ОПТИМАЛЬНЕ УПРАВЛіННЯ БЕЗПРОВОДОВИМИ ТЕЛЕКОМУНіКАЦіЙНИМИ МЕРЕЖАМИ НОВОГО ПОКОЛіННЯ Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 621.391

ВОРОПАеВА АО., к.т.н. (ДонНТУ)

Оптимальне управлшня безпроводовими телекомунiкацiйними мережами нового поколшня

Voropaeva A.A., Cand. of Eng. Sc. (DonNTU)

New generation wireless telecommunications networks optimal conrtol

Вступ

Розвиток безпроводових мереж ввдг-рае iстотну роль у свiтовiй телекомушка-цiйнiй iнфраструктурi. У новому десяти-рiччi на ринку безпроводового зв'язку вщ-буваються радикальнi змiни, зумовлеш зро-станням попиту з боку абоненпв на ком-плекснi мультимедшш послуги, що пщтри-муються новими сучасними мобшьними термiналами (нетбуками, планшетами, смартфонами тощо). Якюне надання подiбних типiв сервiсу потребуе високо'1 швидкостi та забезпечення гарантованих параметрiв QoS. В зв'язку з цим для бшьшосп опера-торiв безпроводових телекомушкацшних мереж нового поколiння стае актуальною задача оптимального управлшня ресурсами сво'1'х мереж.

Постановка задач1 дослщження

Для вирiшення тако'1 задачi можна ви-користовувати модель, що базуеться на за-стосуванш двосторонньо'1 функцiй корис-ностi, яка враховуе спiввiдношення сеанав дуплексного режиму обмiну даними i кшь-кiсно оцiнюе переваги користувача при ви-борi послуг [2]. В такш моделi кожному ко-ристувачевi призначаеться функцiя корис-носп (ФК) и(х), котра визначае рiвень його задоволення вщ використання тих чи шших ресурсiв мережi. Потiм будуеться ФК мереж (ФКМ), що являе собою суму ФК абонента (ФКА) вах користувачiв мережу i задача оптимiзащi полягае в макси-мiзащi ФКМ при обмеженнi на кшьюсть

доступних ресурсiв та загальну кшьюсть джерел. На основi вирiшення задачi опти-мiзацii розробляеться метод оптимального управлшня безпроводовою телекомушка-цiйною мережею нового поколшня [7].

Слщ зауважити, що для рiзних типiв сервiсiв функцп корисностi, а вiдповiдно i методи управлiння телекомунiкацiйною мережею, будуть вiдрiзнятися. Для сервiсiв, котрi вимагають певного рiвня швидкостi в ус моменти часу, слiд використовувати статичний метод оптимального управлшня [2]. А коли перюди потреби користувача у певнш швидкосп передачi випадковим чином чергуються з паузами (коли користувач проглядае завантажену сторшку) слiд вва-жати, що змiни стану кожного користувача, а вщповщно i його вимог до швидкосп передач^ являють собою стацiонарний стоха-стичний процес з загальною кiлькiстю ста-нiв К та iмовiрнiстю кожного стану Рк. В

такому випадку доцшьшше застосовувати стохастичний метод управлшня швидкютю передачi [3].

Варто вщм^ити, що при динамiчнiй змш станiв системи, що е характерним для безпроводових телекомушкацшних мереж внасшдок постшних змiн кiлькостi корис-тувачiв стiльника, канально'1 штерференци, високо'1 мобшьносп абонентiв застосування пiдходiв оптимального управлшня не зав-жди може привести до бажаного результату тому, що не вс стани системи можуть ока-затися керованими. При некерованосп стану системи змши параметрiв управлiння можуть не привести до змш вихщних характеристик мережi, а, отже, будь-яю оптимь зацiйнi дп можуть оказатися марними. Щоб

запоб^и таким проблемам перед застосу-ванням методiв оптимального управлшня варто спочатку провести перевiрку керова-ностi стану безпроводово'1 телекомушка-цШНО1' мережi [4].

Концепщя оптимального управлшня безпроводовимим телекомушкацшними мережами нового поколшня

Вищезгаданi методи оптимального управлшня та перевiрки керованостi можна об'еднати в едину концепцiю оптимального управлшня безпроводовими телекомушкацшними мережами нового поколшня.

