Модель функционирования направления связи. Модель направления связи в AnyLogic

Направление связи состоит из двух каналов (основного и резервного) и общего входного буфера емкостью на Еmk сообщений.

На направление поступают два потока сообщений с экспоненциально распределенными интервалами времени, средние значения которых Т1 = 3 мин и Т2 = 4 мин. При нормальной работе сообщения передаются по основному каналу. Время передачи одного сообщения распределено по экспоненциальному закону со средним значением Т3 = 2 мин.

В основном канале происходят сбои через интервалы времени, распределенные по экспоненциальному закону со средним значением Т4 = 15 мин. Если сбой происходит во время передачи, то сообщение теряется. За время Т5 = 5 с запускается резервный канал, который передает сообщения, начиная с очередного. Время передачи одного сообщения распределено по экспоненциальному закону со средним значением Т6 = 3 мин.

Основной канал восстанавливается. Время восстановления канала подчинено экспоненциальному закону со средним значением Т7 = 2 мин. После восстановления резервный канал выключается и основной канал продолжает работу с очередного сообщения.

Необходимо разработать имитационную модель и провести исследование функционирования направления связи в течение 2 ч.

Определить:

• рациональную емкость накопителя;
• загрузку основного и резервного каналов связи;
• вероятности передачи сообщений потока 1 и потока 2;
• вероятность передачи сообщений направлением связи в целом.

Модель направления связи в GPSS World

В модели сообщения следует представлять транзактами, основной и резервный канал - одноканальными устройствами (ОКУ), входной буфер (накопитель) - списком пользователя. В списке пользователя следует использовать дисциплину обслуживания FIFO .

Для ввода исходных данных целесообразно использовать переменные пользователя. В этом случае можно проводить при необходимости встроенными средствами GPSS World дисперсионный и оптимизирующий эксперименты.

Так как сообщения имеют одинаковые приоритеты, то для моделирования ОКУ нужно использовать блоки SEIZE и RELEASE . Моделирование отказов основного канала нужно произвести блоками FUNAVAIL и FAVAIL , а не блоками PREEMPT и RETURN в режиме абсолютного захвата. Тогда статистика ОКУ не будет искажена.

Введем масштабирование: 1 единица модельного времени соответствует 1 с, то есть, например, время моделирования равно 2 часам, тогда 2*60*60 = 7200 единиц модельного времени. Аналогично Т1 = 120 , Т2 =240 и т.д.

Декомпозиция системы и состав сегментов модели определяются разработчиком. Введем следующие сегменты :

• ввода исходных данных и описания арифметических выражений;
• имитации сообщений потока 1;
• имитации сообщений потока 2;
• имитации работы буфера и основного канала;
• имитации работы резервного канала;
• имитации выхода из строя основного канала;
• задания времени моделирования и вычисления результатов моделирования.

Ниже приводится программа модели.

; Модель функционирования направления связи;Задание исходных данных Emk EQU 5 ; Емкость накопителя VrMod EQU 7200 ; Время моделирования T1 EQU 180 ; Среднее время поступления сообщений потока 1 T2 EQU 240 ; Среднее время поступления сообщений потока 2 T3 EQU 120 ; Среднее время передачи по OsnK T4 EQU 900 ; Средний интервал времени выхода из строя OsnK T5 EQU 10 ; Время включения Resk T6 EQU 180 ; Среднее время передачи по ResK T7 EQU 120 ; Среднее время восстановления OsnK ; Описание арифметических выражений; Вероятность передачи сообщений потока 1 Ver1 VARIABLE (N$Term1+N$Term3)/N$Soob1 ; Вероятность передачи сообщений потока 2 Ver2 VARIABLE (N$Term2+N$Term4)/N$Soob2 ; Вероятность передачи сообщений потоков 1 и 2 Ver VARIABLE (V$Ver1+V$Ver2)/2 ; Сегмент имитации сообщений потока 1 GENERATE (Exponential(12,0,T1)) ; Генератор сообщений потока 1 Soob1 ASSIGN 1,1 ; Код 1 в P1 - сообщения потока 1 TRANSFER ,Nakop ; Направить на OsnK ; Сегмент имитации сообщений потока 2 GENERATE (Exponential(15,0,T2)) ; Генератор сообщений потока 2 Soob2 ASSIGN 1,2 ; Код 2 в P1 - сообщения потока 2 ; Сегмент имитации работы накопителя и OsnK Nakop GATE FV OsnK,KRes ;Доступен ли OsnK? Если нет, на Resk GATE NU OsnK,Spis ;Свободен ли OsnK? Если нет, в накопитель Prov3 SEIZE OsnK ; Занять OsnK ADVANCE (Exponential(11,0,T3)) ; Обслуживание RELEASE OsnK ; Освободить OsnK UNLINK Nak,Prov3,1 ; Вывод из накопителя одного транзакта на OsnK TEST E P1,1,Term2 ; Сообщение потока 1 или потока 2 передано по OsnK? Term1 TERMINATE ; Счет переданных сообщений потока 1 по OsnK Term2 TERMINATE ; Счет переданных сообщений потока 2 по OsnK ; Список пользователя Nak Spis TEST L CH$Nak,Emk,Term7 ; Есть ли место в накопителе? LINK Nak,FIFO ;Если да, поместить сообщение в накопитель Term7 TEST E P1,1,Term6 ; Сообщение потока 1 или потока 2 было потеряно? Term5 TERMINATE ; Счет потерянных сообщений потока 1 Term6 TERMINATE ; Счет потерянных сообщений потока 2 ; Сегмент имитации работы Resk KRes GATE NU ResK,Spis ; Свободен ли Resk? Нет, сообщение в накопитель TEST E Kont,1,Prov1 ; Включить ResK ADVANCE T5 ; Включение Resk SAVEVALUE Kont,0 Prov1 SEIZE ResK ; Занять Resk ADVANCE (Exponential(12,0,T6)); Передача RELEASE ResK ; Освободить Resk GATE FNV OsnK,Prov2 ; Доступен ли OsnK? UNLINK Nak,Prov1,1 ; Если нет, из буфера сообщение на Resk Prov2 TEST E P1,1,Term4 ; Сообщение потока 1 или 2 передано по ResK? Term3 TERMINATE ; Счет переданных сообщений потока 1 Term4 TERMINATE ; Счет переданных сообщений потока 2 ; Сегмент имитации выхода из строя OsnK GENERATE ,1 Term8 ADVANCE (Exponential(12,0,T4)); Расчет времени до следующего отказа FUNAVAIL OsnK ; Выход из строя OsnK SAVEVALUE Kont,1 ASSIGN 1,(Exponential(12,0,T7)); Расчет времени восстановления OsnK ADVANCE P1 ; Имитация восстановления OsnK SAVEVALUE VrOtk+,P1 ; Учет времени восстановления OsnK FAVAIL OsnK ; OsnK в доступное состояние UNLINK Nak,Prov3,1 ; Сообщение на OsnK TRANSFER ,Term8 ; Сегмент задания времени моделирования; и вычисления результатов моделирования GENERATE VrMod TEST L X$Prog,TG1,Met3 SAVEVALUE Prog,TG1 Met3 TEST E TG1,1,Met4 SAVEVALUE Ver1,V$Ver1 ; Вероятность передачи сообщений потока 1 SAVEVALUE Ver2,V$Ver2 ; Вероятность передачи сообщений потока 2 SAVEVALUE Ver,V$Ver ; Вероятность передачи сообщений направлением связи SAVEVALUE VOtk,(1-V$Ver) ; Вероятность отказа в передаче сообщений SAVEVALUE VerOtk,((AC1-X$VrOtk)/AC1) ; Вероятность безотказной работы OsnK Met4 TERMINATE 1 START 10000

