості цифрового каналу при заданих відношеннях сигнал/шум на вході каналу;

розробка методу мінімізації затримки управляючої інформації для СУ з потрібною структурою.

В дисертаційній роботі при розробці методів та засобів підвищення показників якості систем управління телекомунікаційними мережами використані наступні методи дослідження:

теорії інваріантності, за допомогою якої розроблена комбінована структурна схема СУ;

теорії інформації, методи якої використані для розробки інформаційно-ентропійного методу розрахунку кількості управляючої інформації;

багатокритеріальної оптимізації, математичний апарат якої застосовано для оптимального проектування СУ;

оптимального прийому і завадостійкості для розробки алгоритмів прийому та розрахунку завадостійкості багатопозиційних сигналів;

теорії масового обслуговування для розрахунку та мінімізації затримки управляючої інформації СУ з різними структурами ;

статистичного моделювання, за допомогою якого розроблені моделі для розрахунку параметрів СУ;

моделювання на ЕОМ дозволило отримати результат оптимального проектування СУ без складних експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів

Наукова новизна одержаних результатів роботи конкретно полягає у наступному:

виконано порівняльний аналіз методів побудови систем управління телекомунікаційними мережами, і запропоновано принципи побудови СУ різнорідними телекомунікаційними мережами, що входять у глобальну інформаційну структуру, яку доцільно впровадити на мережах зв'язку України. Це дозволить ефективно та більш економічно здійснювати управління як традиційними, так і мережами, які використувують новітні технології;

розроблено метод багатокритеріальної оптимізації системи управління телекомунікаційними мережами з різними параметрами, що дозволяє реалізувати оптимальне проектування системи управління на базі векторного синтезу. На відміну від скалярного, запропонований векторний синтез суттєво підвищує показники якості СУ мережами зв'язку України;

вперше розроблено інформаційно-ентропійний метод визначення кількості управляючої інформації, що дозволяє розрахувати пропускну спроможність каналів СУ, які задовольняють широкому спектру вимог користувачів, забезпечуючи необхідну точність параметрів управляємої мережі;

удосконалено структурну схему системи управління, за допомогою якої система володіє як властивістю адаптивності до плинно спрогнозованих збурень, так і інваріантності до випадкових факторів. Це дозволяє підвищити надійність обладнання телекомунікаційних мереж;

розроблено метод побудови ефективного цифрового каналу для передачі управляючої інформації на основі принципу багатоканальної передачі ортогональних сигналів. Відмінність представлених алгоритмів оптимального прийому від відомих раніше, полягає в можливості реалізації системи передачі для широкого класу ефективних за еквівалентною енергією, багатопозиційних сигналів;

дістали подальшого розвитку методика та алгоритм розрахунку завадостійкості системи передачі управляючої інформації при заданому відношенні сигнал/шум на вході демодулятора, за допомогою яких отримані характеристики завадостійкості системи передачі для різних систем багатопозиційних сигналів;

розроблено метод мінімізації затримки управляючої інформації для систем управління з різною структурою. Це дозволяє отримати значний економічний ефект, що вельми суттєво для мереж України. Усі вищенаведені наукові положення дають можливість вирішити задачу побудови ефективної системи управління різнорідними телекомунікаційними мережами. Вірогідність наукових результатів, висновків та рекомендацій, викладених в дисертаційній роботі, обґрунтована результатами експериментальних досліджень, конкретним використанням математичного апарату та моделювання на ЕОМ.

Практичне значення одержаних результатів

Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана з виконанням концепції розвитку галузі зв'язку України, відноситься до принципів побудови системи управління різнорідними мережами зв'язку, яка проводиться в Київському інституті зв'язку Української державної академії зв'язку ім. О.С.Попова.

Результати дисертаційної роботи знайшли застосування в науково-дослідній роботі, проведеної в розробках науково-аналітичного центру (НАЦ “Телеком” номер державної реєстрації № 0101U000513, інд. № 0301U002123) і науково-інженерного центру лінійно-кабельних споруд (HІЦ ЛКC номер державної реєстрації №019600U3678) Київського інституту зв'язку.

Теоретичні і практичні положення дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Київського інституту зв'язку Української державної академії зв'язку ім. О.С.Попова.

