Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективное управление отраслями народного хозяства в условиях рыночной экономики требует создания новой информационной инфраструктуры современного общества, для реализации инструментальной среды которой требуется интеграция всех достижений в области электроники, телекоммуникации и вычислительной техники.
В 80-е годы, когда во всем цивилизованном мире стали говорить об "информационном обществе", был признан закон, который гласил, что количество информации растет пропорционально квадрату промышленного потенциала. Развитие современного общества и производственных отношений не может осуществляться без хорошо развитых и высокоорганизованных информационных систем, средства доставки и распределения информации которых имеют ключевое значения в оперативном и качественном обеспечении информацией всех звеньев общества.
По данным ЮНЕСКО более половины трудоспособного населения развитых стран принимает участие в процессе производства и распределения информации.
Рост зависимости промышленного производства страны от источников информации (экономической, научной, политической, военной и т.д.), а также от средств переработки и передачи информаци привел к формированию нового понятия — национальных информационных ресурсов, которые становятся новой экономической категорией.
Общество производит и потребляет разные виды информации, а для доставки использует различные информационные сети (телефонные и телеграфные, телексные л факсимильные, сети передачи данных, и сети ЭВМ и т.д.). Гакое разнообразие среды связи часто становится технически л экономически невыгодным.
В связи с этим актуальны фундаментальные и прикладные исследовательские работы в области создания цифровых сетей інтегрального обслуживания (ЦСИО).
Интеграция различных видов информационного эбслуживания в рамках одной сети требует решения ряда
проблем, к основным из которых можно отнести следующие: переход к единому методу коммутации и передачи информации, стандартизация и унификация доступа к обшей сети; оптимизация управления и планирование развития сети, включая вопросы расширения обслуживаемых территорий и состава пользователей, распространения обслуживания на подвижные объекты; определение оптимального обьема коммутационного и каналообразующего оборудования единой сети и т.д.
Наиболее перспективным решением проблемы организации новой информационной инфраструктуры обшества для удовлетворения растущих потребностей пользователей в средствах доставки разнообразной информации (речи, телеграфных сообщений, данных, видеоинформации и т.д.) является создание цифровых систем распределения информации с сетевой структурой (ЦСРИСС), которые характеризуются наличием коммуникационных подсетей - цифровых сетей интегрального обслуживания.
К настоящем)' времени вышло в свет большое число работ, посвященных проектированию и созданию ЦСИО, и достаточно полно освешающих различные стороны этой проблемы: методы маршрутизации и ограничения интенсивности потоков, оптимизация управления и протоколов обмена информацией, исследования характеристик и расчет показателей качества функционирования сетей, и т.д. Вышедшие в этом направлении работы в большинстве случаев не учитывают особенностей, присуших ЦСРИСС (широкого разнообразия видов информационных потоков, большие размерности сетей, иерархические топологические структуры, использование различных методов коммутации, высокую скорость цифровой связи и т.д.), и следовательно, полученные основные теоретические результаты не могут быть непосредственно использованы для исследования и расчета показателей качества функционирования таких систем.
ЦСРИСС относятся к классу больших систем, что предопределяет сложность их создания и эксплуатации. Такие системы не могут быть созданы за короткий интервал времени и поэтому, когда одни фрагменты такой сети находятся в
эксплуатации, другие могут проектироваться, а третьи только исследоваться. Кроме того, существующие во всех экономически развитых странах опытные участки ЦСИО построены на основе инженерного опыта разработчиков и далеки от оптимальных.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является развитие основ теории распределения информации и разработка методов расчета цифровых систем распределения информации с сетевой структурой.
Объектом исследований диссертационной работы являются цифровые системы распределения информации с сетевой структурой, а предметом этих исследований — аналитические модели и методы расчета показателей качества функционирования ЦСРИСС.
Состояние проблемы и задачи исследования. В настоящее
время известны работы ученых стран СНГ и других
зарубежных стран, посвященные проблемам создания систем
распределения информации. Среди них можно выделить
работы Б.С.Лившица, А.Д. Харкевича, Г.П. Башарина,
Б.В.Гнеденко, И.Н. Коваленко, A.M. Александрова, М.Н.
Волковинского, А.Н. Ковалевского, А.Г.Гаджиева, А.З.
Меликова, Г.П.Захарова, М.А.Шнепса, Я.В. Фи длина, О.С.
Чугреева, А.М.Аббасова, В А.Жожикашвили,
В.М.Вишневского, L.Takacs, L. Kleinrock, R.Jackson, J. Jackson, F. Baskett, K.M. Chandy, R.R. Munlz, F.G. Palaciosa и
ДР-
Работы указанных авторов подготовили почву для развития нового научного направления в теории распределения информации, связанного с разработкой методов расчета систем распределения информации со сложной сетевой структурой. В этих работах разработано большое количество математических моделей и методов решения задач, относящихся к теории и практике распределения информации. При этой, в основном используются марковские модели, не учитывающие реальный характер поступающих потоков информации, методы коммутации и структурные особенности исследуемых систем.