Для определения вероятности безотказной работы суммируется в ячейке X$VrOtk время отказов направления связи, которое затем вычитается из абсолютного модельного времени AC1 , а полученная разность делится на AC1 .

Модель направления связи в AnyLogic

Направление связи представляет собой систему массового обслуживания разомкнутого типа с ожиданием и с отказами из-за ограниченной ёмкости входного буфера. А также с выходами из строя (временного не функционирования и восстановления) основного канала.

Поскольку методика построения модели в AnyLogic существенным образом отличается от методики построения в GPSS World, выделим в модели функционирования направления связи следующие сегменты :

• исходные данные;
• источники сообщений;
• буфер, основной и резервный каналы связи;
• имитатор отказов основного канала;
• результаты моделирования.

Исходные данные

Для ввода исходных данных используем элементы Параметр .

1. Выполните команду Файл/Создать/Модель на панели инструментов.
2. В поле Имя модели диалогового окна Новая модель введите Направление связи. Выберите каталог, в котором будут сохранены файлы модели. Щёлкните кнопку Готово .
3. Полагаем вначале, что все сегменты модели мы сможем разместить так, что они будут видны в ходе работы модели. В Палитре выделите Презентация .
4. Перетащите элемент Скругленный прямоугольник для размещения элементов исходных данных.
5. На странице Местоположение и размер панели Свойства: введите: X: 630, Y: 20, Ширина: 320, Высота: 280.
6. Перетащите элемент text и на странице Текст панели Свойства вместо text введите Исходные данные .
7. В Палитре выделите Основная . Перетащите элементы Параметр на элемент с именем Исходные данные . Разместите их и дайте имена так, как показано на Рис. 3.1 . Значения свойств установите согласно Табл. 3.1 .

Замечание. В данной модели (а это возможно и в любых других моделях) все идентификаторы на русском языке.

Таблица 3.1.

Параметр
Имя	Тип	Значение по умолчанию
интер_сообщ_потока1	double	180
интер_сообщ_потока2	double	240
ёмкость_буфера	int	5
время_передачи_осн_кан	double	120
время_передачи_рез_кан	double	180
время_вкл_рез_кан	double	10
время_нараб_отказ_осн_кан	double	900
время_восстан_осн_кан	double	120

Вывод результатов моделирования

Для вывода результатов моделирования используем элемент Переменная .

1. В Палитре выделите Презентация . Перетащите элемент Скругленный прямоугольник для размещения элементов Переменная .
2. На странице Местоположение и размер панели Свойства: введите: X: 470, Y: 330, Ширина: 490, Высота: 320.
3. Перетащите элемент text и на странице Текст панели Свойства вместо text введите Результаты моделирования .
4. В Палитре выделите Основная . Перетащите элементы Переменная . Разместите их и дайте им имена так, как показано на Рис. 3.2 . Тип всех переменных double , кроме переменной - текущая ёмкость буфера. Её тип - int .

Построение событийной части модели

В событийную часть модели, к построению которой мы приступаем, включим указанные ранее три сегмента (кроме исходных данных и результатов моделирования).

Первые шаги при изложении любой теории, описывающей некоторые стороны реального мира, всегда трудны. Было бы, конечно, желательно условиться с самого начала о тех сторонах, к которым относится теория, с тем чтобы в дальнейшем избежать возможных недоразумений, связанных со степенью общности полученных результатов.

Рис. 1.1. Модель системы связи.