Особистий внесок здобувача

У дисертаційній роботі особистий внесок автора відображено в наступних наукових розробках, при цьому виконано: порівняльний аналіз варіантів методів побудови систем управління різнорідними телекомунікаційними мережами, що входять у глобальну інфраструктуру, та розроблено принципи побудови СУ; дослідження методів багатокритеріальної оптимізації системи управління телекомунікаційними мережами і запропоновано метод об'єднання суперечливих критеріїв для СУ мережами України; дослідження методів визначення кількості управляючої інформації і запропоновано інформаційно-ентропійний метод, що дозволяє визначити мінімальну кількість управляючої інформації для забезпечення необхідної точності параметрів управляємої мережі; дослідження алгоритмів оптимального прийому багатопозиційних сигналів, і розроблено універсальний алгоритм та метод побудови ефективного цифрового каналу для передачі управляючої інформації; аналіз методів розрахунку затримки управляючої інформації, та на основі теорії масового обслуговування розроблено відповідний метод, за допомогою якого можна визначити затримку управляючої інформації на всіх ділянках СУ.

Апробація результатів дисертації

Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи були висвітлені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Української державної академії зв'язку ім. О.С.Попова; на науково-методичних конференціях Київського інституту зв'язку УДАЗ ім. О.С.Попова, К.: 1996-1999 р.; на НТК, присвяченої 50-річчю первинної мережі зв'язку, Київ, 1998 р.; на міжнародних конференціях "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації", Харків, 1996-1999 р.; на міжнародних науково-технічних конференціях з телекомунікацій, Одеса, 1997-1999 р.; на науково-практичній конференції "Стратегія входження України у світовий інформаційний простір”, Київ, 1997 р.; на науково-технічній конференції, присвяченої 50-річчю Київського коледжу зв'язку, Київ, 1997 р.; на міжнародній науково-практичній конференції “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій, проблеми побудови, розвитку і керування”, Київ, 1999 р.; на міжнародному науково-практичному семінарі “Сучасні технології телефонної комутації на мережах електрозв'язку України. Проблеми впровадження, розвитку та експлуатації”, Київ, 1999 р.; на міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми засобів телекомунікацій, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів”, Львів-Славсько, 2000 р.; на 4-ому міжнародному симпозіумі “Communication Theory and Applications”, Англія, 1997 р. та ін.

Публікації

На тему дисертаційної роботи опубліковано: 1 підручник, 3 навчальні посібники та 36 науково-технічних статей у наукових журналах, збірниках наукових праць.

Структура та обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 392с. друкарського тексту, у тому числі містить 18 с. рисунків та таблиць, 16 с. списку використаних джерел та 118 с. додатків.

Основні тези, що виносяться на захист:

1. Побудова системи управління різнорідними телекомунікаційними мережами, що входять у глобальну інформаційну інфраструктуру.

2. Дослідження і розробка методу багатокритеріальної оптимізації системи управління телекомунікаційними мережами з різними параметрами.

3. Розробка інформаційно-ентропійного методу визначення кількості управляючої інформації з урахуванням визначених вимог до параметрів управляємої мережі.

4. Розробка структурної схеми системи управління, що забезпечує системі властивості адаптивності до плинно спрогнозованих збурень та інваріантності до випадкових факторів.

5. Розробка методу побудови ефективного цифрового каналу для передачі управляючої інформації на основі принципу багатоканальної передачі ортогональних багатопозиційних сигналів.

6. Розробка методики розрахунку завадостійкості системи передачі інформації при заданому відношенні сигнал/шум на вході демодулятора.

7. Розробка методу мінімізації затримки управляючої інформації для системи управління з необхідною структурою на всіх ділянках системи управління.

ОСНОВНА ЧАСТИНА

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета, об'єкт, предмет та методи дослідження, перераховані основні наукові результати дисертації, викладена їх коротка характеристика.

Провідна ідея, методи вирішення задач, їх порівняльні оцінки, загальна методика проведення досліджень принципів побудови системи управління телекомунікаційними мережами послідовно розкрито у п'яти розділах та додатках.

Перший розділ присвячений порівняльному аналізу методів побудови системи управління сучасними телекомунікаційними мережами, побудові СУ для мереж зв'язку України та визначенню основних показників якості, необхідних для реалізації оптимального проектування СУ на базі багатокритеріальної оптимізації.

В розділі розглянуто основні задачі глобальної інформаційної інфрастуктури (ГІІ) та відповідно системи управління телекомунікаційними мережами, які входять в ГІІ. Проаналізовано тенденції побудови системи управління за кордоном. Розроблено загальні методи побудови системи управління інтелектуальною мережею, яка є адекватною платформою для ГІІ.

