МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМИ МУЛЬТИСЕРВИСНЫМИ СЕТЯМИ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

К.Е. Легкое

кандидат технических наук

В.А. Бабошин

кандидат технических наук, доцент

О.Е. Нестеренко

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМИ МУЛЬТИСЕРВИСНЫМИ СЕТЯМИ СВЯЗИ

АННОТАЦИЯ. Рассматриваются основные подходы к организации процессов управления современными телекоммуникационными сетями, построенными на принципах сетей следующего поколения, позволяющие строить достаточно эффективные стратегии управления.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мультисервисная сеть связи, оптимизация управления, стратегии, управление, эффективность.

Мультисервисную сеть связи, как сеть связи следующего поколения, отличают от традиционных моносервисных сетей некоторые особенности, которые следует учитывать при выборе вариантов управления ею [1—3].

Первой особенностью является невозможность полного математического описания (полноценной математической модели) как мульти-сервисной сети связи в целом, так и отдельных телекоммуникационных сетей в ее составе, при несомненной желательности и настоятельной необходимости в нем.

Второй особенностью является случайность функционирования мультисервисной сети связи, приводящая к трудностям при проведении анализа ее состояния и организации управления сетью. Эта черта обусловлена не только наличием многочисленных специальных источников случайных и преднамеренных помех в сети, но и сложностью сети, которая приводит к множеству всякого рода второстепенных (с точки зрения целей управления) процессов. Вследствие этого функционирование мультисервисной сети связи подчас оказывается «непредвиденным» для системы управления сетью, причем эту «непредвиденность» целесообразно рассматривать как некий случайный фактор и трактовать как зашумленность, чем проводить подробный ана-

лиз механизмов воздействия второстепенных процессов на сеть, хотя эта «случайность» может оказаться вовсе и не случайной.

Третьей особенностью является необъяснимая «нетерпимость» к управлению [4, 5]. Эта особенность является самой неприятной особенностью мультисервисной сети связи. Дело в том, что мультисервисная сеть связи функционирует относительно независимо от системы управления, т. е. сеть предназначается для передачи информации, а не для управления ею. В этом состоит определенное противоречие, которое возрастает, если цели управления не согласованы с целями самой мультисервисной сети связи.

Существенная нестационарность мульти-сервисной сети связи является четвертой особенностью и вытекает из ее сложности. Она проявляется в дрейфе основных характеристик, т. е. в эволюции телекоммуникационных сетей в составе мультисервисной сети связи во времени, что гарантирует так называемую невоспроизводимость экспериментов, состоящую в различной реакции сети на одну и ту же ситуацию или управление в различные моменты времени. Это обстоятельство нельзя не учитывать при управлении сетью и при построении моделей сети и управления.

МЕАП ОБ СОММИШСЛАОМ Е((и ШМЕОТ. Ъй. 2 (142). 2018

Все эти обстоятельства могут привести к тому, что поставленные при проектировании системы управления (если не принять соответствующих мер) цели управления в полной мере никогда не будут достигнуты, так как для реализации управления требуется определенное время, за которое мультисервисная сеть связи изменится непредвиденным образом, в результате чего управление ею наверняка не приведет к желаемому результату.

Поэтому основным способом преодоления этого является экстраполяция функционирования мультисервисной сети связи с выявлением направления ее эволюции. Тогда управление производится с упреждением, с учетом выявленных тенденций изменения сети.

Под управлением мультисервисной сетью связи далее будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на нее, в результате которого она переходит в требуемое (целевое) состояние [6, 7].

При управлении в качестве модели мульти-сервисной сети связи рассматривается неориентированный регулярный граф без петель G (Е, В) с множеством вершин (узлов мультисервисной сети связи) Е и множеством ветвей (линий связи, пучков цифровых каналов, цифровых трактов, соединяющих узлы сети) В = {| ((, у) ёОе },

соединяющих е пар (е < У^рт) множества .

Каждой вершине е Е приписывается множество обслуживающих элементов 01 = {ох}, каждый элемент которого характеризуется алгоритмом обслуживания х-го типа и производительностью рх , а каждой ветви Ьу , соединяющей г'-ю и у-ю вершины мультисервисной сети связи, ставится в соответствие значение ее емкости, равной либо количеству цифровых каналов Пу в пучке с определенной пропускной способностью, которыми располагает данная ветвь, либо ее пропускной способности Ху , если она представляет собой цифровой тракт. В последнем случае при применении различных протоколов с резервированием пропускной способности или гарантированным качеством предоставления сетевых услуг, цифровой тракт может быть представлен моделью пучка каналов, поэтому, не нарушая общности рассуждения, будем рассматривать ветвь мультисервисной сети связи как пучок цифровых каналов.