Для оптимального управлшня мережею в момент часу t пропонуеться задати початковi умови для управлшня у виглядi вектору початкових даних х, кожний еле-мент XI якого фшсуе момент часу марку-вання (включення) переходу при побудовi графа синхронiзацГi та вектору управлшня зовшшшх впливiв и:

х1(к) и1 (к)

х(к) = и(к) =

_ хп (к )_ ип (к)_

а також матриць внутршнiх станiв системи А та В. На основi вхщних даних пропонуеться розрахувати значення вектора сташв системи на наступному крощ в циклi управлшня [5]:

х(к +1) = А 0 х(к +1)0 А1х(к )0 Ви(к +1)

та отримати матрицю динамiки системи М, вщ структури яко'1 (тобто вщ й елементiв) залежить динамiчнi характеристики дис-кретно-безперервноi системи. Маючи шфо-рмацiю про динамiчнi змiни та переходи мiж станами в системi стае можливою по-будова графу синхрошзацп [1]. Всi переходи в графi описуються вхiдними даними:

X=Ах0Ви

За побудованим графом синхрошзацп G визначають його циклiчнiсть С(О) як найменше довжин вах його контурiв. Якщо справедлива умова С^) = 1, тодi граф можна вважати стшким з заданими почат-ковими умовами за X одиниць часу i можливою стае перевiрка керованосп заданого стану дискретно-безперервно'1' системи (в даному випадку, безпроводово'1'

телекомушкацшно'1' мереж нового поколiння) [1]. 1накше, пропонуеться задати новi вхщш умови, наприклад, в момент часу (^ +1) i перевести систему управлiння на початок. Для перевiрки керованостi стану дискретно-безперервно! системи задаеться, що к = 1, х(0) = -е . При цьому:

х(к +1) = [Гк- | Л(к+1-)]

' ик - ^ х(0

Матриця Гк та вiдповiдний вектор и

представляють послiдовнiсть керуючих впливiв що переводить систему зi стану х(/') в стан х(к +1) .

х(к +1) = Гк • ик

(1)

Отже, необхщним стае розрахунок матрицi Гк. Зазначено [6], що для того, щоб стан був керований, необхщно, щоб вiн був фiксованою точкою матриц ГкУ. Пiсля проведених розрахунюв вектору управлiння ик та вектору стану х(к +1) за (1) необхщно перевiрити, чи дшсне твер-дження х(к +1) = х. Якщо так, то стан х е керованим.

При оптимальному управлшш мережею виршено параметром керування вважати швидюсть передачi. Для режимiв прийому та передачi в користувачiв

приймаеться х^ = хг^ та х^ = х'^. Функцiя

корисносп на рiвнi абонента задаеться за

и (и', иг) = в' (и' )р' + вг (иг )р'

1/Р,

та залежить вщ параметру 9 - сумюного параметру, що показуе вагу вщповщного сеансу (прийом чи передача).

Для коректного обрання методу управлiння швидкiстю передачi на основi двосторонньо'1 функцп корисностi рiвня ко-ристувача (КФК) потрiбно перевiрити, чи е комунiкацiйна послуга, яку бажае отримати користувач вибаглива до динамiчноi змши рiвня швидкостi у чаа. Прикладом тако'1 послуги можуть бути HTTP-подiбнi сер-вiси. Якщо послуга не е вибагливою до таких змш швидкостi, то пропонуеться використовувати статичний метод регулю-вання швидкосп передачi на основi вико-ристання КФК.

Кожна комунiкацiйна ланка L в заданий момент часу t збирае iнформацiю про режими передачi вiд всiх iснуючих джерел S, якi вiдносяться до не'1 (пiд джерелами маються на увазi вузли мережi, наприклад, базовi станци). В свою чергу, джерела ма-ють отримати iнформацiю про щновий вектор передачi р по комушкацшнш ланцi L. Таким чином, в кожний момент часу зада-ються початковi умови для оптимального управлшня. Оптимiзацiйну задачу пропонуеться виршувати кожному користувачу в парi [3]. Комунiкацiйна ланка L регулюе щну передачi iнформацiйного потоку р!, (^).

Пiсля чого вузол мережi передав ш-формащю на обранiй швидкостi до отри-мання оновлених даних, тобто Vt eT/ xs(t +1) = x,(t)

Комунiкацiйна ланка повщомляе про цiну передачi шформаци BciM пов'язаним з нею вузлам мережъ В свою чергу, вузол мережi повiдомляe про обраний режим пе-редачi вiдповiдним комунiкацiйним ланкам.