По оценкам ведущих мировых специалистов создание цифровой сети интегрального обслуживания является
генеральной линией развития информационных сетей в последний период. В настоящее время опытные участки среднескоростных (40-2048 Кбит/сек) сетей интегрального обслуживания уже созданы во Франции; ФРГ; США; Япония; Италии и т.д. Однако обслуживание с небольшой скоростью уже не устраивает ни создателей сети, ни пользователей. Дальнейшая интеграция телефонии, передачи данных и текстов, факсимильной связи, передачи видео и аудио информации требует скорости передачи цифровой информации 140 Мбит/сек и выше.
Дальнейшее развитие телекоммуникации будет осуществляться в повышении скорости передачи и формировании новых видов передаваемой информации, включая трехмерное видеоизображение и мултимедийную электронную почту, стереозвук и т.п.
При этом возникают совершенно новые проблемы в формировании трафика и обслуживания требований в ЦСРИСС при использовании большого числа широкополосных систем передачи информации по коммутируемым системам.
Особое место занимает повышение качества функционирования сетей, так например, требуется уменшит время задержки от 10 сек до 200 мсек., снизить вероятность потерь требований от Ю-3 до Ю-12 и т.д.
При моделировании и проектировании систем распределения информации часто предполагается, что характер входящих потоков информации является пуассоновским. Однако для узлов коммутации это предположение часто не соответствует' действительности, так как супперпозиция реальных потоков в коммутационных узлах ЦСРИСС соответствует потоку Эрланга к-го порядка. Остается также нерешенной проблема оценки показателей качества функционирования многоузловых многоканальных ЦСРИСС с абсолютным приоритетом, обслуживаюших поток информации по системе с ожиданием и с ограниченной очередью.
Набор существующих моделей и методов расчета систем распределения информации является недостаточно полным с точки зрения структурных особенностей систем
обслуживания, характера поступающего потока требований и дисциплин обслуживания, встречающихся на практике, и не позволяет достаточно точно исследовать цифровые системы распределения информации с сложной сетевой структурой.
В соответствии с указанной целью в диссертационной
работе поставлены и решены следующие основные задачи:
разработка метода расчета показателей качества
функционирования коммутационных узлов ЦСРИСС,
обслуживающих эрланговский входящий поток по системе
с ожиданием;
- научное обоснование и разработка метода расчета
показателей качества функционирования коммутационных
узлов ЦСРИСС, обслуживающих эрланговский входящий
поток по системе с ограниченной очередью;
разработка метода расчета показателей качества функционирования ЦСРИСС с ограниченной очередью и абсолютным приоритетом;
- научное обоснование и разработка метода расчета
показателей качества функционирования ЦСРИСС с
ожиданием и абсолютным приоритетом;
- экспериментальное исследование и сравнительный анализ
показателей качества коммутационных узлов для различных вариантов реализации ЦСРИСС;
внедрение полученных результатов в практику
проектирования цифровых систем связи городской и
междугородной телефонных сетей и других систем
распределения информации.
На основе выполненных в диссертации исследований
сформулированы и обоснованы научные положения,
совокупность которых направлены на теоретическое
обобщение и решение научной проблемы, имеющей важное
народнохозяйственное значение.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используется математический аппарат, основанный на методах теорий вероятностей, теории распределения информации, теории массового обслуживания и теории автоматического управления. С целью анализа разработанных моделей ЦСРИСС производятся расчеты их вероятностных
характеристик на ПЭВМ IBM PC/AT и приводятся численные результаты.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методы расчета интенсивности поступающих, исходящих и
транзитных потоков требований в коммутационных узлах
ЦСРИСС;
метод расчета показателей качества функционирования многоканальных коммутационных узлов ЦСРИСС, обслуживающих эрланговский входящий поток требований по системе с ожиданием;
метод расчета показателей качества функционирования многоканальных коммутационных узлов при групповом обслуживании требований;
- методика оптимизации параметров многоканальных
коммутационных узлов, работающих по системе с
ожиданием и с ограниченной очередью при эрланговском
входящем потоке требований;
метод расчета показателей качества функционирования многоканальных ЦСРИСС с ограниченной очередью и абсолютным приоритетом в обслуживании;
метод расчета показателей качества функционирования многоканальных ЦСРИСС с ожиданием и абсолютным приоритетом в обслуживании;
закон распределения времени ожидания требований в многоканальных ЦСРИСС:
- метод расчета объема памяти накопителей многоканальных
коммутационных узлов ЦСРИСС.