Это, однако, оказывается возможным лишь очень редко. Во-первых, теории основываются на математических моделях, а об их корректности и адекватности можно судить лишь путем сравнения результатов теории с экспериментальными данными. Во-вторых, модель редко удается описать точно с самого начала, поскольку разработка удачной модели сама является существенной частью теории. Как раз с такой ситуацией мы и сталкиваемся, приступая к изложению теории связи.

Блок-схема на рис. 1.1 является иллюстрацией модели системы связи. Эта модель пока еще представляется довольно расплывчатой. Цель данной главы и состоит в том, чтобы сделать ее более определенной. Для этого мы покажем роль

отдельных частей блок-схемы и дадим набросок некоторых основных результатов теории. Наименование «источник» используется для обозначения человека или устройства, генерирующего информацию, подлежащую передаче, слово «канал» обозначает физические средства, используемые для ее передачи, а «адресат» - человек или устройство, которое получает информацию Эти три блока считаются фиксированными. Блоки «кодер источника» и «кодер канала» соответствуют устройствам, преобразующим сообщение на выходе источника в сигнал, пригодный для передачи по данному каналу. Блоки «декодер канала» и «декодер источника» соответствуют устройствам, воспроизводящим полезную информацию из сигнала, поступившего на выход канала. Последние четыре блока произвольны в том смысле, что они могут выполнять любые логически возможные операции.

Введение Двух разных кодирующих и двух разных декодирующих устройств вызвано желанием подчеркнуть различие между операциями кодирования и декодирования, зависящими от характеристик пары «источник - адресат», и операциями, которые зависят от характеристик канала. Кодер источника осуществляет преобразование сообщения на выходе источника и последовательность двоичных символов, из которых декодер источника будет вновь с достаточной точностью порождать первоначальное сообщение. Таким образом, независимо от свойств источника и адресата на входе кодера канала и на выходе декодера образуются последовательности двоичных символов. Предположение о возможности такого промежуточного двоич ного представления передаваемой информации без какой-либо потери общности не является очевидным. Это, как мы увидим ниже, один из главных результатов теории. Он дает возможность рассчитывать и конструировать кодирующие и декодирующие устройства, относящиеся к каналу, независимо от соответствующих устройств, относящихся к источнику.

Модель системы связи рис. 1.1 является достаточно общей и может использоваться для представления большого разнообразия интересующих нас случаев. Но для некоторых целей она слишком обща, в то время как для других - слишком ограниченна. Например, лишь очень немного можно сказать о процессе передачи сообщений, до тех пор пока на характеристики источника и канала не наложены некоторые ограничения, в то же время в такой модели невозможно учесть действие взаимных помех (перекрестный разговор) между различными передачами. Поэтому, хотя модель рис. 1.1 весьма полезна для наших целей, она является лишь одной из используемых в теоретических исследованиях.

(Лекция 8)

Концептуальная модель сети связи

Разработка комплексной модели сети с точки зрения системного подхода является сложной и актуальной проблемой. Комплексная модель сети необходима не только для определения оптимальной модели структуры сети связи, оптимального комплекса технических средств и алгоритмов функционирования, но должна также учитывать характеристики надежности, управление сетью и систему технического обслуживания сети связи в целом, неотъемлемой частью которой является система контроля технического состояния сети связи.

Создание цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО) требует достаточно больших расходов, которые включают расходы на ее проектирование, реализацию и эксплуатацию. Можно сказать, что проблема стоимости является компромиссом между стоимостью создания сети и стоимостью ее эксплуатации. Однако экономия средств на проектирование сети может привести к серьезным негативным последствиям во время ее работы.

Процесс моделирования сети в зависимости от имеющейся априорной информации можно разделить на три этапа:

Концептуальное моделирование;

Логическая модель;

Математическая модель.

На этапе концептуального моделирования обычно производится описание модели. При этом учитывается уже имеющиеся модели сети, а также цели создания сети, требования к характеристикам, учет ограничений и выбор критериев оценки эффективности системы, что позволяет сравнивать разные модели сети.

Следующим этапом в рамках концептуальной модели является формализированное описание, что позволяет выделить структурное (морфологическое) описание сети и на его основе провести декомпозицию системы на ряд более простых функциональных модулей, процессов, блоков. (Морфологический, относящийся к выражению грамматических значений в пределах одного слова .) Таким образом, в результате концептуального моделирования можно получить ряд более простых моделей, к которым можно применить вышеизложенную методику или полученное математическое описание модели.

Использование методологии общей теории систем позволяет рассматривать задачи синтеза и анализа открытых информационных сетей как части всего жизненного цикла, который включает этапы проектирования, внедрения и эксплуатации.

Говоря о цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО) как о системе, прежде всего имеют в виду ее структуру и архитектуру. Архитектура ЦСИО описывает ее внутреннее строение, алгоритмы работы, структуру и состав процедур доступа, обмена и управления, а структура характеризует внешнее строение ЦСИО, в частности, географическое размещение набора аппаратных средств и конфигурацию связей между ними.

Под структурой понимают основу организации сети (элементы и связи между ними). Структура ЦСИО является статистической характеристикой сети, поскольку не отображает способа доставки информации. Структура сети может рассматриваться в разных аспектах, которые отличаются степенью детализации данных и целевой направленностью задания – абстрактному, географическому и физическому. Модель структуры ЦСИО отображают с помощью графа .

Структура (топология) сети с пакетной коммутацией зависит от большого количества переменных, а именно: расположение источников и получателей информации (нагрузки), которая передается между ними, требований к значениям задержек в сети и надежности, стоимости каналов и узлов и т. д. Поэтому разработка структуры сети является процессом оптимизации, в котором некоторые переменные или их функции выполняют роль целевых функций, а другие ограничений, и ставится задание определения таких параметров сети, как местонахождение узлов, трассы каналов между узлами, емкости каналов и потоки в каждом из них.

