Методи і моделі опису характеристик телекомунікаційної мережі в умовах невизначеності

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 519.876.5

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОДИ І МОДЕЛІ ОПИСУ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНОЇ МЕРЕЖІ В УМОВАХ НЕВИЗНАЧЕНОСТІ

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

БОТНАР КОСТЯНТИН ВАСИЛЬОВИЧ

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник:

Гайворонська Галина Сергіївна, доктор технічних наук, доцент, Одеська державна академія холоду, завідувач кафедри інформаційно-комунікаційних технологій.

Офіційні опоненти:

Крісілов Віктор Анатолійович, доктор технічних наук, професор, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри системного програмного забезпечення;

Отрох Сергій Іванович, кандидат технічних наук, ВАТ "Укртелеком", начальник відділу науково-технічного розвитку апарату управління.

Захист дисертації відбудеться "08" квітня 2010 року о 16⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.861.01 Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій Мінтрансзв'язку України за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий "06" березня 2010 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, доцент Н.І. Кунах.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми обумовлена необхідністю побудови нових і розвитку вже відомих моделей і методів опису характеристик телекомунікаційної мережі (ТМ), як основи для удосконалення моделей та методів проектування, управління та модернізації ТМ. Необхідність розвитку апарату опису функціонування ТМ є наслідком стрімкого розвитку інформаційних і телекомунікаційних технологій та впровадженням нових послуг для задоволення потреб все більш зростаючої кількості користувачів.

Пошук шляхів задоволення потреб користувачів в телекомунікаціях зумовив використання конвергентного підходу в розвитку телекомунікацій. Цей підхід дає можливість задовольнити зростаючий набір вимог користувачів шляхом зближення різних по своєму призначенню технологій і служб електрозв'язку. Але такий процес веде до підвищення рівня гетерогенності та складності компонентів і структури ТМ, а це, в свою чергу, призводить до непридатності існуючих моделей і методів синтезу, управління і модернізації ТМ. Це пов'язано з тим, що рішення, які одержують на основі розроблених раніше моделей і методів, виявляються дуже громіздкими і не мають достатньої точності, що можна пояснити високою складністю і великою розмірністю сучасних ТМ.

Крім того, часто наявні моделі і методи не можуть в достатній мірі адекватно описати процеси, що відбуваються в ТМ, і це відображається на точності результатів, які отримують в результаті моделювання. В багатьох випадках це обумовлено складністю формалізації деяких чинників, що впливають на функціонування ТМ. Зокрема, чинники зовнішнього впливу довкілля на характеристики ТМ або не враховуються, або дуже слабо формалізовані і визначаються суто емпіричними методами. Тому однією з актуальних проблем є формалізація впливу довкілля на функціонування ТМ для підвищення точності розрахунку значень характеристик мережі.

Все вище перераховане показує актуальність задачі опису характеристик ТМ, що розглядається в дисертаційній роботі, вирішення якої на сьогоднішній день є важливою умовою для розвитку ТМ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи тісно пов'язана з основними напрямами розвитку телекомунікацій в Україні, які позначені в основних нормативних документах, що діють: Закон України "Про Національну програму інформатизації", Закон України "Про Основні положення розвитку інформаційного суспільства в Україні на 2007-2015 роки". Також проведені в роботі дослідження відповідають основним напрямам наукових досліджень, які проводяться на кафедрі інформаційно-комунікаційних технологій Одеської державної академії холоду. Результати, отримані в дисертаційній роботі, упроваджені в учбовий процес по підготовці бакалаврів і магістрів в області телекомунікацій.

Мета та задачі дослідження. Метою є підвищення точності та розширення сфери застосування моделей і методів опису характеристик телекомунікаційних мереж за рахунок використання апарату теорії нечітких множин для урахування зовнішніх дій і нечітких ситуацій, що впливають на характеристики і функціонування телекомунікаційної мережі.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язано наступні основні науково-технічні задачі:

1. Аналіз існуючих методів і моделей опису характеристик ТМ.

2. Розробка формалізованого опису ієрархічної структури ТМ і взаємодії підмереж різного рівня ієрархії.

3. Формалізація нечітких характеристик ТМ за допомогою повних ортогональних семантичних просторів, а також розробка методу розрахунку значень характеристик ТМ в повних ортогональних семантичних просторах з урахуванням представлення ТМ у вигляді мережі масового обслуговування.

4. Розробка моделі, що описує зовнішній вплив довкілля на значення параметрів ТМ з урахуванням нечіткого характеру параметрів зовнішнього середовища.

5. Формування ситуаційного опису функціонування ТМ в умовах невизначеності з урахування зовнішнього впливу довкілля.

6. Створення правил розрахунку значень імовірнісно-часових характеристик ТМ, з урахуванням нечітко заданих параметрів ТМ в повних ортогональних семантичних просторах і зовнішнього впливу довкілля.

7. Формулювання та вирішення задач одинкритеріальної і багатокритеріальної оптимізації значень імовірнісно-часових характеристик ТМ, які можна представити, як системи масового обслуговування з очікуванням і відмовами з постійним і змінним часом обслуговування в нечітких умовах.

8. Використання розроблених методів при вирішенні оптимізаційних задач для ТМ, що представлена у вигляді багаторівневої ієрархічної системи.

9. Дослідження точності розрахунку характеристик ТМ за розробленими методами і моделями.

Об'єктом дослідження є характеристики телекомунікаційної мережі.

Предметом дослідження є методи опису характеристик телекомунікаційної мережі.