В общем случае емкость ветви Пу сети или пропускная способность ее является переменной величиной, зависящей от управления и = {иу, ((, у) }, выбираемого из множества

допустимых значений G (и).

Считаем, что на мультисервисную сеть связи поступает многомерный нестационарный поток

с параметром Л(^) = {{(^) | /, у = 1, N}. Пусть время, на которое единица информации (пакет, кадр или сообщение) занимает канал (или единицу пропускной способности цифрового тракта), распределено по экспоненциальному за*

кону с параметром ц. Оценка ц параметра обслуживания для всего многомерного потока получается взвешенным, пропорционально поступающей нагрузке частных потоков, суммированием и одинакова для всех потоков, не зависит от длины пути передачи информации. *

Величина ц может существенно отличаться от возможного значения в силу влияния различных программно-аппаратных атак.

Будем считать заданным список возможных путей передачи единиц информации между каждой парой узлов сети. При этом будем учитывать возможность выхода из строя отдельных узлов и линий связи на некоторое случайное время под воздействием целого ряда факторов.

Вследствие того, что характеристики обслуживания требований на передачу единиц ин-

*

формации (определяются величиной ц ), как правило, обладают значительно большей статистической устойчивостью по сравнению с па*

раметрами нагрузки Л, оценка ц может быть выполнена с несравненно более высокой точностью. Пренебрегая погрешностью оценивания, будем считать (не нарушая общности рассуждений) ц* характеристикой, известной подсистеме управления сетью с достаточной степени точности.

Рассмотрим организацию управления мультисервисной сетью связи, когда можно считать поступающую на нее нагрузку близкой к стационарной на интервале времени, сравнимым с интервалом (циклом) управления сетью (т. е. потоки в сети квазистационарные и Л(^) = Л{ еТи} = Л ). Ясно, что эта ситуация возможна на достаточно коротких временных интервалах не превышающих цикл управления. Считаем известным априорное распределение

параметров нагрузки Р (Л). Считаем, что функционирование системы управления мультисер-висной сетью связи начинается с момента времени ^, характеризуемого начальной структурой и распределением каналов (трактов) на сети , при условии, что к моменту 10 на сети устанавливается стационарный режим обслуживания. В момент ^ входящая нагрузка Л претерпевает скачкообразное изменение, и ее новое значение подчиняется распределению Р(Л).

Формализованная модель мультисервисной сети связи не полна и задана только определенными соотношениями я(Лгу-), позволяющими оценивать качество обслуживания требований (сообщений, пакетов, кадров, ячеек) на ветви Ьу , при известных законе и параметрах поступающей на нее совокупной нагрузки Лу (прямой и транзитной А,уТР ), т. е. Лу = А,у + ХуТР и ем-

j

кости ветви n

i '

Процесс управления мультисервисной сетью связи состоит из этапа планирования (получение плана действий) и этапа реализации этого плана. Объектом управления является мультисервисная сеть связи с произвольной организацией обслуживания (с ожиданием и без ожидания, однофазным и многофазным обслуживанием и т. п.). Будем рассматривать класс управлений, удовлетворяющий следующим условиям. Пусть управление содержит квазистатическую и динамическую составляющие, которым соответствует квазистатический план Р1^ (Ти), неизменяемый в процессе работы сети на период неизменной ее структуры и для данного цикла управления, и динамический план Р1йы(Ти), являющийся динамически изменяемым. Поступающая на мультисервисную сеть связи нагрузка в первую очередь обслуживается в соответствии с Р1^ (Ти), а избыточная — в соответствии с Р1ёт (Ти). Например, при организации управления на фрагменте мультисервисной сети связи с коммутацией каналов (в т.ч. виртуальных) в качестве плана Р1^ (Ти) может рассматриваться совокупность прямых путей (пучков каналов, трактов), и обслуживание требований (в том числе и транзитных), поступивших на 1-й узел мультисервисной сети связи и адресованного у-му узлу, производится в первую очередь по прямому пути, если таковой имеется между данными узлами сети. В случае отсутствия прямого пути, либо его загруженности требование обслу-

живается по обходному пути в соответствии с планом Р1аы (Ти). При организации управления на фрагментах мультисервисной сети связи с коммутацией пакетов (дейтаграммный режим) или сообщений (службы связи с промежуточным хранением информации) квазистатическая часть плана Р1^ (Ти) отсутствует, и управление сетью будет реализовываться только в соответствии с динамической составляющей плана

Р1ёт (Ти ).