У випадку, коли в комушкацшному сервiсi присутнi вимоги до динамiчноi змiни швидкостi в часi, пропонуеться вико-ристовувати стохастичний метод регулю-вання швидкосп передачi на основi вико-ристання КФК. Для видшеня рiзницi мiж методами, початковi данi будуть задаватися у виглядi Sik, Ф ik (Sik ) вiдповiднi позна-

чення для швидкосп передачi та ФК для i-го користувача в k-му станi. Задачу оптимь заци

F = ZPk !Фik (Sik)max

k=1

isN (l)

пропонуеться вирiшувати за допомогою функци Лагранжа [2].Отже, необхщним стае введення векторiв-множникiв Лагра-нжа

pt (t +1) = [pt (t) -Л (t)]+,

где ^iio : Vt £ T] pl (t +1) = pl (t)

(3)

Ощнка градiенту в задачi оптимiзацii визначаеться через агрегацiю швидкостi ву-злiв, якi використовували для передачi ко-мунiкацiйну ланку, з урахуванням пропуск-но'1' спроможностi L:

Л (t) = cl - xl (t)

Вiдповiдно, вузол-джерело мереж обирае режим передачi, базуючись на пото-чних вiдомостях про щну:

M = Mi, — Ml L Л = [Л1,Л2,— ЛN ].

Для кожного користувача розрахову-еться швидкiсть передачi за формулою:

Sk(м,Л,) = argmax£[(1 + л,)*ФЛS)-SA

Sk >Sk

lsL(i)

Наступною дiею пропонуеться розра-хувати перший множник Лагранжа на на-ступному кроцi Л"+1 грунтуючись на поточному значеннi ФК:

Л"+1 = [Л" -А"у?].

х, (t +1) = х, (ps (t))

i=1

Таким чином, обираеться оптималь-ний режим передач^ грунтуючись на лока-льн1й шформацп кожного користувача.

Запропонована концепщя оптимального управлшня схематично зображена на рисунку 1.

Введения початкових даних в момент

часу / ( Вектор статщ матрищ А та В

Розрахунок I) .

Отримання матриц! динам1ки системи > I

I

Побудова графа синхрошзащ! мереж1

—щиспчиостт

I Так

КФК в залежносп шн! параметру 0

1(ерешрка ¡спунаппя I», телекомушкацшному серв!зц динам1чних вимог до змши ^ швидкосп

Ц!в вимог до к1мн не юнуа

Виконання статистичногго алгоритму

Стан х вважати стайким. Переходнтн до нерев1рки керованостт стану к:=0 ба(0)= - ей Розрахунок матрищ Г Обчислення вектору керування и к та в«(к+1)

Т Так

Стан х вважати керовапим. Переходнтн до внбору оптимального режиму роботи мереж!

х

Ь ПОВЩОМЛЯЗ вещ джерелам Б нову щну -та швидисть передач!

Виконання стохастичного алгоритму

Введения векторщ-множникщ Лагранжа ц, та X

Для 1-го користувача розрахувати

Комушкацшш ланки Ь отримують шформащю про режими передач! шд джерел Б, яи свою чергу отримують шформащю про щновий вектор р швидюсть передач1 Б Розрахунок X на наступному кроц! Виведення X для

Комушкацшна ланка Ь регулюа щну передач! за (3) комун:кац:йноТ ланки

Обрано оптимапьну швидисть передач!

( К!нець )

Рис. 1. Концепщя оптимального управлшня безпроводовою телекомункацшною мережею

нового поколшня

Висновки

Отже, можна прийти до висновку, що при стр1мкому розвитку шфокомушкацш, а зокрема, безпроводових телекомушкацш-них мереж, в умовах жорстко! конкуренцп оператори зв'язку потребують концепцп оптимального управл1ння обмеженою кшь-к1стю ресурс1в телекомушкацшнох мережь Концепц1я повинна ор1ентуватися на забез-печення високого р1вня задоволеност1 кожного користувача послугою, яку вш отри-муе в1д оператора. Запропоновано викорис-товувати двосторонню функц1ю корисносл, яка враховуе як швидк1сть передач! даних, так 1 швидюсть прийому. Також зазначено, що не вс1 що не вс1 стани мереж1 можуть оказатися керованими., а отже, перед про-

веденням д1й оптимального управлшня мережа потребуе перев1рки керованосл стану.

Запропонована концепц1я оптимального управлшня враховуе тип телекомуш-кацшного серв1су, який абонент бажае отримати, та в залежност1 в1д цього пропо-нуе метод оптимального управлшня мережею: статичний для сервю1в, як не мають динам1чних вимог до швидкост1 передач1 та стохастичний для НТТР-под1бних серв1с1в.