Методи дослідження мають на увазі використання: теорії масового обслуговування для опису складових елементів ТМ і мережі в цілому; нечіткої темпоральної логіки для побудови моделей зовнішнього впливу довкілля на параметри ТМ; теорії нечітких множин для формалізації нечітких характеристик ТМ і довкілля; методів багатокритеріальної оптимізації для пошуку множини управляючих рішень з метою набуття оптимальних значень характеристик ТМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше запропонована нечітка темпоральна модель урахування впливу довкілля на функціонування ТМ, яка відрізняється від відомих моделей урахування зовнішніх чинників, заснованих на використанні коефіцієнтів тяжіння, тим, що формалізує опис зовнішньої дії довкілля, дозволяючи підвищити точність і збільшити сферу застосування існуючих методів визначення імовірнісно-часових характеристик ТМ.

2. Удосконалена модель опису характеристик ТМ, враховуючи її ієрархічну структуру, що у відмінності від попередніх моделей, які не враховують нечіткий характер функціонування підмереж на різних рівнях ієрархії, дозволяє точніше оцінити значення характеристик, які досліджуються, використовуючи нечіткий опис вихідних даних.

3. Вперше запропоновано метод опису імовірнісно-часових характеристик ТМ з урахуванням її ієрархічної структури і зовнішніх дій довкілля на параметри підмереж різних рівнів ієрархії, який на відміну від методів, що використовувались раніше та не враховували взаємодію підсистем різних рівнів ієрархії і вплив довкілля, дозволяє точніше оцінити значення характеристик ТМ, використовуючи нечіткий опис вихідних даних.

4. Вдосконалено метод розрахунку імовірнісно-часових характеристик ТМ, що відрізняється від існуючих методів з чітким описом параметрів ТМ, використанням нечіткого опису параметрів мережі в повних ортогональних семантичних просторах, що дозволяє отримати рішення у випадках неповноти або нечіткості вихідних даних.

5. Отримали подальший розвиток моделі опису функціонування ТМ в умовах невизначеності за допомогою нечітких ситуаційних мереж, які на відміну від тих, що використовувалися раніше, використовують нечітку кластеризацію ситуацій, за рахунок чого скорочують розмірність ситуаційного графа, що дає можливість спростити процес прогнозування значень імовірнісно-часових характеристик телекомунікаційної мережі.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Запропоновані в дисертаційній роботі моделі і методи опису ТМ, як багаторівневої ієрархічної системи, дозволили побудувати алгоритми пошуку оптимальних рішень по збільшенню пропускної спроможності пучків каналів в напрямах зв'язку і алгоритми розрахунку значень імовірнісно-часових характеристик кожної підмережі ієрархії. Як критерії оптимізації прийняті максимум імовірності своєчасної доставки повідомлення по мережі, мінімуми часу доставки повідомлення та ймовірності відмови в передачі повідомлення. При цьому задача оптимізації вирішувалася як для кожного з даних критеріїв окремо, так і для декількох критеріїв одночасно. На основі цих алгоритмів створено набір програмних модулів, які дають можливість розраховувати імовірнісно-часові характеристики ТМ не лише для чітко заданих параметрів, але і для параметрів, значення яких визначені в нечіткому вигляді.

2. Моделі формалізації зовнішнього впливу довкілля та ситуаційна модель функціонування ТМ в цілому дають можливість врахувати слабоформалізовані параметри довкілля при вирішенні задач оптимізації значень імовірнісно-часових характеристик і побудувати алгоритми рішення задач прогнозування стану ТМ та пошуку множини оптимальних варіантів розвитку підмережі, яка досліджується.

3. Розроблений в дисертаційній роботі підхід до опису характеристик ТМ може бути використаний при побудові імітаційних моделей з урахуванням баз знань, складених для конкретних предметних областей, при проектуванні складних багаторівневих мереж для оцінки проектних рішень, при побудові методів управління ТМ на основі неповної і нечіткої інформації, при пошуку оптимальних рішень модернізації напрямів зв'язку.

4. Представлена в дисертаційній роботі нечітка ситуаційна модель опису функціонування ТМ при дії на неї довкілля може бути застосована в такому актуальному напрямі наукових досліджень, як створення онтології для даної наочної області та для розробки самонавчальних систем управління ТМ на основі запропонованого методу опису характеристик ТМ.

Результати дисертаційної роботи використані в процесі проектування, модернізації та управління в мережах одеської філії ВАТ "Укртелеком", що підвищило точність розрахунку показників якості мереж на 10-12 % (акт впровадження від 05.10.2009 р.). Також результати дисертації впроваджені в учбовий процес Одеської державної академії холоду при викладанні дисциплін "Мультисервісні мережі та NGN" і "Нечіткі моделі комп'ютерних мереж" (акт впровадження від 02.10.2009 р.) та Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій при викладанні дисциплін "Методи оптимізації" і "Нові інформаційні технології" (акт впровадження 09.10.2009 р.).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота виконана автором самостійно. В роботах, які були надруковані в співавторстві авторові дисертації належать: розробка нечітких моделей та алгоритмів пошуку оптимальних значень імовірносно-часових характеристик телекомунікаційної мережі [1]; розробка нечіткого лексикографічного відношення переваги та математичних виразів для пошуку оптимальної за Парето множини варіантів управляючих рішень [2]; опис характеристик телекомунікаційної мережі у повних ортогональних семантичних просторах, розробка нечітких моделей для розрахунку характеристик з трапецеїдальними функціями належності [3]; застосування правил параметричної декомпозиції у ієрархічних системах [4]; формалізоване представлення ієрархії телекомунікаційної мережі, класифікація нечітких ситуацій [5].