Научная новизна диссертационной работы систоит в:
- развитии основ теории распределения информации,
теоретическом обобшении методов расчета показателей
качества функционирования широкого класса
многоканальных цифровых систем распределения
информации с сетевой структурой;
разработке метода расчета показателей качества функционирования многоканальных коммутационных узлов ЦСРИСС, обслуживающих эрланговский входящий поток требований по системе с ожиданием;
- научном обосновании и разработке метода расчета
показателей качества функционирования многоканальных
коммутационных узлов ЦСРИСС, обслуживающих эрланговскии входящий поток требований по системе с ограниченной очередью;
разработке метода расчета показателей качества функционирования многоканальных ЦСРИСС с ограниченной очередью и абсолютным приоритетом в обслуживании;
научном обосновании и разработке метода расчета показателей качества функционирования многоканальных ЦСРИСС с ожиданием и абсолютным приоритетом в обслуживании;
получении закона распределения времени ожидания требований в многоканальных ЦСРИСС;
распространении и развитии методов аналитического моделирования на исследование широкого класса систем распределения информации.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
- разработана методика инженерного расчета интенсивностей
поступающих, исходящих и транзитных потоков требований
в коммутационных узлах ЦСРИСС;
- получены аналитические выражения для инженерного
расчета показателей качества функционирования
коммутационных узлов ЦСРИСС, обслуживающих
эрланговскии входящий поток требований по системе с
ожиданием и ограниченной очередью;
разработана методика оптимизации параметров коммутационных узлов, работающих по системе с ожиданием и с ограниченной очередью;
получены аналитические выражения для инженерного расчета показателей качества функционирования ЦСРИСС с ограниченной очередью и абсолютным приоритетом в обслуживании;
получены аналитические выражения для инженерного расчета показателей качества функционирования многоканальных ЦСРИСС с ожиданием и абсолютным приоритетом в обслуживании;
разработана методика расчета объема памяти накопительных систем коммутационных узлов ЦСРИСС;
разработан метод расчета показателей качества функционирования многоканальных коммутационных узлов при групповом обслуживании требований;
разработано программное обеспечение расчета вероятностных и временных характеристик многоканальных коммутационных узлов ЦСРИСС при эрланговском входящем потоке требований, работающих по системе с ожиданием и с оіраниченной очередью ; - предложена методология проектирования широкого класса ЦСРИСС с учетом полученных научно-практических результатов.
Личный вклад. Все основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Внедрение основных научных результатов осуществлялось при непосредствгнном участии автора либо при его руководстве.
Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы получены в ходе выполнения хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводимых в Азербайджанском Техническом Университете по заказам Ленинградского отделения научно-исследовательского института связи СССР (1974-1976гг, 1977-1980гт, 1981-1986гг), производственных объединений почтовой связи и телефонной связи министерства связи Азербайджанской Республики (1990-1994гг) при участии и под руководством автора.
Результаты диссертационной работы нашли внедрение в:
- Азербайджанских узлах международной компьютерной
сети INTERNET и автоматизированной системе обработки
информации Академии наук Азербайджана с распределенной
структурой;
Ленкораяской ГТС Министерства Связи Азербайджанской Республики;
Бакинской автоматической междугородной телефонной станции производственного объединения "Азтелеком" Министерства связи Азербайджанской Республики;
Бакинской городской телефонной сети Министерства Связи Азербайджанской Республики;
- Разработке концепции развития телекоммуникации
Азербайджанской Республики.
НИР и учебном процессе Азербайджанского Технического Университета, о чем имеются соответствующие акты о внедрении.
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов настоящей диссертационной работы составляет 983,2276 млн.манат уровня цен 1996 года.
Апробация работы. Основные результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на
кафедре "Автоматическая электросвязь" Санкт-
Петербургского Государственного Университета
телекоммуникации им.проф. М.А. Бонч-Бруевича, на
совместном заседании кафедр "Автоматическая
электросвязь", "Информационные сети и системы" и "Электрическая связь" Азербайджанского Технического Университета, а также на республиканских, всесоюзных и международных конференциях, в том числе:
- на Всесоюзных НТК по повышению качества
функционирования и надежности информационных сетей и
их элементов (г.Новосибирск, 1981);
- на Всесоюзных школа-семинарах по теории телетрафика (г. Звенигород, 1972; г. Баку, 1984; г. Тарту, 1986);
республиканской НТК "Достижения и перспективы развития радиотехники, электротехники и связи в республике" (Баку, 1982);
на республиканской НТК "Достижения науки-производству" (Баку, 1988);
- на республиканской НТК "Первичные преобразователи
неэлектрических величин в цифровые коды" (Баку, 1990);
на Всесоюзной НТК "Интеллектуализация систем управления" (Баку, 1991);
на Международной НТК "Проблемы функционирования информационных сетей" (Новосибирск, 1991);
на республиканской НТК "Проблемы функционирования систем радио и электросвязи" (Баку, 1995);
- на НТК профессорско-преподавательского состава и
аспирантов Азербайджанского Технического Университета с
участием представителей производственных, научных и
проектных республиканских организаций (Баку, 1971-1996 гт)
и др. семинарах и конференциях.
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы, изложены в 34 печатных работах, в том числе, в одной монографии и одном учебном пособии. Часть результатов диссертации отражена в отчетах по 22 хоздоговорным НИР, в которых автор является научным руководителем.
Объем работы. Диссертационная работа содержит 340 страниц, 32 рисунка, 5 таблиц и список литературы, содержащий 197 наименований, в том числе, 108 страниц приложений.
Работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и 5 приложений.