Проблема управління телекомунікаційними мережами є однією з найважливіших у практиці експлуатації мереж. Загальновизнаною концепцією управління - є концепція TMN, яка передбачає наступні рівні управління: елементами мережі; мережею; послугами; бізнесом.

В першому розділі розглянуто основні завдання ГІІ і системи управління, а також тенденції їх побудови. Розроблено загальні принципи побудови системи управління інтелектуальною мережею з використанням можливостей мережі TMN. Запропоновано інформаційну модель управління послугами на базі концепції TMN у термінах “Менеджер”-“Агент”-“Об'єкти” та схеми взаємодії процесу управління декількох каскадів керованих систем.

Процес управління запропоновано організувати як процес взаємодії управляємих та управляючих систем на базі семирівневої еталонної моделі взаємодії відкритих систем з тією особливістю, що прикладний рівень процесу складається з двох підрівнів, на верхньому з яких розміщуються прикладні об'єкти системного управління, на нижньому - елементи послуги управління з'єднанням. Шість нижніх рівнів супроводжуються об'єктами адміністративного управління рівнями. В системі повинна бути створена база даних, призначена для забезпечення управляючих прикладних процесів усією необхідною інформацією.

Розроблено функціональну схему системи управління інтелектуальною мережею на базі TMN та концепцію застосування стандартів TMN, впровадження якої доцільно почати з окремих функціональних областей. Така практика прийнятна і при організації управління іншими мережами зв'язку. Звичайно, функціональною підобластю, з якої починається впровадження TMN, є аварійний контроль. Це пояснюється цілим рядом причин. По-перше, при виникненні несправностей необхідно якнайшвидше довести відповідну інформацію до експлуатаційного персоналу, у той час коли для виконання інших функцій робота в реальному масштабі часу, як правило, не обов'язкова. По-друге, для цієї підобласті є найбільш розроблені специфікації (рекомендації МСЕ-Т Х.733 і Q.821). По-третє, уже є готові продукти, які дозволяють здійснювати аварійний нагляд за різноманітними системами і обладнанням зв'язку, збирати, обробляти і зводити аварійні сигнали, котрі надходять від них, що характерно для мереж зв'язку України.

Для вирішення першочергових задач, застосування TMN для управління інтелектуальною мережею необхідна наявність на об'єктах ІМ інтерфейсів TMN. На жаль, на сьогоднішній день такі інтерфейси, запропоновані фірмами-постачальниками, продукти ІМ не задовольняяють.

Це обумовлено цілим рядом обставин. Серед них у першу чергу слід зазначити, недостатню розробку самих інтерфейсів TMN. Крім того, недостатність реалізації безпосередньо інтерфейсів, тобто 7-рівневий стек протоколів OSI. Необхідно відповідні об'єктні моделі, сценарії взаємодії, тощо - тобто усе те, що охоплює поняття цілісності, яке є одним із ключових елементів стратегії NMF з застосування стандартів TMN.

Потрібно мати на увазі, що навіть при наявності стандартів і специфікацій реалізація інтерфейсу Q3, який потребує повного стека протоколів OSI і достатньо складних об'єктних моделей, пред'являє підвищені вимоги до програмно-апаратних ресурсів і є надто дорогими в реалізації. Для подолання цієї перешкоди у рамках архітектури TMN можуть використовуватись медіатори. При цьому в мережних елементах використовується більш простий і дешевий інтерфейс Qx, а інтерфейс Q3 реалізується тільки в медіаторі, до якого підключається ціла група мережних елементів. Такий підхід застосовується при організації управління системами передачі. Проте це має сенс тоді, коли число мережних елементів достатньо велике, наприклад, складає декілька десятків. Для випадку ІМ ця умова поки не виконується. Тому залишається тільки сподіватися на зниження вартості в міру розширення масштабу застосування і можливості використання готових програмних компонентів.

Запропоновані принципи побудови обчислювальної моделі базуються на об`єктно-орієнтованому підході, стандартизація якого ведеться сьогодні ISO і ITU у рамках концепції ODP (Open Distributed Processing). В роботі досліджено специфікації обчислювальної моделі TINA, котрі описують телекомунікаційні додатки у термінах програмних компонентів, які називають обчислювальними об`єктами. Об`єкт - це основна одиниця програмування і розміщення даних. Складаючи додатки, об`єкти взаємодіють між собою шляхом передачі та прийому інформації через інтерфейси.

Архітектуру TINA при впровадженні можна розподілити на рівень DPE і рівень додатків. Введено підрозділ об`єктів цих рівнів - за структурою управління. Для подібних операцій вже існує система TMN ( Telecommunication Management Network), яка складається з п`яти рівнів і була створена для транспортних мереж.