Апробація результатів дисертації. Наукові положення, що виносяться на захист, та висновки й рекомендації дисертації належать авторові. Основна частина отриманих в дисертації результатів доповідалась автором особисто на міжнародних науково-технічних конференціях. Матеріали дисертації пройшли апробацію на дванадцяти наукових конференціях і семінарах різного рівня, а саме:

– ІV и V международные НТК "Современные информационно-коммуникационные технологии", Крым, Ялта, Ливадия, 2008, 2009;

– II та III НТК "Проблеми телекомунікацій", НТУУ КПІ, Київ, 2008, 2009;

– науково-практичні семінари "Питання розвитку телекомунікаційних мереж" та "Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології", УНДІЗ, Київ, 2008-2009 рр.

– V международная НПК "Информационные технологии и безопасность в управлении", ВНУ им. В. Даля, Крым, Ялта, Ливадия, 2008;

– ІІІ міжнародна НТК "Комп'ютерні науки та інформаційні технології", Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Україна, 2008;

– V міжнародна НТК студентства і молоді, ДУІКТ, Київ, 2008;

– ХІІ международный молодежный форум "Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке", ХНУРЭ, Харков, 2008;

– VIII и IX международные НТК "Математическое моделирование и информационные технологии", ОГАХ, Одесса, 2008-2009 рр.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи і її наукові положення опубліковані в статтях в науково-технічних журналах, і в працях міжнародних конференцій і семінарів. Всього опубліковано 17 робіт, з них 5 робіт у виданнях, що входять в перелік спеціалізованих видань ВАК.

Структура дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Робота містить 156 сторінок тексту, 12 рисунків і 2 таблиці, список використаних джерел містить 74 найменування. В додатках містяться 3 акти впровадження результатів дисертаційного дослідження.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дана загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми; визначені: мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень; вказані: наукова новизна та практична цінність результатів; зв'язок з науковими програмами і планами; відомості, що стосуються достовірності та апробації результатів, публікацій, особистого внеску здобувача.

У першому розділі проведено аналіз існуючих моделей і методів опису характеристик ТМ, на основі якого відзначено, що часто при моделюванні функціонування ТМ використовують апарат теорії масового обслуговування, в рамках якого вузли комутації (ВК) і напрямки зв'язку (НЗ) представляють у вигляді систем масового обслуговування (СМО). Але недолік використання СМО в тому, що вони не враховують взаємодію різних елементів мережі, а представляють модель лише окремо взятого елементу. Зважаючи на це, проаналізовані моделі теорії мереж масового обслуговування (ММО), які описують сукупність СМО і їх взаємодію між собою і довкіллям.

Аналіз моделей теорії ММО показав, що в реальному житті досить складно, а інколи і неможливо, описати значення параметрів ТМ в чіткому вигляді. Це обумовлено рівнем точності вимірів, що проводяться, відсутністю деяких даних або якісним характером параметрів, які досліджуються. Для подолання подібних складнощів опису на основі аналізу моделей теорії нечітких множин (ТНМ) було запропоновано деякі параметри ММО описувати не числовими, а лінгвістичними змінними (ЛЗ).

В процесі аналізу функціонування ТМ показано, що окрім технічних параметрів на функціонування мережі впливають і зовнішні чинники довкілля. При цьому зовнішній вплив довкілля (ЗВД) найчастіше описують за допомогою коефіцієнтів міжвузлового тяжіння або не враховують зовсім. Значення коефіцієнтів тяжіння зазвичай визначаються емпіричним методом за допомогою експертних оцінок. Таким чином, можна стверджувати, що ЗВД носить явно нечіткий характер, а значить, може бути описаний за допомогою апарату ТНМ.

Нечіткий опис параметрів ММО і ЗВД призводить до необхідності побудови моделей розрахунку показників якості функціонування ТМ з урахуванням нечітких вихідних даних. При цьому постає задача поліпшення значень показників якості функціонування ТМ, що призводить до задачі пошуку таких управляючих рішень (УР), які б призводили до найкращих значень вибраних показників. Іншими словами, виникає задача пошуку оптимальних за набором показників УР, тобто задача багатокритеріальної оптимізації, де в якості критеріїв виступають цільові функції максимізації або мінімізації показників якості функціонування ТМ.

Аналізуючи методи багатокритеріальної оптимізації в даній роботі обраний підхід пошуку множини УР, які б були оптимальними за Парето. Множина таких рішень може бути представлена особі, що приймає рішення, для вибору найкращого УР, або використано в різних методах вибору найкращих альтернатив.

У другому розділі розроблені моделі, які дозволяють розглядати ТМ, як багаторівневу ієрархічну систему з нечітким описом параметрів, значення яких залежать як від параметрів систем нижчого рівня ієрархії, так і від параметрів ЗВД. Для побудови цих моделей вирішені задачі формалізації взаємодії підмереж різних рівнів ієрархії ТМ і опису ЗВД на параметри мережі. Для опису ієрархії ТМ розглянута багаторівнева ієрархічна система, що складається в загальному випадку з I рівнів і підсистем на кожному i-му рівні. Було прийнято, що для кожної підсистеми i-го рівня визначена множина можливих варіантів УР , де - кількість можливих УР на i-му рівні для j-ї підсистеми. Для такої системи сформульовано в загальному вигляді задачу визначення множини УР, які є найбільш ефективними для системи відносно заданих показників якості функціонування ТМ, і при цьому допустимі у розумінні обмежень на їх виконання. При цьому під УР малися на увазі рішення про збільшення пропускної спроможності пучків каналів в деяких НЗ.

