Задачі маршрутизації в гібридній мережі передачі даних Єдиної супутникової системи передачі інформації України - Автореферат

Поряд з розвитком мереж загального користування значно збільшилося число розробок систем звязку різних відомств, а також міжвідомчих мереж, до яких відноситися мережа передачі даних Єдиної супутникової системи передачі інформації (ЄССПІ) України. Це, у першу чергу, обумовлюється специфічними вимогами з боку користувачів послуг відомчих мереж і необхідністю забезпечення функціонування таких мереж в умовах, що істотно відрізняються від повсякденних умов мереж звязку загального користування. Без вирішення задачі маршрутизації для гібридних мереж звязку, що враховує необхідність максимального використання ресурсів як наземних, так і супутникових мереж, неможливо забезпечити ефективність роботи таких мереж. Дисертаційна робота виконана в рамках наукового напрямку, що досліджується на кафедрі засобів телекомунікацій Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”, а також у рамках науково-дослідної роботи „Сигнал-2” (номер державної реєстрації № 0197U013058), що виконувалася ДП “Укркосмос” в рамках Національної космічної програми України. Завдання дослідження даної роботи полягають в розробці математичної моделі, що адекватно розкриває процеси, що відбуваються в ГМЗ, методики рішення задачі оптимальної маршрутизації і розрахунку плану розподілу потоків, зокрема у МПД ЄССПІ в залежності від навантаження, що надходить у мережу, а також оцінці імовірнісно-часових характеристик ГМЗ.Тому далі розглядається задача оптимального розподілу потоків між наземною і супутникової мережами, що приводить до необхідності розвязку задачі оптимальної маршрутизації в ГМЗ. Припускаючи, що потоки повідомлень, що поступають у вузли мережі, є пуасонівськими, довжини пакетів мають експоненціальний розподіл, потоки на різних вузлах незалежні і часи обслуговування повідомлень також незалежні на сусідніх вузлах, ми одержимо наступний вираз для затримки даних у наземній мережі: , (1) Припустимо що супутниковий канал має ємність Cs , що розділена на дві частин: Csd для передачі даних і Csv - для мови, що утворює Ns каналів для повідомлень, що підрозділяються на Nd каналів для даних і Nv каналів для мови. Розглянемо окремо випадок, коли для передачі даних можуть використовуватися вільні мовні канали, і припустимо, що затримка даних досягає свого стаціонарного значення при активності k (0<k<Nv) мовних викликів, тоді середня затримка пакетів даних у супутниковому каналі може бути представлена наступним виразом: (3) де ddata визначається виразом (2). Для мінімізації загальної затримки у випадку передачі в мережі тільки даних сконструюємо наступну цільову функцію: , (9) де g - сумарна інтенсивність потоку даних, що надходить у мережу, Ld - інтенсивність потоку даних у супутникової мережі.Розроблено нову математичну модель функціонування ГМЗ, що дозволяє на основі запропонованих коефіцієнтів поділу потоків знаходити затримку повідомлень в гілках наземної мережі і супутниковому каналі в залежності від вхідного навантаження, а також імовірність відмов у встановленні зєднання для мовних викликів. При побудові моделі використані наступні наближення для розрахунки затримки повідомлень в наземній мережі: потоки повідомлень, що поступають у вузли мережі, є пуасонівськими, довжини повідомлень в наземній мережі мають експоненціальний розподіл, потоки на різних вузлах незалежні і часи обслуговування повідомлень також незалежні на сусідніх вузлах. Аналіз супутникової мережі проведено в випадку використання протоколів випадкового доступу типа ALOHA до ресурсів супутникового ретранслятора, але модель цілком є інваріантною до вибору методу та протоколу багатостанційного доступу до супутникового ретранслятора. На основі запропонованої математичної моделі вперше розроблена методика визначення оптимального плану розподілу потоків у всій гібридній мережі звязку, включаючи наземну і супутникову мережі. Ціль оптимального плану розподілу потоків при цьому полягає в тому, щоб розділити повну інтенсивність потоків між кожною парою адресатів у мережі між декількома шляхами від відправника до адресата так, щоб загальний результуючий потік по лініях мережі мінімізував задану вартісну функцію.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У процесі проведених досліджень отримані наступні результати: 1. Розроблено нову математичну модель функціонування ГМЗ, що дозволяє на основі запропонованих коефіцієнтів поділу потоків знаходити затримку повідомлень в гілках наземної мережі і супутниковому каналі в залежності від вхідного навантаження, а також імовірність відмов у встановленні зєднання для мовних викликів. При побудові моделі використані наступні наближення для розрахунки затримки повідомлень в наземній мережі: потоки повідомлень, що поступають у вузли мережі, є пуасонівськими, довжини повідомлень в наземній мережі мають експоненціальний розподіл, потоки на різних вузлах незалежні і часи обслуговування повідомлень також незалежні на сусідніх вузлах. Аналіз супутникової мережі проведено в випадку використання протоколів випадкового доступу типа ALOHA до ресурсів супутникового ретранслятора, але модель цілком є інваріантною до вибору методу та протоколу багатостанційного доступу до супутникового ретранслятора. Додатково розглянуто випадок передачі поряд з даними мовних викликів в супутниковому каналі. При цьому при встановленні мовних зєднань їм виділяється необхідна кількість ресурсів, за рахунок зменшення ресурсів доступних для передачі даних, при розриві мовних зєднань усі ресурси ретранслятора знову виділяються для передачі даних.