Область застосування TINA значно ширша. Архітектура послуг TINA - визначає поняття і принцип побудови, розгортання і використання телекомунікаційних послуг і управління ними. Для цього визначаються компоненти багаторазового використання, з яких складаються послуги. Ці компоненти-об'єкти будуються за правилами обчислювальної архітектури.

В архітектурі TINA велику увагу приділено доступу. Користувачі повинні мати можливість гнучкого доступу, тобто вільного вибору типу термінала і місця доступу до послуги. Розроблено принципи побудови системи управління сучасними телекомунікаційними мережами. Визначено основні показники якості системи управління, які Розроблено принципи побудови системи управління сучасними телекомунікаційними мережами. обумовлюють характеристику телекомунікаційної мережі в цілому.

Представлено принципи використання архітектури TINA для побудови ефективної системи управління різнорідними мережами, характерними для України.

В розділі на основі аналізу та запропонованих методів побудови СУ, визначено основні параметри - показники якості, на базі яких доцільно реалізувати завдання багатокритеріальної оптимізації.

В другому розділі розглянуто методи багатокритеріальної оптимізації СУ телекомунікаційними мережами. Описано особливості систем управління як складної системи. Визначено основні критерії (показники) якості, що впливають на ефективність управління розмаїттям телекомунікаційних мереж. Розроблено методи об'єднання суперечливих критеріїв та отримання загального критерію.

Синтез такого типу векторний, тобто виконується з урахуванням значень сукупності (векторів) показників якості, включаючи й економічні, які заздалегідь враховані (спрогнозовані) у критерії переваги (критерії оптимальності системи).

Запропоновано оптимальну систему управління за допомогою синтезу системи. Задача синтезу полягає в знаходженні такої СУ, яка компромісно оптимізує обмеження вхідних даних та спектр визначених умов.

Рішення задачі оптимального синтезу - це процес вибору управляючих змінних х, що належать допустимій області D і забезпечують оптимальне значення характеристики СУ - Q(x). Характеристика, яка показує відносну "перевагу" одного варіанту порівняно з іншими, називається критерієм оптимальності (цільовою функцією, критерієм ефективності, функцією корисності тощо).

Екстремальне значення критерію оптимальності Q(x) (кількісне значення) отримано у залежності від конкретного завдання максимума або мінімума цієї функції.

Таким чином, для кожного критерію Q1(x), Q2(x),..., Qs(x) знайдено вектор =(х1, х2, ..., xn), що забезпечує мінімальне (максимальне) значення критерію оптимальності:

Qi=Qi(х1, х2, ... , хn), ,

при умові яка визначає рішення системи нерівностей:

Qi(x1,x2,... ,xn)і0, ;

, .

Отже, розв'язання задачі оптимізації СУ зведено до вирішення умови оптимізації - тобто до визначення оптимального значення х* та знаходження мінімального (максимального) значення критерію оптимальності.

Для СУ доцільно визначити такі часткові критерії:

Q1(x) - функція, яка характеризує кількість інформації, що забезпечує заданий спектр послуг;

Q2(x) - функція, що характеризує затримку управління інформації при визначеній кількості контрольованих вузлів та швидкодії центрів комутації пакетів СУ;

Q3(x) - функція, яка характеризує надійність структури при заданих обмеженнях;

Q4(x) - функція, котра характеризує достовірність переданої інформації;

Q5(x) - функція, що характеризує вартість СУ з урахуванням усіх перерахованих властивостей.

Екстремальне значення критерію оптимальності Q(x) (кількісне значення) характеризує одну з найважливіших властивостей СУ.

У другому розділі описано різні методи об'єднання і одержання узагальненого критерію на базі часткових. Це дозволяє здійснити глобальний синтез СУ з урахуванням часткових критеріїв, необхідних для забезпечення заданої точності параметрів мережі.

При проектуванні СУ доцільно зупинитися на виборі кількості показників якості, що враховуються при синтезі. Кількість показників, які характеризують якість реальної системи, може бути дуже великою. Це означає, що чим більша кількість показників якості враховується при синтезі системи, тим більш досконалою буде синтезована система. В той час, коли більше врахованих показників якості, тоді складніше провести синтез без введення порівняно грубих припущень. Тому на практиці існує оптимальна кількість показників якості, яку необхідно враховувати. Введення додаткових показників якості призводить не до покращення, а до погіршення результатів синтезу.