Для опису нечіткого характеру параметрів ТМ використано поняття повного ортогонального семантичного простору (ПОСП). Використання ПОСП дозволило оцінювати параметри різних систем, які можуть знаходитися на різних рівнях, за однією семантичною шкалою. Це в свою чергу дало можливість порівнювати різні об'єкти ієрархії по заданих параметрах.

Враховуючи нечіткий опис параметрів мережі, в якості характеристики УР по окремих підсистемах j і для всієї системи в цілому використана функція приналежності УР до підмножини допустимих і ефективних рішень . Функція приналежності визначалась на множині рішень , , , . Ефективність рішень задавалась нечіткою метою як нечітка підмножина з функцією приналежності , допустимість рішень - нечіткою підмножиною з функцією приналежності . Результуючий вплив нечіткої мети G і нечіткого обмеження C на вибір рішення визначався перетином .

Нечітку підмножину прийнято нечітким рішенням пошуку ефективних і допустимих УР для підсистеми j рівня.

Визначення функції приналежності отримано за допомогою рівнянь матеріального балансу, що представлені нечіткими базами знань (НБЗ). В той же час нечітка підмножина ефективних варіантів розраховувалася на основі побудованого лексикографічного відношення, визначеного на множині варіантів УР. На основі відношення введено нечітке відношення переваги за всіма критеріями, з функцією приналежності .

Далі розроблена модель опису ЗВД на параметри ТМ за допомогою нечітких класифікаторів. Враховуючи високу міру гетерогенності параметрів довкілля, в роботі були введені агреговані показники, що описують рівні різних типів впливу зовнішнього середовища: , , . Значення кожного показника залежить від відповідної йому множини параметрів. Отримана ієрархія ЗВД на параметри ТМ представлена на рисунку 1.

Кожен з показників відображує деякий тип параметрів довкілля:

– відображає вплив соціально-демографічних параметрів, що характеризують населення, яке обслуговується деякою підмережею;

– відображає вплив територіальних параметрів, які характеризують місцевість, що обслуговується даною підмережею;

– Е відображає вплив подій, які можуть відбуватися в зовнішньому середовищі.

Кожен показник описаний стандартним нечітким п'ятирівневим 01-класифікатором з терм-множиною значень {"Сильно Зменшує" (СЗм), "Зменшує" (Зм), "Не Впливає" (НВ), "Збільшує" (Зб), "Сильно Збільшує" (СЗб)}, які характеризують вплив відповідного чинника на параметри ТМ. Значення показників розраховуються по наступним співвідношенням: (5), де - потужності множин параметрів агрегованих показників, і відповідно, а ,, - деякі нечіткі функції, які мають на увазі чітке відображення з простору нечітких значень параметрів зовнішнього середовища в простір нечітких значень агрегованого показника.

Для визначення нечітких функцій Н ₁ і Н ₂ використані НБЗ і згортки значень параметрів з урахуванням сили впливу кожного з параметрів зовнішньої дії. Для побудови нечіткої функції Н_Е запропоновано два способи: за допомогою експертних оцінок подій, що відбуваються, і за наявною статистичною інформацією, проводячи аналогії між відомими ситуаціями і поточною та будуючи відповідні бази знань. При цьому для опису подій використано поняття нечіткої темпоральної структури, яка формується на основі нечітких темпоральних ознак, що спостерігають, і які знаходяться між собою в деяких нечітких темпоральних відношеннях, які описуються нечіткими відношеннями Аллена.

Для опису впливу агрегованих показників , і Е на параметри ТМ, розглянуто нечіткий процес вигляду (6), де t - поточний час; - початковий відлік часу; - значення i-го параметра у момент часу t, що характеризується трапецеїдальним нечітким числом, заданим в ПОСП ; - розрахунковий коридор зміни , що визначався як ЛЗ, значення якої обчислюється по відповідній базі знань на підставі набутих лінгвістичних значень агрегованих показників ЗВД.

Зважаючи на нечіткий опис деяких параметрів, і враховуючи нечіткі показники ЗВД, для опису стану ТМ використовувалось поняття нечіткої ситуації, яка описується нечіткою множиною другого рівня. Для визначення критичних ситуацій, або ситуацій близьких до них використані методи нечіткої кластеризації, на основі яких введено три класи нечітких ситуацій:

– клас штатних ситуацій (система функціонує нормально);

– клас граничних ситуацій (система функціонує на межі допустимого режиму);

– клас нештатних ситуацій (система функціонує ненормально).

Використовуючи поняття нечіткої ситуаційної мережі (НСМ), побудувана модель зміни нечітких ситуацій для ієрархічної системи, що дало змогу визначати, в якій ситуації знаходитиметься система в наступні моменти часу, якщо на неї впливає деяка дія. При цьому малось на увазі, що дії на ТМ можуть бути як з боку довкілля, так і реалізацією деяких УР. Враховуючи введені класи ситуацій, НСМ матиме вигляд, який зображен на рисунку 2.

Таким чином, задача пошуку оптимальних УР, яка сформульована в першому розділі, зводиться до пошуку таких УР, які переводили б систему в клас штатних ситуацій з врахуванням ЗВД.

У третьому розділі дисертаційної роботи розроблені моделі розрахунку імовірнісно-часових характеристик ТМ, які оперують нечіткими вихідними даними. В якості показників, що описують функціонування системи, вибрані імовірнісно-часові характеристики (ІЧХ) ТМ: час доставки повідомлення, імовірність своєчасної доставки повідомлення і імовірність відмови в передачі повідомлення.