Пусть эффективность функционирования телекоммуникационной сети оценивается некоторым функционалом качества Ф, зависящим от реализованного на сети динамического плана Р1Шп (Ти) (квазистатический план Р15( (Ти) считается заданным и неизменным на период планирования). Задачей управления мульти-сервисной сетью связи является выбор такого оптимального динамического плана Р1Шп (Ти), который обеспечит при заданных нагрузке Л , структуре сети S и организации обслуживания требований А = {ах}

ейгФ = ейгФ(Л, ^ А, Р1Шп(Ти)). (1)

Р1Лп ( Ти )

Таким образом, при фиксированных Л у, и у и Ау задачу нахождения оптимального плана

Р1°ип (Ти) можно сформулировать как задачу нелинейного программирования, а именно найти

Pldin (Tu ) -

э0)

гг£ }, доставляющий ейгФ (....)

Р>Лп (Ти )*В

при условии, что область В задана в виде системы равенств и неравенств:

XPj -1, i, j -1,N,).

Pk ^ 0, Лik -

-X Pk Л < Ck, k Ей(), V i, j -1N,

(2)

(3)

где P/k и Cik — соответственно условная вероятность обслуживания требований и пропускная способность ветви bik.

Обычно функционал Ф (Pldin (Tu)) является непрерывно дифференцируемой функцией, при зафиксированном плане (Tu) и задает время обслуживания требований или вероятность того, что время обслуживания требований не превысит допустимую величину. Функционал качества

k

MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 2 (142). 2018

обслуживания Ф(Р1сцп(Ти)) является выпуклым, т. к. при любой организации обслуживания в муль-

D Ф

тисервисной сети связи производная явля-

ется монотонно неубывающей функцией от Л/ .

Введем значение критической нагрузки для конкретного 1-го узла мультисервисной сети свя-

зи, в качестве которой выступает поток

Л i

1кр ■

при котором в оптимальном режиме (при плане Р1°ёт (Ти)) условная высота узла Н/ = 1. По аналогии критическим потоком (нагрузкой) для всей мультисервисной сети связи является входящий поток Лкр, при котором в оптимальном

режиме (при плане Р10°Пп (Ти) все высоты равны единице, т. е. Н/ = 1, V/, / = 1, N .

Поэтому при заданной структуре мультисервисной сети связи S, алгоритме обслуживания А

и управлении с планом Р10п (Ти), пропущенный поток на сети (а, следовательно, и пропускная способность сети) достигает максимума, а время обслуживания требований минимально при условии, что входящий поток Л равен Лкр.

С целью предотвращения снижения пропускной способности мультисервисной сети связи при превышении нагрузок своих критических значений (л/ >Л/кр), управление в виде полученного

оптимального плана Р10п (Ти) должно ограничивать на каждом узле сети входящий поток Л/ таким образом, чтобы обеспечивать выполнение

Н/ = 1.

Таким образом, оптимальное управление мультисервисной сетью связи должно включать наряду с подзадачей ограничения выбора исходящих направлений, также подзадачи ограничения нагрузки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Легков, К.Е. О некоторых подходах к повышению эффективности системы управления в рамках изменения подхода к автоматизации и информации / К.Е. Легков // Мобильные телекоммуникации (Mobile Communications). — 2013. — № 7. — С. 48.

2. Легков, К.Е. Основные теоретические и прикладные проблемы технической основы системы управления специального назначения и основные направления создания инфокоммуникационной системы специального назначения/ К.Е. Легков // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — 2013. — Т. 7, № 6. — С. 42-46.

3. Легков, К.Е. Процедуры и временные характеристики оперативного управления трафиком в транспортной сети специального назначения пакетной коммутации/ К.Е. Легков // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — 2012. — Т. 6, № 6. — С. 22-26.

4. Легков, К.Е. Вероятность потери пакета в бес-

проводных сетях со случайным множественным доступом к среде передачи/ К.Е. Легков, А.А. Донченко // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — 2011. — Т. 5, № 5. — С. 32-33.

5. Легков, К.Е. Современные технологии беспроводного широкополосного доступа 802.16Е и LTE: перспективы внедрения на транспорте/ К.Е. Легков, А.А. Донченко, В.В. Садовов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — 2010. — Т. 4, № 2. — С. 30-32.

6. Легков, К.Е. Беспроводные MESH сети специального назначения / К.Е. Легков, А.А. Донченко // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — 2009. — Т. 3, № 3. — С. 36-37.

7. Легков, К.Е. Анализ систем передачи в сетях беспроводного доступа / К.Е. Легков, А.А. Донченко // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. — 2009. — Т. 3, № 2. — С. 40-41.