При проектуванні системи управління необхідно враховувати наступні показники:

1. Кількість управляючої інформації (а отже, і необхідну пропускну спроможність каналів), що забезпечує задану точність параметрів об'єктів мережі. При цьому визначається мінімальна кількість управляючої інформації, яка дозволяє СУ мати як властивість адаптивності до плинно спрогнозованих збурень, так і інваріантності до заздалегідь непрогнозованих факторів.

2. Затримка управляючої інфрмаціі, при якій час передавання команд управління до контрольованих об'єктів не перевищує заданого.

3. Достовірність (вірогідність помилки) при передаванні управляючої інформаціі.

4. Вартість системи управління.

Таким чином, суб'єктивну результуючу цільову функцію доцільно представити так:

(1)

Кі0 - деяке опорне значення ненормованого показника якості Кі',

Сі - вагові коефіцієнти, котрі вибираються, виходячи з відносної важливості кожного з показників якості К1,…Кm, чим більш вагомішим вважається даний показник Кі. Іншими словами - чим більш суттєво показник Кі мінімізується у процесі синтезу, тим більшою обирається відповідна йому вага Сі.

Будемо вважати оптимальною систему управління, що забезпечує виконання умов:

Кі= Кіm , ,

де Кіm - значення показника якості Кі максимально допустиме, з точки зору вимог замовника до системи управління;

М - множина, до якої входять допустимі параметри системи S.

Під К1m, K2m, K3m та К4m вважаємо такі показники якості СУ:

К1m - сумарна максимально допустима пропускна спроможність каналів СУ (цей показник визначається, виходячи з ресурсів обладнання, яке призначене для системи управління);

К2m - це максимальна затримка управляючої інформаціі, при якій СУ в реальному масштабі часу контролює необхідні параметри мережі;

К3m - максимально допустима вірогідність помилки каналів передачі інформації СУ;

K4m - максимально допустима вартість системи управління.

Визначення кожного з Кіm - це окремі самостійні завдання, які вирішуються у наступних розділах. Нижче приведемо приклад оптимізації системи. Для подальшого вирішення цього завдання доцільно скористатися мінімаксним критерієм. При цьому необхідно також визначити мінімально можливі значення показників якості, при яких задовольняються основні вимоги до СУ.

Таким чином, з множини варіантів побудови СУ необхідно вибрати найкращий. Якість системи характеризується такими основними показниками якості К1, К2, К3, і К4.

Зазначимо, що з цих чотирьох показників якості К2 і К3, К3 і К4 суперечливі. Як відомо, чим менша затримка, тим більша вартість. Можна визначити, що вони пов'язані обернено пропорційною залежністю: К4 = f(К3), при цьому затримка залежить від пропускної спроможності каналів: К3 = f(К2).

Мінімаксний критерій представимо у наступному вигляді:

Тоді цільова функція має вигляд:

fр = [С1К1;C2K2;C3K3;C4f( K3 )] =

= min [ C1C2C3C4, (4)

де К4=f(К3); K3=f(K2).

При цьому необхідно розглянути допустимі варіанти зміни Кі від мінімально можливих до максимальних значень, вибрати оптимальні.

Для вирішення цієї задачі подрібно визначити максимальні та мінімальні значення коефіцієнтів Кі (методи визначення значень Кі наведені у наступних розділах). Оберемо крок Д?і, тобто зміни показників якості від Кі min до Кі max. Нехай вагові коефіцієнти Сі становлять: С1 = 0,3; C2 = 0,2; C3 = 0,4; C4 = 0,1. Ці коефіцієнти обрані за умови, коли найбільш важливою є потреба мінімізації затримки переданої інформаціі, тоді як пропускна спроможність каналів та вірогідність помилки мають приблизно однакові пріоритети. Вартість же обирається мінімально можливою, однак необхідною для виконання решти вимог до якості системи, тому їх вага мінімальна.

Виходячи з вищенаведеного, узагальнений критерій оптимальності представимо у вигляді:

fр = min (C1 C2 C3C4), (5)

де - .

Тоді, у даному випадку, оптимальною буде система Sі, де Кі будуть мінімальні.

У додатках дисертаційної роботи представлено програмне забезпечення, яке дозволяє отримати основні параметри оптимальної системи управління при різних умовах та обмеженнях. У залежності від обраних параметрів ваги, що визначаються пріоритетами основних показників якості, ми отримуємо різні варіанти, для яких загальний нормований критерій буде мінімальний, а відповідно система управління - оптимальною.