Вибір і розрахунок ІЧХ залежав від виду системи, яка аналізувалась: системи масового призначення (СМП) і системи унікального призначення (СУП). Принципова відмінність СУП від СМП складалась в тому, що для СУП критичним є функціонування кожного елементу, і підвищення ефективності одних елементів мережі не може компенсувати низьку ефективність функціонування інших елементів. СУП розглядалися як ММО з відмовами, а СМП були розглянуті як ММО з очікуванням і як ММО з відмовами. телекомунікаційна нечітка невизначеність зовнішній

Модель СМП з очікуванням в загальному випадку представлена у вигляді моделі мережі, яка складається з m ВК і n НЗ між ними. На кожен ВК ззовні поступає потік заявок з інтенсивністю . Сумарна інтенсивність зовнішнього потоку буде рівна

.

Ця інтенсивність розподіляється по НЗ і породжує внутрішнє навантаження інтенсивністю . Кожен НЗ розглядався як СМО з деякою продуктивністю - пропускною спроможністю .

ТМ розглядалась як ММО з наступними параметрами:

– потоки заявок з інтенсивністю;

– час обслуговування заявки;

– час простою НЗ і час справної роботи;

– інтенсивність старіння інформації, що знаходиться в j-му НЗ, де - середній час старіння інформації.

Як показники якості функціонування ТМ, представленою у вигляді мережі СМП з очікуванням, розглянуті імовірність своєчасної доставки повідомлення і час доставки повідомлення .

Вихідні дані і показники якості представлені у вигляді нечітких змінних, заданих на відповідних ПОСП. Терми кожного ПОСП характеризувалися трапецеїдальними функціями приналежності. Нечіткі моделі розрахунку ІЧХ описані з урахуванням нечіткості вихідних даних і визначення їх на ПОСП.

Отримані нечіткі моделі розрахунку значень ІЧХ поширені на мережі, в яких час обслуговування заявок можна представити постійною величиною, а не змінною, як в розглянутій раніше. При цьому для побудови моделей розрахунку ІЧХ для мережі у вигляді ММО з постійним часом обслуговування, доведено дві теореми. Перша теорема про те, що значення нечіткого показника, отриманого в результаті піднесення експоненти до ступеня, який описується нечітким значенням з трапецеїдальної функції приналежності, може бути апроксимировано трапецеїдальною функцією приналежності з досить низькою погрішністю за умови близькості кута нахилу ребра трапеції до прямого кута. Аналогічна теорема доведена і для логарифмування значень нечітких змінних.

Для побудови моделей розрахунку показників якості функціонування ММО з відмовами розглянута модель, яка описує підмережу з радіальною структурою. Ця модель має на увазі, що вхідні повідомлення надходять до периферійних систем обслуговування (ПСО), які при нагоді передають повідомлення по відповідних напрямах зв'язку центральному пристрою (ЦП). ЦП у свою чергу передає повідомлення далі в мережу по вихідному каналу. На кожне ПСО поступає потік заявок інтенсивністю , і при цьому кожен НЗ обмежений максимально можливою швидкістю передачі даних . Вихідний напрям зв'язку в ЦП також обмежений за швидкістю передачі даних величиною .

На відміну від систем з очікуванням, основним показником, що розглядався в роботі при аналізі функціонування систем з відмовами, була імовірність відмови в передачі повідомлення. Описуючи вихідні дані у вигляді нечітких змінних у відповідних їм ПОСП з трапецеїдальними функціями приналежності, побудовані моделі розрахунку показника для СМП і СУП.

Для визначення нечітких значень розглянутих показників у відповідному ПОСП була введена функція відстані між різними нечіткими трапецієдальними значеннями в одному ПОСП, яка описується наступними співвідношеннями (7), де - нечіткі значення з одного ПОСП, між якими визначається відстань; і - основи нечітких значень y_i і y_j відповідно; і - ядра нечітких значень y_i і y_j відповідно.

Функція відстані дала змогу задавати ПОСП параметрів і показників незалежно від системи, яка розглядається. На основі набутих нечітких значень розглянутих показників отримано оцінки систем на кожному рівні ієрархії. При цьому побудовані моделі дозволили розрахувати значення показників з урахуванням приросту пропускної спроможності пучків каналів в деяких НЗ. На верхніх рівнях ієрархії (вище першого) побудовані моделі розрахунку значень ІЧХ, які також враховують значення ІЧХ підмереж нижнього рівня, які складають систему.

У четвертому розділі на основі запропонованих у попередніх розділах моделях розроблені алгоритми розрахунку оптимальних значень показників якості функціонування ТМ при обмеженому ресурсі, що виділяється для реалізації УР, і з обмеженнями на максимально можливу пропускну спроможність пучків каналів в напрямах зв'язку. При цьому розглянуті варіанти як для дискретної, так і для безперервної сфер значень пропускної здатності.

Оптимізаційна задача формулювалась з урахуванням визначення вихідних даних у ПОСП, і мала вигляд: (8), де - ЛЗ, що визначає показник ефективності функціонування підмережі; - приріст пропускної спроможності в i-м НЗ; - ЛЗ, що визначає питому вартість приросту одиниці пропускної спроможності i-го НЗ, задана на ПОСП ; ,, - ЛЗ, задані на ПОСП ,, відповідно; - максимально допустимий розвиток пропускної спроможності i-го НЗ; - загальна кількість наявних ресурсів.

Рішення задачі (8) при заданій кількості ресурсів дає оптимальний розподіл ресурсів між елементами даної мережі відносно заданого показника і оптимальне значення цього показника. На відміну від алгоритмів, розроблених для подібних систем раніше, запропоновані в роботі алгоритми оперують нечіткими значеннями із заданих ПОСП.