2. На основі запропонованої математичної моделі вперше розроблена методика визначення оптимального плану розподілу потоків у всій гібридній мережі звязку, включаючи наземну і супутникову мережі. Ціль оптимального плану розподілу потоків при цьому полягає в тому, щоб розділити повну інтенсивність потоків між кожною парою адресатів у мережі між декількома шляхами від відправника до адресата так, щоб загальний результуючий потік по лініях мережі мінімізував задану вартісну функцію. За таку функцію використовується значення середньої затримки передачі повідомлень у мережі з урахуванням наближення Клейнрока. Цей вибір заснований на гіпотезі, що оптимальний розподіл потоків можна одержати, оптимізуючи інтенсивність потоків по гілках мережі, і зневажаючи іншими імовірнісними характеристиками потоків, оскільки в цьому випадку функція вартості не залежить від вищих моментів потоків. Вирішення зазначеної проблеми базується на чисельному рішенні задачі оптимізації середньої затримки повідомлень в ГМЗ в припустимій області перемінних методом послідовного квадратичного програмування (Feasible Sequential Quadratic Programming). Основна перевага даного методу перед іншими існуючими методами - висока швидкість збіжності, так звана “надзбіжність”, зручність алгоритмічної реалізації. Розроблений прикладний пакет програм на мові програмування С , що дозволяє вирішувати проблему знаходження оптимального плану розподілу потоків повідомлень для широкого класу гібридних мереж різної розмірності. Отриманні чисельні результати використання зазначеної вище методики на прикладі ВТМ НКАУ.

3. Використовуючи отримані в попередніх двох пунктах результати розроблена методика визначення імовірнісно-часових характеристик ГМЗ. Для оцінки часу доставки пакетів даних по гібридній мережі використано математичну модель, що представляє собою L послідовно зєднаних однолінійних систем масового обслуговування типу M/M/1. Отримана функція розподілу часу доставки повідомлень при включенні в тракт передачі даних одного супутникового каналу звязку , що додається до L наземних ланок передачі. За допомогою даної методики проведена чисельна оцінка імовірнісно-часових характеристик ВТМ НКАУ.

4. На базі агрегативного підходу розроблений імітаційний алгоритм функціонування розглянутої системи. Для програмної реалізації зазначеного алгоритму використана мова програмування С . Запропонований оригінальний алгоритм динамічного перерозподілу потоків для гібридної мережі на прикладі ВТМ НКАУ.

5. В результаті проведеного імітаційного моделювання на прикладі функціонування ВТМ НКАУ отримані чисельні дані, які підтвердили коректність запропонованих математичних моделей, та ефективність запропонованого алгоритму динамічного перерозподілу потоків в ВТМ НКАУ.

Сундучков К.С., Макаров А.А., Негода А.А, Комаров В.Г., Ильченко М.Е, Нежуренко А.Г. Единая спутниковая система передачи информации Украины: планы и реализация.// Радиоэлектроника (известия высших учебных заведений), специальный выпуск “Спутниковые технологии передачи информации”, НТУУ “КПИ”, г. Киев, т. 42, №11, 1999 г., стр. 14-23. Нежуренко О.Г. виконав аналіз варіантів побудови МПД ЄССПІ.

Нежуренко А.Г., Сундучков К.С. Агрегативная модель ведомственной телекоммуникационной сети НКАУ// Праці УНДІРТ. - 2000, № 4 (24). - стр.21-23. Нежуренко О.Г. запропонував агрегативну модель МПД ЄССПІ.

Нежуренко А.Г., Сундучков К.С. Управление сетью передачи в Единой спутниковой системе передачи информации Украины// “Арсенал XXI століття”. - 2000, № 3-4. - стр.44-47. Нежуренко О.Г. розробив алгоритм і програму імітаційного моделювання МПД ЄССПІ.

Нежуренко А.Г. Имитационно-статистическая модель ведомственной телекоммуникационной сети НКАУ. 10-я Международная крымская микроволновая конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” сентябрь 2000 г. Стр. 219-221.

Нежуренко А.Г. Имитационное моделирование Ведомственной Телекоммуникационной сети НКАУ// Труды 3 Международной молодежной научно-практической конференции “Людина і космос” г. Днепропетровск, апрель 2001 г.

Нежуренко А.Г. Агрегативная модель ведомственной телекоммуникационной сети НКАУ// Труды 2 Международной молодежной научно-практической конференции “Людина і космос” г. Днепропетровск, апрель 2000 г.