Постановка оптимізаційної задачі проектування без врахування випадкових факторів не досить чітко описує процеси, що протікають у системі управління. Критерій оптимальності й обмеження за фіксованими значеннями керованих змінних х - це випадкові величини, що залежать від вектора зовнішніх факторів у:

, (6)

де D = {x[ gi(x,y)] і0, і = 1,2,...,m}, D - область рішень.

При рішенні задачі (6) можливі дві ситуації:

1) оптимальне рішення, стосовно параметрів системи, х* потрібно визначити до реалізації факторів у, тобто незалежно від їхніх конкретних значень;

2) оптимальне рішення х* потрібно визначити після того, як будуть відомі параметри фактору у.

У першому випадку врахування випадкових значень вектора у в умовах задачі оптимізації (6) зводиться до введення нового критерію оптимальності й обмежень, що дозволяють позбутися невизначеності. В залежності від ступеня інформованості про закон розподілу випадкових величин у можна розглядати три випадки.

1. Про у нічого невідомо, крім того, що вони належать деякій області Dy: yDy.

2. Для факторів у задано функцію розподілу f(у).

3. Для факторів у задано закон розподілу з точністю до вектора параметрів Q, тобто задана функція f(у,а), для якої невідомі параметри Q, що належать області Da.

Таким чином новий критерій оптимальності й обмеження приходиться вибирати, орієнтуючись або на гірший випадок щодо невизначеності значень вектора у, або на деякі середні значення критерію й обмежень. Якщо відомо тільки що уDy, критерій оптимальності призначається з умови забезпечення найкращого результату в найгіршому за невизначеністю випадку

. (7)

Аналогічно для обмежень можна записати:

. (8)

Підставляючи (7) і (8) у вираз:

Q=Q(x1,x2,…,xn), (9)

при вирішенні системи нерівностей:

gi(x1,x2,…xn)і 0, i=1, 2,…, m , (10)

, (11)

і відсутності інформації про фактори у (випадок невизначеності), приходимо до детермінованої задачі оптимізації:

, (12)

де .

Знаючи, що у - випадкові величини, можна вибрати найкращі порівняно з (8) критерії оптимальності. Справді, знання законів розподілу в критерії (8) нічого нового не дає порівняно з випадком невизначеності. Тому критерій оптимальності й обмеження необхідно змінити так, щоб отриманий результат був найкращим “у середньому” для сукупності ситуацій, що задаються законом розподілу f(у).

Якщо закони розподілу відомі, за критерій оптимальності можна взяти математичне очікування (середнє значення) випадкової функції Q(х,у):

, (13)

або квадрат стандартного відхилення значень функції Q (x,y) від заданого рівня Q+:

, (14)

або ймовірність того, що випадкова величина Q(x,y) перевищить деякий заданий рівень Q-:

Q(x)=P[Q(x,y)>Q-] . (15)

Використовуючи вирази (12) - (14) як критерій оптимальності й обмежень для випадку відомих законів розподілу, приходимо до однієї з задач стохастичного програмування.

Усереднену задачу стохастичного програмування сформулюємо так: знайти вектор керованих змінних x, що забезпечує:

, (16)

за умови:

 i=1,2,…,m. (17)

Задача стохастичного програмування з імовірними обмеженнями зводиться до знаходження вектора керованих змінних x, що забезпечує:

, (18)

за умови:

P{gi(x,y)і0, i=1, 2,…, m}і P', (19)

де 0Ј P'Ј 1 - деяка задана ймовірність виконання системи обмежень вихідної задачі (6).

Імовірна задача стохастичного програмування може бути представлена в такому вигляді: знайти вектор керованих змінних x, що забезпечує:

. (20)

При наявності інформації про закони розподілу випадкових факторів, заданих з точністю до вектора параметрів a , вирази (12) - (14) стають функціями від цих змінних. Однак про вектор a нічого невідомо, крім того, що він належить області Da. У цьому випадку необхідно використовувати комбінований критерій, що сполучає у собі вираз (7) і один з виразів (10) - (12). Це дозволить перейти від задачі (6) до однієї з задач стохастичного програмування. Наприклад, усереднену задачу стохастичного програмування в цьому випадку cформулюємо так: знайти вектор керованих змінних x, що забезпечує:

 , (21)

за умови:

. (22)

Отже, визначення оптимального рішення x*, що не залежить від конкретної реалізації y , зводиться до рішення задачі нелінійної оптимізації, при якій рішення можна записати у вигляді:

. (23)

При відомих значеннях y , розглянута задача аналогічна звичайній задачі оптимізації. При цьому конкретним реалізаціям випадкових факторів y відповідають різні оптимальні рішення х*=х*(у), тобто при зміні умов у задачі оптимізації можливо “перебудовувати” оптимальне рішення.