Лицо, принимающее решение (ЛПР) в части структурной и архитектурной организации перспективных ЦСИО, на начальных этапах проектирования интересует не единичное точное решение, заключающеюся в поиске графа сети, а целый комплекс вопросов, из которых основными являются следующие:

Проверка технического задания (ТЗ) на непротиворечивость, оценка меры выполнимости ТЗ;

Обоснование выбора критериев оптимальности, ограничений и отдельных условий;

Оценка предельно допустимых значений надежности, вероятностно-временных и стоимостных характеристик проектируемой ЦСИО;

Определение уровня иерархичности, характера разветвленности, связности и других интегральных топологических характеристик;

Выбор лучшей концепции построения ЦСИО;

Выбор оптимального типа технических средств (ТТС), в том числе технического обслуживания (ТО) и управления потоками, или определения требований к ним по надежности, быстродействию и т. д.;

Исследование наиболее общих свойств предлагаемого проекта сети, в частности, устойчивости к входным условиям и чувствительности интегральных показателей по отношению к внутренним параметрам;

Определение оптимальной стратегии внедрения сети;

Выявление "узких" по тому или другому показателю звеньев сети и выработки предложений по их расширению.

ЦСИО является многофункциональной системой, в которой реализуется главная функция (доставка информации) и набор составляющих ее подфункций. К последним относятся: функции коммутации , маршрутизации , повышения достоверности , обеспечения надежности , устранения отклонений фактического состояния элементов от расчетного.

Поскольку в реальной сети эти процессы протекают параллельно и взаимоувязано, ЦСИО следует рассматривать как некоторую кибернетическую систему, которая состоит из управляющих подсистем . Управляемой является подсистема доставки , параметры которой (пропускная способность, точность, надежность) изменяются во времени.

Управляющая система, в кибернетическом смысле есть совокупность датчиков, средств обработки информации, контроля и регулирования работы управляемой подсистемы. Обе подсистемы связаны обратной связью (каналами "служебной" связи). Управление сетью определяют как реакцию на изменения характера поступающей на обслуживание нагрузки и структуры сети, вызванные отказами (повреждениями) элементов, перегрузками и так далее.

Система управления сетью в соответствии с функциями может быть разделена на системы управления структурой сети , управления нагрузкой и управления потоками нагрузки .

Целью управления структурой сети при отказах (повреждениях) является обеспечение необходимого качества функционирования сети при неизменной внешней нагрузке путем изменения структуры (перераспределения) существующих средств связи и (или) введением резервных средств связи. При отсутствии функциональной и структурной избыточности управления структурой сводится к введению резервных средств.

Управление внешней нагрузкой заключается в поддержке уровня нагрузки по результатам его контроля в пределах допустимых значений. Методом управления нагрузкой является ограничение передачи информации по обходным путям и ограничения входной нагрузки.

Управление потоками нагрузки обеспечивает необходимое качество функционирования сети с учетом надежности элементов и локальных перегрузок. На основе контроля потоков нагрузки по заданной структуре сети и входной нагрузке вырабатывается план распределения потоков нагрузки в сети, оптимальный с точки зрения выбранного критерия.

Таким образом, ЦСИО можно рассматривать как совокупность управляемого объекта (подсистема "Доставка"), который реализует целевую функцию ЦСИО с необходимыми показателями и объекта управления (подсистема "Эксплуатация"), который обеспечивает необходимые показатели надежности и управления ЦСИО.

Целевая функция и функция управления являются сложными функциям, которые можно декомпозировать. Методы декомпозиции позволяют осуществлять последовательную разбивку системы на части, которые в свою очередь разбиваются на составные части. После такой декомпозиции можно получить математическое описание модели .

Функционирование систем и сетей связи определяется как переход из одного состояния в другое, поэтому, при математическом описании модели используются три метода математического моделирования:

- информационный,

- цепей Маркова,

- метод фазового пространства .

При использовании информационного метода на основе анализа информации контроля, как средству взаимосвязи объекта и субъекта, делается вывод о ценности указанной информации для субъекта как меры неопределенности (энтропии ) объекта, величина которой растет с увеличением количества состояний системы. Задача контроля функционирования систем и сетей связи может быть представлена как задание процессу уменьшения неопределенности сведений о состоянии системы в необходимый момент времени. Вводя в рассмотрение меру априорных знаний о состоянии системы – средней априорной неопределенности и мере средней апостериорной неопределенности сведений о состоянии системы после контроля, можно определить среднее количество контролируемой информации между указанными величинами. Априорная неопределенность состояния сети связи в любой момент времени контроля определяется вероятностными свойствами этого состояния – законом распределения априорной вероятности разных состояний. Неопределенность знаний о состоянии системы после контроля характеризуется апостериорной вероятностью, которая рассчитывается по формуле Байеса. Таким образом, находится мера неопределенности искомого состояния системы в момент времени контроля. В такой постановке задачи необходимо найти взаимосвязь апостериорной вероятности с контролируемыми характеристиками объекта контроля.

При использовании метода цепей Маркова переходы между разными состояниями системы описываются марковским процессом (цепью). При условии, что в любой момент времени контроля система находится в одном из состояний, процесс контроля функционирования представляется в виде вероятностной схемы двумя известными способами:

Построение матрицы вероятностей перехода;

Построение диаграммы переходов или графа вероятностей перехода системы из одного состояния в другое.

Более подробно свойства марковских цепей и их использование при построении ММ рассмотрены в разделе 6 и в .