Окрім однокритеріальної задачі оптимізації, в роботі розглядалася і багатокритеріальна оптимізаційна задача. В рамках наведених в роботі моделей алгоритми пошуку оптимальних варіантів УР з точки зору ІЧХ були поширені на багатокритеріальні оптимізаційні задачі, чого раніше для аналогічної постановки задачі не робилось. Суть алгоритму рішення багатокритеріальної задачі полягає в побудові таблиці, в якій як виміри вибрані ПОСП показників важливості модернізації НЗ для відповідних показників оцінювання. При порівнянні варіантів в таблиці виробляється розрахунок лексикографічного відношення і відповідно функції приналежності. Значення функції приналежності до підмножини допустимих варіантів визначалось на підставі обмежень на ресурси і максимально можливі значення пропускної спроможності. Побудовані алгоритми дозволили отримати оптимальні за Парето варіанти УР і розрахувати функції приналежності цих варіантів до безлічі ефективних і допустимих рішень.

На основі описаних понять і розроблених моделей ЗВД та взаємодії підмереж різних рівнів ієрархії ТМ, використовуючи алгоритми розрахунку оптимальних значень ІЧХ при прийнятті деяких УР для різних видів систем, розроблений метод опису характеристик ТМ в умовах невизначеності. Цей метод має на увазі використання НБЗ для розрахунку параметрів ТМ в залежності від ЗВД, на основі яких розраховуються ІЧХ. Після чого, визначивши нечітку ситуацію, в якій опинилась ТМ, і, спираючись на ресурси, що виділяються для покращення цієї ситуації, проводиться пошук оптимальних УР з урахуванням заданих обмежень.

На основі розроблених моделей і алгоритмів, використовуючи програму Matlab, написаний комплекс програмних модулів, який реалізував метод опису характеристик ТМ з урахуванням її ієрархічної структури і параметрів ЗВД. Розроблені програмні модулі дозволяють описати НБЗ впливу параметрів довкілля на параметри ТМ, на основі чого по розробленим алгоритмам для систем відповідного типу розраховуються значення ІЧХ.

Для перевірки розроблених методів проведено ряд експериментів для мережі із 8 вузлами та 25 НЗ, в яких була реалізована можливість регулювання пропускної спроможності у НЗ і моніторінг ІЧХ мережі. Для мереж більшої розмірності проведені модельні експерименти в програмній системі Matlab. Проведені експерименти показали підвищення точності отримуваних результатів при використанні розробленого методу на 10-12 % по відношенню до методів, які використовують чіткі вихідні дані і не враховують вплив довкілля. Крім того, розроблений в роботі метод дозволив поширити використання розроблених моделей для рішення задач багатокритеріальні оптимізації на СМП з постійним часом обслуговування, для яких раніше задачі багатокритеріальної оптимізації в аналогічній постановці вирішено не було.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на підставі проведених досліджень побудовані метод опису характеристик ТМ в умовах невизначеності і моделі розрахунку цих характеристик з урахуванням впливу зовнішнього середовища та нечітко заданих вихідних даних, що дозволило підвищити точність опису характеристик ТМ і розширити сферу застосування існуючих методів і моделей.

При цьому отримані наступні наукові і практичні результати:

1. Проаналізовані моделі і методи розрахунку імовірносно-часових характеристик ТМ, які засновані на представленні мережі як ММО з очікуванням та ММО з відмовами. Обрані моделі, які дозволяють проводити оптимізацію значень імовірносно-часових характеристик ТМ відносно збільшення пропускної спроможності пучків каналів у НЗ.

2. Проаналізована ієрархічна структура ТМ та запропонована модель опису залежності характеристик підмереж вищих рівнів ієрархії від характеристик підмереж нижчих рівнів ієрархії з урахуванням нечіткості значень параметрів ТМ.

3. Розроблені моделі розрахунку нечітких значень імовірносно-часових характеристик ТМ з урахуванням представлення значень параметрів мережі у ПОСП для ТМ, які можна представити як ММО з очікуванням та ММО з відмовами. Побудовані моделі дозволяють знайти значення характеристик ТМ при нечіткому описі вихідних даних.

4. Сформульована, реалізована і вирішена задача побудови моделі пошуку оптимальних УР з точки зору імовірнісно-часових характеристик ТМ, про збільшення пропускних спроможностей пучків каналів у НЗ в нечітких умовах.

5. Побудована формалізована модель, яка описує вплив з боку довкілля на значення характеристик ТМ, використовуючи апарат теорії нечітких множин. Побудована модель дозволяє відійти від емпіричних методів урахування зовнішніх чинників і підвищити точність методів опису і розрахунку характеристик ТМ, що може допомогти у вдосконаленні методів проектування, управління і модернізації ТМ.

6. Запропонований метод опису характеристик ТМ в нечітких умовах, який дозволяє розраховувати значення імовірнісно-часових характеристик ТМ з урахуванням нечіткого опису параметрів ТМ і параметрів довкілля, що впливають на функціонування системи на різних рівнях ієрархії. Це дозволило підвищити точність розрахунку, значень показників функціонування ТМ на 10-12 % завдяки урахуванню нечітких параметрів, які раніше не враховувалися або враховувалися непрямим чином на емпіричному рівні.

7. Використовуючи розроблений метод, були вирішені задачі, які в подібній постановці, але з чітким описом вихідних даних рішенню не піддавалися. А саме задача оптимізації значення імовірності своєчасної доставки повідомлення для ТМ, яку можна представити у вигляді ММО з очікуванням і постійним часом обслуговування заявок. Також була вирішена задача двокритеріальної оптимізації такої ж системи для показників імовірності своєчасної доставки повідомлення і часу доставки повідомлення.

8. Запропонований ситуаційний опис функціонування ТМ за допомогою введених класів нечітких ситуацій, в яких може знаходитися ТМ, що описують штатний, нештатний і граничний режими функціонування мережі, та скорочують розмірність НСМ.