Таким чином, процес пошуку оптимального рішення в задачах проектування СУ (як при багатокритеріальній оптимізації, так і з врахуванням випадкових факторів) практично зводиться до кількісного рішення задачі нелінійної оптимізації.

Запропонований метод отримання узагальненого критерію при оптимізації систем управління дозволяє одержати ефективні значення параметрів управляємої мережі з урахуванням поставлених до них вимог.

Розроблено способи врахування різних збурюючих факторів у випадках, коли відомі закони розподілу і коли апріорна інформація про них відсутня.

Методи визначення кількісних характеристик часткових критеріїв представлені в наступних розділах.

У третьому розділі розроблено інформаційно-ентропійний метод розрахунку кількості інформації, а як наслідок, і необхідної пропускної спроможності каналів СУ. За прогнозом, кількість управляючої інформації в таких системах різко зростає з наданням послуг, внаслідок чого система управління може поглинути основну мережу. Одним з головних завдань для системи управління такими мережами є визначення мінімально необхідної кількості управляючої інформацї, яка повинна повністю забезпечити управляючу мережу з належною точністю параметрів. Методики розрахунку пропускної спроможності каналів системи управління за обсягом управляючої інформації для телекомунікаційних мереж немає. На експлуатації користуються тільки практичними методами, які дозволяють в окремих випадках зробити наближений розрахунок тих чи інших параметрів мережі. Тому в розділі запропоновано комбіновану структру системи управління (СУ), яка забезпечує її функціонування одночасно в двох режимах. Перший режим - контролює параметри інформаційної мережі та на основі цього СУ приймає ефективне рішення. Другий - дозволяє попередити аварійні ситуації шляхом проведення в СУ аналізу збурюючих факторів та коректировки параметрів мережі.

Розроблений інформаційно-ентропійний метод дозволяє знайти необхідний мінімум управляючої інформації, при якому параметри мережі забезпечуються заданою точністю; при цьому СУ володіє як властивістю адаптивності до плинно спрогнозованих збурень, так і інваріантності до випадкових факторів. Розглянуто метод розрахунку пропускної спроможності каналів СУ.

Показано, що процес функціонування мережі в кожний момент часу t характеризується вектором змінних станів {x1(t), x2(t),…, xn(t)} або функціоналом Ф{x1(t), x2(t),…, xn(t)}. Вказані змінні станів є випадковими величинами зі своїми законами розподілу Р(хi). Управління мережею - процес приведення змінних стану мережі за заданий час з початкового стану до усталеного. Наприклад, хi - термін часу доставки інформації між двома вузлами мережі. Якість функціонування мережі характеризується середньою затримкою повідомлень, яка обчислюється середньою величиною затримки на всіх вузлах. Завдання управління мережею має на меті мінімізацію і підтримку на рівні, не більше за задане середнє очікування і зменшення дисперсії середньої затримки повідомлень у мережі.

Вимоги до точності управління мережею часто поєднуються з вимогами збільшення швидкодії.

У термінах теорії інформації є визначення: процес управління мережею - це процес зменшення невизначеності стану мережі, що може бути чисельно представлено, як зміна ентропії мережі в процесі управління, оскільки ентропія визначає відхилення параметрів мережі за даний проміжок часу.

Відомо, що середня кількість інформації при передаванні сигналу дорівнює різниці ентропії розподілу ймовірностей цієї величини до і після отримання сигналу. Таким чином, визначивши зміну ентропії керованого процесу функціонування мережі в процесі управління, можна визначити кількість інформації, необхідну для отримання заданого відхилення ймовірності змінних стану мережі.

Кожну сукупність значень параметрів інформаційної мережі можна розглядати, як певний стан мережі. У теорії ймовірності та теорії інформації поняття ентропії було поширене на розподіл імовірностей будь-яких змінних. Ентропією безперервного розподілу ймовірностей змінних х1, х2,…хn прийнято величину:

, (24)

де p(х1, х2,…, хn) - щільність імовірностей.

Теорія інформації розглядає ентропію розподілу ймовірностей в системах отримання і передачі інформації. При цьому вважається, що після отримання інформації про яку-небудь величину, розподіл імовірності цієї величини, отже, ентропія може суттєво змінитися.