Для определения вида систем и сетей связи можно использовать метод фазового пространства . В этом случае состояние системы характеризуется векторами контролируемых величин и влияющих воздействий, а процесс контроля функционирования определяется как процесс восприятия изменений управляемых величин, сбора, обработки, хранения и отображения информации о равнодействии указанных векторов с целью принятия решения из получаемых управляющих действий.

Считается, что ММ построена, если выбран и обоснован набор ограничений и выбраны и обоснованы целевые функции .

Для определения характеристик ММ необходимо провести анализ параметров . Описание любой системы и условий ее функционирования характеризуется определенной совокупностью параметров, причем на разных этапах анализа и оптимизации нужны разные способы описания. Основную роль играют группы параметров (параметрические базисы ). Для произвольной системы выделяются базисы внешних и внутренних параметров. Внешние параметры, в свою очередь, разбиваются на два класса – входные и выходные.

В зависимости от степени комплексности и степени детализации исходные параметры подразделяются на интегральные и дифференциальные . Кроме этого, в зависимости от цели операции среди выходных могут быть выделены: переменные – критерии , которые максимизировались или минимизировались в процессе оптимизации; переменные – ограничители (лимитеры), на которые накладываются ограничения (рис. 5.1).

Внутренние переменные разбиваются на две группы: управляемые и неуправляемые . Первые – модельные параметры, непосредственно влияя на которые, алгоритм осуществляет оптимизацию, вторые – разные производные от управляемых, которые могут быть как контролируемыми, так и неконтролируемыми. На переменные этого базиса также могут накладываться ограничения (табл. 5.1).

Успех проектирования, внедрения и эксплуатации ЦСИО зависит не только от выбранных моделей функционирования, используемого математического аппарата, но и от выбранных критериев оценки эффективности системы. В качестве оценки эффективности можно воспользоваться моделью, которая включает как систему, то есть ЦСИО, так и пользователей ЦСИО (уровни 5–7, OSI). При этом используемые критерии должны зависеть от системы привязки к реальным процессам, которые имеют место в ЦСИО. Кроме того, необходимо выделять взаимосвязанные процессы (подпроцессы) в единственном процессе доставки информации в ЦСИО. Например, рассматривая с 1-го по 4-й уровни ЭМВОС, можно выделить процессы коммутации, маршрутизации и ограничения потоков.

Обобщающим для всех перечисленных процессов является процесс доставки информации пользователям. В этом случае можно выделить следующую цепочку критериев:

Функция ценности информации (для процесса доставки);

Функция производительности сети (для процесса обмена информацией);

внешние вероятностные характеристики (для процессов коммутации, маршрутизации и ограничения потоков).

Синтез структуры сети связи

В прагматичном смысле интегральная цифровая сеть связи является вторичной сетью связи, основное задание которой заключается в обеспечении обмена информацией между пользователями с заданным качеством.

Это задание успешно решается лишь путем создания эффективной структуры системы доставки, системы эксплуатации (СЭ) и включенной в ее состав системы технического обслуживания (СТО).

Таблица 5.1

Наиболее распространенные параметрические базисы системы относительно подсистемы доставки СС

Опыт эксплуатации сетей позволяет сформулировать следующие принципиальные требования, которым должны удовлетворять СЭ:

Сети строятся как самоорганизованные и самообновляющиеся, однако во всех сетях предусмотрена возможность вмешательства обслуживающего персонала;

Обеспечивается высокий уровень автоматизации процессов диагностики и изменения конфигурации сети и ее отдельных компонентов;

Локальная диагностика элементов сети, позволяющая обнаруживать отказы в момент их возникновения, а также при периодической плановой диагностике;

Централизованная диагностика предусматривает наличие в сетях центров техобслуживания (ЦТО), выполняющих одновременно функции сбора и обработки статистических данных.

Эксплуатация ЦТО (в широком смысле) – это процесс использования ресурсов сети в соответствии с потребностями в обмене данными, то есть объектом эксплуатации в данном случае является сеть в целом. СЭ охватывает широкий круг вопросов и может быть разделена на подсистему общей эксплуатации (управление состоянием внешней среды) и подсистему технического обслуживания (управление состоянием внутренней среды).

Действие внешней среды (входной поток заявок; поток внешних действий; документации, материалов, энергии и так далее; экологические и социальные действия.

Действием внутренней среды является поток отказов, вызванный несовершенством технологии изготовления, физической прочности (обрыв или короткое замыкание), конструктивными, алгоритмическими, программными, технологическими ошибками, ошибками обслуживающего персонала.

В основу СТО положена высокая надежность и автоматизация процессов возобновления работоспособности. Отказ отдельного устройства элемента сети, как правило, не оказывает значительного влияния на качество функционирования всей сети. Это объясняется разными видами избыточности, используемыми в ЦСИО.

Эксплуатационные расходы, связанные с использованием большой численности обслуживающего персонала высокой квалификации, могут быть снижены путем автоматизации процессов технического обслуживания и выбором оптимальной СТО. Очевидно, что полностью децентрализующая СТО даже при высокой степени автоматизации процессов техобслуживания не будет оптимальной, поскольку требует присутствия технического персонала. С другой стороны, полностью децентрализующая СТО также не решит поставленного задания. По этой причине вместе с автоматизацией выдвигается проблема оптимальной структуры СТО, то есть выбору такого количества ЦТО и такого их расположения, чтобы обеспечить минимум эксплуатационных и капитальных вложений.