9. Розроблені алгоритми пошуку оптимальних УР, на основі яких були побудовані програмні модулі, що розраховують оптимальні значення приростів пропускних спроможностей для кожного з НЗ заданої мережі при нечітких вихідних даних, заданих у ПОСП. Крім того, ці програмні модулі дозволяють на побудованих в дисертаційній роботі методах і моделях розраховувати значення імовірнісно-часових характеристик ТМ з урахуванням прийнятих УР. Розроблені теоретичні положення і програмні засоби використані ВАТ "Укртелеком" на етапі проектування і модернізації ТМ, а також в учбовому процесі Одеської державної академії холоду і Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНІХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДІСЕРТАЦІЇ

1. Тишин П.М. Сравнение характеристик двух моделей описания развития направлений связи / П.М. Тишин, К.В. Ботнарь // Наукові записки УНДІЗ. - Киев: УНИИС, 2009. - C. 77-88.

2. Тишин П.М. Нечеткая многокритериальная оценка проектных решений в многоуровневых иерархических системах / П.М. Тишин, Г.С. Гайворонская, К.В. Ботнарь // Вісник СНУ ім. В. Даля. - Луганск: ВНУ им. В. Даля, 2008. - №8. - С. 210-214.

3. Тишин П.М. К вопросу построения допустимых соотношений для элементов иерархической системы / П.М. Тишин, Г.С. Гайворонская, К.В. Ботнарь // Холодильная техника и технология. - Одесса: ВЦ ОГАХ, 2008. - №6. - С. 79-83.

4. Тішин П.М. Застосування параметричної декомпозиції для більш ефективного опису складних систем / П.М. Тішин, Г.С. Гайворонська, К.В. Ботнар // "Моделювання та інформаційні технології" Збірник наукових праць ІПМЕ - Киів: ІПМЕ, 2009. - №54 - С. 126-129.

5. Тишин П.М. Нечеткие модели сетей связи/П.М. Тишин, К.В. Ботнарь// Холодильная техника и технология. - Одесса: ОГАХ, 2009. - №8. - С. 60-67.

6. Ботнарь К.В. О построении нечеткой модели телекоммуникационной сети / К.В. Ботнарь // Материалы 12-го Международного молодежного форума "Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке", ХНУРЭ, Харьков, 2008.

7. Ботнарь К.В. Нечеткий подход к описанию состояний телекоммуникационной сети / К.В. Ботнарь // Материалы Международной конференции "Проблемы телекоммуникаций - 2008", КПИ, Киев, 20-23 мая 2008.

8. Ботнарь К.В. Нечеткое описание линий связи телекоммуникационной сети / К.В. Ботнарь // Материалы пятой международной НТК студенчества и молодежи, ГУИКТ, Киев, 9-10 мая 2008.

9. Ботнарь К.В. Нечеткая многокритериальная оценка проектных решений в многоуровневой иерархической системе / К.В. Ботнарь // V Международная научно-практическая конференция "Информационные технологии и безопасность в управлении", ВНУ им. В. Даля, пгт. Ливадия, г. Ялта, Украина, 15-19 сентября 2008.

10. Тішин П.М. Застосування параметричної декомпозиції для більш ефективного опису складних систем /П.М. Тішин, К.В. Ботнар//Матеріали ІІІ Міжнародної НТК "Комп'ютерні науки та інформаційні технології", Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Украина 2008 р.

11. Тишин П.М. Применение нечеткой оптимизации при решении многокритериальных задач проектирования телекоммуникационных сетей / П.М. Тишин, К.В. Ботнарь // Сборник тезисов ІV Международной научно-технической конференции "Современные информационно-коммуникационные технологии", Крым, Ялта, Ливадия, 15-19 сентября 2008.

12. Ботнарь К.В. О возможности применения нечетких множеств для описания характеристик телекоммуникационной сети / К.В. Ботнарь // Материалы VI международного семинара "Математическое моделирование и информационные технологии", ОГАХ, Одесса, 20-21 ноября 2008.

13. Ботнарь К.В. Расчет вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети в условиях нечеткого представления исходных данных / К.В. Ботнарь // Матеріали науково-практичного семинару молодих науковців та студентів "Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології", УНДІЗ, Київ, 2008.

14. Ботнарь К.В. Нечеткий подход к описанию состояний телекоммуникационной сети / К.В. Ботнарь // Материалы Международной конференции "Проблемы телекоммуникаций - 2009", КПИ, Киев, 21-22 апреля 2009.

15. Ботнарь К.В. Многокритериальная оптимизация вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети в нечетких условиях / К.В. Ботнарь // Сборник тезисов Пятой международной НТК "Современные информационно-коммуникационные технологии", Крым, Ялта, Ливадия, 05-09 октября 2009.

16. Ботнарь К.В. Формализация внешнего влияния окружающей среды на функционирования телекоммуникационной сети / К.В. Ботнарь // Материалы V международного семинара "Математическое моделирование и информационные технологии", ОГАХ, Одесса, 19-20 октября 2009.

17. Ботнарь К.В. Оптимизация значений вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети в условиях нечеткого представления исходных данных /К.В. Ботнарь// Матеріали науково-практичного семинару молодих науковців та студентів "Питання розвитку телекомунікаційних мереж", УНДІЗ, Київ, 2009.

