Введение к работе
Актуальность работы. Развитие всех сфер жизнедеятельности общества обусловило прогресс в области телекоммуникационных и информационных технологий. Расширение возможностей аппаратной базы привело к объединению разнородных технологии передачи в единую, мультисервисную сеть. Это позволило предоставлять пользователям различные виды сервиса, такие как: передача голоса, передача данных, мультимедийные услуги и многие другие с помощью одного канала связи. Сегодня объем трафика данных существенно превысил объем трафика телефонных сообщений. Появление аппаратуры уровня OC-192/STM-64, обеспечивающей производительность 10 Гбит/с и семейства технологий Wavelength Division Multiplexing (WDM) со скоростями до сотен Гбит/с, не решили вопроса «последней мили». Применение такого оборудования для связи конечных пользователей с узлами сети экономически нецелесообразно. Все множество решений указанной проблемы можно условно разделить на две основные группы: проводные и беспроводные. Беспроводные технологии представляют наибольший интерес, поскольку не требуют дорогостоящей прокладки кабельных коммуникаций. Сегодня разработки в области беспроводных технологий привели к появлению большого количества продуктов и решений, таких как сети 3G, Wi-Fi стандарты 802.11, WiMAX, Bluetooth. Максимальная скорость передачи в приведенных сетях принадлежит стандарту 802.15.3a и составляет 480 Мбит/с, а теоретически возможная – 1360 Мбит/с. Рассматривая персональные беспроводные сети передачи данных (БСПД), важно отметить технологию сверхширокополосной связи. Это направление появилось в 80-х годах ХХ века, но в последнее время обрело второе дыхание и, вероятно, ляжет в основу сверхвысокоскоростных БСПД. Продвижение сверхширокополосной связи требует разработки принципиально новых устройств. Использование механизмов самоорганизации в данном случае представляет наибольший интерес, поскольку применение таких алгоритмов позволяет усовершенствовать существующие системы: снизить стоимость, удешевить обслуживание, повысить надежность. Создание таких устройств путем натурного моделирования и эксперимента является сложной, дорогостоящей и долговременной задачей, а в некоторых случаях натурный эксперимент не реализуем. Обозначенные проблемы потребовали для своего решения привлечения математических методов в сочетании с имитационным моделированием и разработкой программ для ЭВМ.
Математическое моделирование процессов самоорганизации, протекающих в широкополосных системах, позволит получить оригинальные результаты в науке и технике. Поэтому исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, являются актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей явления самоорганизации в сетях и устройствах и создание алгоритмов моделирования, методов вычисления и комплекса программ, реализующих эти алгоритмы.
Для этого предполагается решить следующие основные задачи:
- разработать математическую модель распределенной самосинхронизирующейся многоагентной широкополосной сети;
- исследовать режимы возникновения самоорганизации в моделируемой распределенной самосинхронизирующейся многоагентной широкополосной сети;
- разработать оптимальный алгоритм фильтрации параметров широкополосных сигналов, основанный на свойствах самоорганизации;
- разработать математическую модель самоорганизующегося устройства фильтрации параметров широкополосных сигналов;
- определить возможность практической реализации моделируемого самоорганизующегося устройства фильтрации параметров широкополосных сигналов.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, предложенными методами их решения и впервые полученными результатами. В результате исследований:
- обнаружено явление самоорганизации в математической модели широкополосной сети, приводящее к возникновению самосинхронизации, что в корне отличает данные сети от традиционных – с ведущим генератором;
- впервые синтезирована математическая модель нелинейного фильтра, основанного на принципах самоорганизации, что подтверждается отсутствием аналогичных публикаций в мировой и отечественной печати соответствующей отрасли знаний;
- впервые получена прикладная программа для ЭВМ структурно-функционального проектирования явления самоорганизации при нелинейной фильтрации, что подтверждается свидетельством о государственной регистрации № 2009614502;
- получен численный метод решения уравнения нелинейной фильтрации Стратоновича на основе парциальных плотностей и самоорганизации;
- синтезирована аналоговая модель устройства. Имитационным моделированием подтверждена ее работоспособность.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Механизмы возникновения самоорганизации в математических моделях сетей и устройств.
2. Использование методов оптимальной нелинейной фильтрации Стратоновича в математических моделях самоорганизующихся сетей.
3. Математическая модель нелинейного фильтра, основанного на принципах самоорганизации.
4. Численный метод решения уравнения нелинейной фильтрации Стратоновича на основе парциальных плотностей.
5. Прикладная программа для ЭВМ структурно-функционального проектирования.
Достоверность научных и практических результатов. Разработанные в диссертационной работе математические модели строго аргументированы и основаны на зарекомендовавших себя понятиях и подходах синергетики и теории оптимальной нелинейной фильтрации. Достоверность результатов также подтверждается близостью полученных в работе решений с решениями, основанными на использовании известных раннее методов оптимальной нелинейной фильтрации при идентичных исходных данных и граничных условиях.
Практическая значимость диссертационной работы следует из предлагаемых алгоритмов, структур и устройств, которые могут найти применение не только в системе связи, но и в системах радиолокации, радионавигации, системах радиоуправления.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-практической конференции «Социально-экономические и технико-технологические проблемы развития сферы услуг» (Ростов-на-Дону, РАС ЮРГУЭС, 2009 г.); всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2009 г.); международной научно-практическая конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» (Ростов-на-Дону, РГУПС, 2009 г.); научном семинаре «Самоорганизация в авиационных системах навигации» (Ростов-на-Дону, РФ МГТУГА, 2009 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из которых 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК. Общий объем публикаций с учетом авторского вклада составил 2.66 п.л.
Внедрения. Результаты диссертационного исследования внедрены в разработку интеллектуальной системы мониторинга и управления искусственными сооружениями (ИС МУИС) Ростовского филиала ОАО «Российский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», а также в учебный процесс кафедры «Связь на железнодорожном транспорте» Ростовского государственного университета путей сообщения, кафедры «Сети связи и системы коммутации» Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. Получены акты о внедрении.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем диссертации составляет 122 стр.