Синтез структуры сети связи с учетом системы технического

обслуживания

Алгоритм поиска решения задачи оптимизации топологии сети основан на двух общих подходах: на многократном построении решений и на трансформации решений с целью улучшения некоторых начальных заданных решений. Сначала задается некоторая исходная модель. Потом с помощью метода целенаправленного перебора структур исходная сеть оптимизируется путем включения или исключения отдельных ребер графа сети. На каждом этапе осуществляется расчет стоимостного критерия и ограничений, которые характеризуют показатели надежности, а также определяется направление траектории оптимизации. Структура полученного варианта сети зависит от структуры исходной сети, процедур изменения структуры и очередности их проведения.

Структура сети может быть задана географическим размещением своих элементов и связей между ними или получена специальным методом генерации решений, которые выполняются автоматически машинными алгоритмами поиска.

Общая автоматизация структуры сети и СТО обеспечивает нахождение оптимума общего задания, включая подсистемы доставки. Однако задание общей оптимизации из-за больших размерностей современных сетей является чрезвычайно сложным заданием, для которого нет методов поиска точного решения. Поэтому целесообразно рассмотреть задание общей оптимизации структуры сети и СТО для базовой системы передачи данных, которая достаточно просто может быть трансформирована для общей модели оптимизации иерархической сети.

Критерии эффективности Таблица 5.2.

Уровни эталонной модель OSI
Прикладной, Сеансовый, представительский	Транспортный	Сетевой	Канальный	Физический
Защита Приоритет Темп остаточных ошибок Полоса пропускания Задержка передачи (для каждого направления) Оптимизация передачи Расширенное управление Задержка установления соединения Вероятность отказа от установленного соединения Вероятность ошибки передачи Задержка завершения соединения Вероятность ошибки завершения соединения Надежность соединения ПВ	С соединением Защита Приоритет Фаза установления соединения: Задержка соединения; Вероятность неустановления Фаза передачи данных: Пропускная способность; Транзитная задержка; КНП; надежность; вероятность отказа Фаза разъединения: задержка разъединение; вероятность неразъединение; Без соединения Транзитная задержка КНП Защита Приоритет ПВ	С соединением Фаза передачи данных: пропускная способность; транзитная задержка; КНП; надежность; вероятность отказа; наибольшая сложность соединение Фаза становления соединения: задержка установления; вероятность установления Фаза разъединения: Задержка разъединения; Вероятность неразъединения Без соединения Транзитная задержка Защита ПВ КНП Приоритет Возможность контроля нагрузок Вероятность сохранения последовательности Максимальное время существования сетевого сервисного блока данных	Пропускная способность Транзитная задержка Защита соединение КНП Надежность соединение ПВ	Частота появление ошибок Вероятность ошибки на бит информации Доступность сервиса Скорость передачи Транзитная задержка ПВ
Примечание. ПВ - параметры стоимости; КНП - коэффициент невыявления ошибок

| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 23 | | | | | | | | | | | | |

Монография. — СПб.: ВАС, 2011. — 404 с.Приводятся сравнительные оценки результатов моделирования разнородных дискретных процессов, полученных на моделях одной и той же системы в GPSS World и AnyLogic. Делаются выводы об адекватности систем относительно результатов с учётом требуемой точности. Предлагаются методики разработки имитационных моделей с применением инструментальных средств AnyLogic и GPSS World.
Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных работников.Содержание: Введение. Модель обработки запросов сервером:
Модель в GPSS World.
Решение прямой задачи.
Постановка задачи.
Уяснение задачи моделирования.
Блок-диаграмма модели.
Программа модели.
Ввод текста программы модели, исправление ошибок и проведение моделирования.
Дисперсионный анализ (отсеивающий эксперимент).
Решение обратной задачи.
Модель в AnyLogic.
Постановка задачи.
Создание диаграммы процесса.
Изменение свойств блоков модели, её настройка и запуск.
Изменение свойств блоков диаграммы процесса.
Настройка запуска модели.
Запуск модели.
Создание анимации модели.
Сбор статистики использования ресурсов.
Уточнение модели согласно ёмкости входного буфера.
Сбор статистики по показателям обработки запросов.
Создание нестандартного класса заявок.
Добавление элементов статистики.
Изменение свойств объектов диаграммы.
Удаление и добавление новых полей класса заявок.
Добавление параметров и элементов управления.
Добавление гистограмм.
Изменение времени обработки запросов сервером.
Результаты решения прямой задачи.Модель процесса изготовления в цехе деталей:
Модель в GPSS World.
Решение прямой задачи.
Постановка задачи.
Исходные данные.
Задание на исследование.
Программа модели.
Проведение исследований.
Решение обратной задачи.
Особенности построения программы модели.
Проведение исследований.
Проведение экспериментов.
Модель в AnyLogic.
Исходные данные. Использование массивов.
Подготовка заготовки.
Сегменты Операция, Операция, Операция.