АНОТАЦІЯ

Ботнар К.В. "Методи і моделі опису характеристик телекомунікаційної мережі в умовах невизначеності". - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-технічної задачі підвищення точності методів і моделей опису характеристик телекомунікаційної мережі в умовах невизначеності. Проаналізовані умови виникнення невизначеностей в описі характеристик телекомунікаційної мережі. Розглянуті чинники довкілля, які впливають на режим функціонування телекомунікаційної мережі. Побудовані моделі опису впливу зовнішнього впливу довкілля на параметри телекомунікаційної мережі. Проаналізована ієрархічна структура телекомунікаційної мережі і побудовані моделі, які описують вплив мереж нижчих рівнів ієрархії на мережі вищих рівнів ієрархії з урахуванням нечіткого опису параметрів телекомунікаційної мережі. Розроблені моделі для розрахунку нечітких значень імовірнісно-часових характеристик телекомунікаційної мережі, на підставі яких побудовані алгоритми розрахунку нечіткої множини управляючих рішень, направлених на підвищення пропускної спроможності пучків каналів в напрямах зв'язку.

Представлені дослідження, розроблені методи і моделі дозволяють поліпшити точність розрахунку характеристик телекомунікаційної мережі.

Ключові слова: нечітка множина, імовірнісно-часові характеристики, телекомунікаційна мережа, багатокритеріальна оптимізація, лінгвістична змінна, зовнішній вплив.

АННОТАЦИЯ

Ботнарь К.В. "Методы и модели описания характеристик телекоммуникационной сети в условиях неопределенности". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети. - Государственный университет информационно-коммуникационных технологий, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению научно-технической задачи повышения точности методов и моделей описания характеристик телекоммуникационной сети (ТС)в условиях неопределенности. Проанализированы условия возникновения неопределенностей в описании характеристик ТС. Рассмотрены факторы окружающей среды, влияющие на режим функционирования ТС. Предложены нечеткие агрегирующие показатели влияния окружающей среды на значения параметров ТС, расчет значений которых определяется на основе нечеткой базы знаний с использованием понятий нечеткой темпоральной логики. На основании этого построены модели описания влияния внешнего воздействия окружающей среды на параметры ТС.

Проанализирована иерархическая структура ТС. Построены модели, описывающие влияние сетей низших уровней иерархии на сети высших уровней иерархии с учетом нечеткого описания параметров ТС. При этом зависимость нечетких значений параметров систем высших уровней иерархии от нечетких значений параметров более низких уровней иерархии описывается нечеткой базой знаний. На основе нечетких характеристик ТС и методов нечеткой кластеризации введено три класса нечетких ситуаций, которые описывают режимы функционирования сети при заданных условиях.

Разработаны модели для расчета нечетких значений вероятностно-временных характеристик ТС. Сформулированы и решены задачи однокритериальной и многокритериальной оптимизации значений вероятностно-временных характеристик сети с учетом нечетко заданных исходных данных. Оптимизационная задача решалась как расчет такого нечеткого множества эффективных и допустимых управляющих решений, направленных на повышение пропускной способности пучков каналов в направлениях связи, которые бы давали наилучшие значения показателей качества функционирования телекоммуникационной сети.

На основании разработанных моделей построены алгоритмы расчета вероятностно-временных характеристик телекоммуникационной сети с учетом нечеткого представления исходных данных. По разработанным алгоритмам в программе Matlab создан комплекс программных модулей, реализующий представленные в работе методы и модели. Используя созданный программный комплекс, были проведены исследования, которые показали, что разработанные методы и модели позволяют повысить точность расчета характеристик телекоммуникационной сети на 10-12 % и расширить их применение для моделей систем с постоянным временем обслуживания.

Ключевые слова: нечеткое множество, вероятностно-временные характеристики, телекоммуникационная сеть, многокритериальная оптимизация, лингвистическая переменная, внешнее воздействие.

SUMMARY

Botnar К.V. "Methods and models of telecommunication network characteristics description in the conditions of vagueness". - Manuscript.

Dissertation on the competition of scientific degree of candidate of engineering's sciences on specialty 05.12.02 - the telecommunication systems and networks. it is the State university of informative-communication technologies, Kiev, 2010.

Dissertation work is devoted to the decision of scientific and technical task of methods precision increase and models of telecommunication network (TCN) characteristics description in the conditions of uncertainty. The terms of uncertainty origin are analyzed in TCN characteristics description. The factors of environment, which influence on the mode of TCN functioning, are considered. The models of description of external environment influence are built on the parameters of TCN. A hierarchical TCN structure is analyzed and models which describe influence of hierarchy lower levels subnetworks on the hierarchy higher levels subnetwork taking into account the unclear specification of parameters of TCN are built. Models are developed for the calculation of fuzzy values of probabilistic-temporal descriptions of TCN, which the algorithms of fuzzy set of managing decisions calculation, directed on the capacity increase of bunches of ducting in directions to connection are built on the basis of.

The presented researches, developed methods and models, allow to improve precision of calculation of TCN characteristics.

Keywords: fuzzy set, probabilistic-temporal descriptions, telecommunication network, multicriterion optimization, linguistic variable, external influence.

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ

ТМ - телекомунікаційна мережа;

НС - нечітка ситуація;

ІЧХ - імовірнісно-часові характеристики;

НЗ - напрямок зв'язку;

ЗВД - зовнішній вплив довкілля;

ПОСП - повний ортогональний семантичний простір;

ЛЗ - лінгвістична змінна;

УР - управляючі рішення;

ВК - вузол комутації;

СМО - система масового обслуговування;

ММО - мережа масового обслуговування;

ТНМ - теорія нечітких множин;

НБЗ - нечітка база знань;

СМП - система масового призначення;

СУП - система унікального призначення;

ПСО - периферійна система обслуговування;

НСМ - нечітка ситуаційна мережа.

Размещено на Allbest.ru

...