В теорії інформації поняттю ентропії надається значення "суб'єктивної" або відносної характеристики. Подібну ентропію названо інформаційною ентропією. Крім інформаційної ентропії для опису управління взаємодії елементів мережі, запропоновано застосовувати інше поняття ентропії, що характеризуються не координатами безлічі елементів мережі, а обмеженим числом різних величин - координат. Цей вид ентропії названо ентропією розподілу ймовірностей координат керованого процесу або просто ентропією процесу.

Показано, що приріст (зменшення) ентропії буде визначатися як:

Н(t) - Н(t-1) =, (25)

де уі(t) - середньоквадратичні відхилення параметрів мережі в момент часу t;

уi(t-1) - середньоквадратичні відхилення параметрів мережі в момент часу t-1.

Для оцінки кількості інформації, яка передається в системі управління мережею, необхідно оцінити відношення дисперсій відхилення параметрів повідомлень, що досліджуються в мережі в різних ситуаціях, а така оцінка може бути зроблена за вимогами до параметрів основної мережі.

В розділі зазначено, що система управління інформаційною мережею повинна володіти як здатністю адаптації до стійких плинних змін режиму, так і властивістю інваріантності, що дозволяє системі бути нечутливою до випадкових збурень. Таким чином, система управління повинна мати комбіновану структуру, яка забезпечує властивості адаптивності та інваріантності.

Використовуючи оцінки інваріантності до e, отримаємо вираз, що визначає необхідну кількість інформації DН:

, (26)

де si - середньоквадратичні відхилення контрольованих параметрів інформаційної мережі від необхідних значень;

- середньоквадратична допустима похибка контрольованих параметрів інформаційної мережі від необхідних значень; ;

К - коефіцієнт, який залежить від типу каналу зв'язку, що використовується.

Тоді, середня кількість інформації, яку необхідно передати в системі управління, повинна дорівнювати сумі виразів (25) і (26). При цьому буде забезпечено як властивість адаптивності, так і інваріантності.

Запропонований метод дозволяє знайти необхідний мінімум інформації, при якому параметри мережі матимуть задану точність. З точки зору теорії інформації і динамічної точності необхідно, щоб система управління забезпечувала задану точність параметрів мережі при мінімальному обсязі управляючої інформації.

Тому інформаційно-ентропійний метод дозволяє визначити нетрадиційним способом кількість управляючої інформації у системі управління будь-якої телекомунікаційної мережі. Таку оцінку за допомогою інших практичних методів майже неможливо отримати, так як обмежена кількість вихідних даних, особливо для мереж, на яких застосовуються різні технології. Практична цінність забезпечується можливістю врахування ємності керуючої інформації з переліком вимог до точності параметрів основної мережі. Така оцінка визначається дисперсією відхилення від математичного очікування. Чим більші вимоги до точності параметрів управляючої мережі, тим більша потрібна ємність управляючої інформації.

Запропонована комбінована система управління (рис.2) дозволяє управляти телекомунікаційною мережею у двох режимах, одночасно забезпечуючи як властивості адаптивності, так і інваріантності параметрів мережі.

В розділі представлено виконаний запропонованим способом розрахунок параметрів для системи управління реальної мережі. Результати розрахунку параметрів підтверджені даними, які отримані практичними методами на первинних мережах.

Інформаційно-ентропійний метод не залежить від характеру і кількості об`єктів управління та їх параметрів, і тому є універсальним, тобто придатним для будь-якого типу мережі.

В четвертому розділі розглядається побудова ефективного цифрового каналу для передачі управляючої інформації. Вирішено задачу побудови ефективного цифрового каналу передачі управляючої інформації (ЦКПУІ), яка складається з завдань двох типів. Перше - розглядає можливості застосування каналів передачі інформації користувачів мережі в якості ЦКПУІ, що вирішується шляхом вибору такого каналу (з уже відомими інформаційними та ймовірнісними характеристиками), які найбільш відповідають вимогам ЦКПУІ. Друге - це розробка спеціальних каналів, котрі у свою чергу, поділяється на дві групи. До першої групи належить створення спеціального ЦКПУІ в іншому цифровому каналі (що зводиться до підвищення завадостійкості за рахунок пропускної спроможності каналу, у якому створюється ЦКПУІ), до другої групи - створення спеціального ЦКПУІ на основі аналогового каналу. Для системи управління мережами зв'язку України задача є актуальною з причин розповсюдження мереж диспетчерського зв'язку, які базуються здебільшого на аналогових принципах і відрізняються низьким рівнем стандартизації.

...