Создание области просмотра.
Пункт окончательного контроля.
Склад готовых деталей.
Склад бракованных деталей. Вывод результатов моделирования.
Создание и переключение между областями просмотра.
Проведение исследований в AnyLogic.
Модель функционирования направления связи.
Постановка задачи.
Модель направления связи в GPSS World.
Модель направления связи в AnyLogic.
Исходные данные.
Вывод результатов моделирования.
Построение событийной части модели.
Источники сообщений.
Буфер, основной и резервный каналы.
Имитатор отказов основного канала связи.
Оценка результатов моделирования.Модель функционирования сети связи:
Модель в AnyLogic.
Постановка задачи.
Исходные данные.
Задание на исследование.
Создание новых классов активных объектов.
Создание областей просмотра.
Сегмент Абонент.
Исходные данные.
Результаты моделирования по каждому абоненту.
Показатели качества обслуживания сети связи.
Построение событийной части сегмента.
Сегмент Маршрутизатор.
Исходные данные.
Событийная часть сегмента Маршрутизатор.
Блок контроля.
Блок Буфер.
Блок обработки сообщений.
Блок контроля.
Блок Буфер.
Организация входных и выходных портов.
Имитатор отказов вычислительного комплекса.
Сегмент Канал.
Исходные данные.
Событийная часть сегмента Каналы.
Организация входного и выходного портов.
Имитатор отказов каналов связи.
Построение модели сети связи.
Переключение между областями просмотра.
Запуск и отладка модели.
Модель в GPSS World.
Состав GPSS-модели.
GPSS-программа.
Сравнительная оценка результатов моделирования.
Модель предоставления услуг связи.
Модель в AnyLogic.
Постановка задачи.
Задание на исследование.
Формализованное описание модели.
Сегмент Постановка на дежурство.
Область просмотра.
Ввод исходных данных.
Имитация поступления средств связи.
Распределитель средств связи.
Создание нового класса активного объекта.
Создание элемента нового класса активного объекта.
Переключение между областями просмотра.
Сегмент Имитация дежурства.
Ввод исходных данных.
Вывод результатов моделирования.
Событийная часть сегмента Имитация дежурства.
Переключение между областями просмотра.
Сегмент Статистика.
Использование элемента Текстовое поле.
Использование элемента Диаграмма.
Переключение между областями просмотра.
Использование способа Событие.
Проведение экспериментов.
Простой эксперимент.
Связывание параметров.
Эксперимент Оптимизация стохастических моделей.
Эксперимент Варьирование параметров.
Экспорт модели как Java апплета.
Модель в GPSS World.
Состав модели в GPSS World.
Программа GPSS-модели.
Сравнительная оценка результатов моделирования.Модель функционирования предприятия:
Модель в GPSS World.
Постановка задачи.
Исходные данные.
Задание на исследование.
Уяснение задачи на исследование.
Программа модели.
Модель функционирования предприятия в AnyLogic.
Формализованное описание.
Ввод исходных данных.
Вывод результатов моделирования.
Построение событийной части модели.
Имитация работы цехов предприятия.
Имитация работы постов контроля блоков.
Имитация работы пунктов сборки изделий.
Имитация работы стендов контроля изделий.
Имитация работы пунктов приёма изделий.
Имитация склада готовых изделий.
Имитация склада бракованных блоков.
Организация переключения между областями просмотра.
Сравнительная оценка результатов моделирования.Модель функционирования терминала:
Модель в GPSS World.
Постановка задачи.
Программа модели в GPSS World.
Модель функционирования терминала в AnyLogic.
Исходные данные и результаты моделирования.
Событийная часть модели.
Результаты моделирования.
Эксперименты.
Первый отсеивающий эксперимент в GPSS World.
Второй отсеивающий эксперимент в GPSS World.
Первый оптимизационный эксперимент в AnyLogic.
Второй оптимизационный эксперимент в AnyLogic.
Результаты экспериментов в GPSS World и AnyLogic.
Модель предоставления ремонтных услуг.
Модель в AnyLogic.
Постановка задачи.
Исходные данные.
Задание на исследование.
Формализованное описание модели.
Ввод исходных данных.
Вывод результатов моделирования.
Построение событийной части модели.
Сегмент Источники заявок.
Сегмент Диспетчеры.
Сегмент Мастера.
Сегмент Учёт выполненных заявок.
Отладка модели.
Модель в GPSS World.
Состав модели в GPSS World.
Программа GPSS-модели.
Сравнительная оценка результатов моделирования.Модель обработки документов в организации:
Постановка задачи.
Аналитическое решение задачи.
Решение задачи в AnyLogic.
Решение задачи в GPSS World.Решение обратных задач в AnyLogic:
Определение среднего времени обработки группы запросов сервером.
Определение среднего времени изготовления деталей.Заключение. Список литературы.

Современные системы связи носят сложный характер, обусловленный большим количеством случайных факторов. Поэтому с ростом сложности подобных систем на фоне стремительного повышения возможностей вычислительной техники особое значение в математическом моделировании приобретают имитационные модели.

Создание математической модели требует формализации исходных данных, при этом все элементы подразделяются на входные, выходные и внутренние. Элементы не входящие в систему, относят к среде. Каждый элемент системы может описываться некоторым ее внутренним состоянием. Если состояние системы не зависит от внешней среды, то элемент, вызвавший такое состояние, называется входным. Если элемент влияет на внешнюю среду, то его называют выходным.

Имитационные модели обладают рядом достоинств:

• во-первых, подобные модели обеспечиваю более высокую точность результатов моделирования, обусловленную стохастическими характеристиками входного воздействия;
• во-вторых, возможностью проведения сравнительных испытаний различных декодирующих алгоритмов при фиксированных параметрах мешающих факторов;
• в-третьих, предоставляемой возможностью варьирования наиболее важных для целей эксперимента параметров;
• в-четвертых, выраженная экономическая эффективность и существенное сокращение сроков испытаний.

Целесообразно указать обязательные этапы разработки имитационной модели, которые определяют последовательность действий в решении задачи моделирования.

Первый этап заключается в постановке задачи, которая, как правило, формулируется на естественном языке и определяет уровень информационной модели, вслед за которым решаются проблемы выбора средств моделирования для достижения конечной цели. При этом априорная информация формируется в виде базы данных, из которой выделяются необходимые сведения для содержательного описания вновь возникшей задачи.

Среди задач исследования, для чего собственно и разрабатываются различные модели, выделяют два класса, составляющие полную группу. Это задачи анализа и задачи синтеза. Постановка первых требует задания в качестве исходных данных структуры системы и характеристик ее элементов. Решение задачи состоит в нахождении характеристик исследуемой системы. Задачи анализа вследствие их однозначности являются потенциально разрешимыми, т.е. можно априорно утверждать, что тем или иным способом решение всегда может быть найдено и гораздо сложнее дело обстоит с синтезом систем, когда решение таких задач не всегда приводит к успеху.

На этапе содержательного описания моделируемого объекта он разрабатывается с позиции системного подхода. Исходя из цели исследования, взаимосвязи между элементами, возможные состояния каждого элемента, существенные характеристики состояний и соотношений между ними учитываются в словесном описании процесса моделирования, т.е. на естественном языке. Это исходная естественнонаучная концепция исследуемого объекта.

Такое предварительное, приближенное представление объекта называют в терминах информатики концептуальной моделью. Под концептуальной моделью следует понимать частично формализованное описание проблемы и системы, средством решения которой она является. Обычно концептуальная модель должна ответить одновременно на два вопроса: «Что делать? Какими средствами?». Если не ясен ответ на один из поставленных вопросов создать модель не представляется возможным.

Второй этап включает выделение и описание массивов и исходных данных, формальное описание цели функционирования системы (если возможно, то цель функционирования описывается как подобласть пространства состояния) и описание выходных данных в реальном масштабе времени. Вырабатываются функционал или множество показателей эффективности функционирования модели, логическая формулировка оптимальности функционирование, оценивается система ограничений и допущений и их влияние на разрабатываемую модель. Этим определяется концептуальный уровень модели.

Третий этап является семантическим уровнем модели, на котором определяют последовательность действий в формате алгоритма функционирования модели.

Четвертый этап представляет формальный уровень моделирования с использованием доступного программного обеспечения ЭВМ и последующим испытанием модели путем проигрывания на ЭВМ различных ситуаций, в результате чего проверяется ее адекватность реальной системе и вырабатываются рекомендации по ее использованию и совершенствованию. Выбор математического аппарата обеспечивает собственно начало формального описания модели, которое невозможно без понимания смысла процесса моделирования. Формальное описание вида функций, выступающих компонентами модели, в конечном итоге проявляется в виде конкретного программного продукта, который выражает логический уровень моделирования.

Проверка адекватности модели дает аттестацию проделанной работе. По результатам проверки модели на адекватность принимается решение о возможности ее практического использования, либо частичной коррекции, либо полном пересмотре концепции исследования.

Принципиально сущность оптимизации понятна. Она проводится, исходя из конкретного смысла, направлена на упрощение модели, исходя из заданного уровня адекватности.

Имитационное моделирование систем связи с целью изучения особенностей применения в них различных схем помехоустойчивого кодирования имеет общие канонические принципы. Главный из них заключается в структуре построения моделей подобного типа. Структура модели представлена на рис. 2.14.

Обязательным атрибутом подобной модели является ДСЧ с равномерной ПРВ, который порождает равновероятную последовательность двоичных символов. Эта последовательность преобразуется в информационные блоки, которые характерны для конкретной системы связи.

Рис. 2.14. Принцип построения имитационной модели системы связи с помехоустойчивым кодированием

Источник сообщений может оставаться двоичным или настраиваться на конкретную -ичную систему. Основной задачей подобной модели является оценка возможностей помехоустойчивого кода по исправлению (обнаружению) ошибок. Для получения подобных характеристик в модели организуется канал без помех. Сравнение данных из подобного канала и данных, прошедших через исследуемую модель дает, как правило, ясную картину об эффективности исследуемого метода обработки информации в виде статистики, доступной исследователю. Устройство сравнения представляет собой реализацию схемы неравнозначности. Объем обрабатываемых данных, для получения надежных результатов, определяется общеизвестными методами .

Принцип построения имитационной модели исследуемой структуры связи легко проследить на примере моделирования канала связи с АБГШ.

Теоретические принципы представления подобного канал описаны в разделе 2.3. Средства любого языка программирования высокого уровня позволяют получить случайные величины с нормированной и центрированной ПРВ, которые подчиняются нормальному распределению. При моделировании двоичного канала связи необходим переход от к величинам и , описывающие условные функции распределения вероятностей при передаче 0 или 1. Такой переход осуществляется за счет линейного преобразования величины . Для этого в программу вводится оператор , здесь и – соответственно заданные СКО и математическое ожидание нормального закона распределения. Смысл преобразования сводится к смещению исходного значения на величину математического ожидания и изменению масштаба с помощью СКО .

Таким образом, значение адекватно параметру , а значение соответствует параметру при заданной энергии сигнала на бит. Соотношение сигнал-шум может задаваться через изменение дисперсии или за счет изменения расстояния между и . с результатами моделирования аналогичного канала из стандартной библиотеки используемого программного продукта.

Проверка адекватности модели представляет один из наиболее важных этапов процесса моделирования системы связи. Указанная проверка может быть проведена :

• обратным переводом программы в исходную схему;
• проверкой отдельных частей программы при решении различных тестовых задач;
• объединением всех частей программы и проверкой ее в целом на контрольном примере моделирования варианта моделируемой системы.

На рис. 2.15 приведен пример сравнительного анализа испытаний системы передачи данных с кодом Хэмминга (7,4,3) в канале с АБГШ.

Рис. 2.15. Результаты проверки адекватности модели:
1– двоичный канал без кодирования с АБГШ;
2– результаты аналитического моделирования системы с кодом Хэмминга (7,4,3) для канала с АБГШ;
3– результаты имитационного моделирования системы с кодом (7,4,3)

На основе полученных данных можно утверждать, что разработанная имитационная модель адекватна реальным процессам, происходящих в канале связи с АБГШ.