Список лггератури:

1. Бессараб В.1. Анал1з частотних характеристик дискретно-безперервних систем при застосуванн1 критичного графа динамки [Текст] / Бессараб В.1., Воропаева А.О., Лозинська В.М // Науков1 пращ Донецького нащонального техшчного

ушверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизацiя. - Донецьк-2011. Випуск 20 (182). - С. 96-101.

2. Воропаева А.О. Оптимальне управлшня режимами прийому та передачi телекомушкацшних мереж [Текст] / Воропаева А.О // Науковi працi Донецького нащонального технiчного унiверситету. Серiя: Обчислювальна техшка та автоматизацiя. - Донецьк, ДонНТУ, 2013. Випуск 1 (24) - С - 89-95.

3. Воропаева А.О. Розробка методу керування безпроводовими телекомушкацшними мережами нового поколшня на основi тдходу максимiзацii завантаженостi мереж [Текст] / Воропаэва А.О. // Науковi працi Донецького нацiонального технiчного ушверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизащя. Випуск 1(26). - Донецьк: ДонНТУ, 2014. - С. - 70-76.

4. Зайцева E.G. Визначення досяжност та керованосп в дискретно-безперервних системах [Текст] / E.G. Зайцева, В.1. Бессараб А.О. Воропаева // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Серiя: Обчислювальна технiка та автоматизащя. -Донецьк-2012. - Випуск 22 (200). - С. 17-23.

5. Cassandras, C. G. Introduction to Discrete event Systems/ C.G. Cassandras, S. Lafortune. - Kluwer academic Publishers, 1999.

6. Cunnindham-Green, R. Minimax Algebra and applications/ R. Cunnindham-Green// advanced in Imaging and Electron Physics. Vol.90. - New York: Academic.

7. Kelly F. Charging and rate control for elastic traffic [Текст] / F. Kelly // European Transactions on Telecommunications 8 (1) (1997) 33-37.

Spysok Literatury:

1. Bessarab V.I. Analiz chastornyh kharakteristik dyskretno-besperervnykh

system pry zastosuvanni krytychnigo grafu dynamiky / Bessarab V.I., Lozynskya V.M., Voropaeva A.O. // Naukovi praci Doneckogo nacionalnogo universytetu. Seriya:

Obchysluvalna tekhnika ta avtomatuzaciya. Vypusk 20 (182). - Doneck: DonNTU - 2011. - S. 96-101

2. Voropaeva A.O. Optymalne upravlinnya regimami pryjomu ta peredachi yelekomunikacajnykh mereg / Voropaeva A.O. // Naukovi praci Doneckogo nacionalnogo universytetu. Seriya: Obchysluvalna tekhnika ta avtomatuzaciya. Vypusk 1(24) Doneck: - DonNTU - 2013. - S. 89-95.

3. Voropaeva A.O. Rozrobka metodu keruvannya bezprpvodovymy telekomunikacijnymu meregamy novodo pokolinnya na osnovi pidkhodu maksymizacii zavantagenosti meregi / Voropaeva A.O. // Naukovi praci Doneckogo nacionalnogo universytetu. Seriya: Obchysluvalna tekhnika ta avtomatuzaciya. Vypusk 1(26) Doneck: -DonNTU - 2014. - S. 70-76.

4. Zajtceva E.E. Vyznachennya dosyagnocti ta kerovannosti v dyskretno-besperervnykh systemah / Zajtceva E.E, Bessarab V.I. Voropaeva A.O. // Naukovi praci Doneckogo nacionalnogo universytetu. Seriya: Obchysluvalna tekhnika ta avtomatuzaciya. Vypusk 22(100) Doneck: -DonNTU - 2012. - S. 17-23.

5. Cassandras, C. G. Introduction to Discrete event Systems/ C.G. Cassandras, S. Lafortune. - Kluwer academic Publishers, 1999.

6. Cunnindham-Green, R. Minimax Algebra and applications/ R. Cunnindham-Green// advanced in Imaging and Electron Physics. Vol.90. - New York: Academic.

7. Kelly F. Charging and rate control for elastic traffic / F. Kelly // European Transactions on Telecommunications 8 (1) (1997) 33-37.

Анотацн:

В статп наведена концепщя оптимального управлшня безпроводовими телекомушкацшними мережами нового поколшня. Зазначено, що концепщя базуеться на двостороннш функцп корисносл абонента. Описаш методи оптимального управлшня безпроводовими телекомушкацшними мережами для р1зних титв сервю1в. В статп шдкреслено, що перед д1ями оптимального

управлшня доцiльною е перев!рка KepoBaHOCTi стану мережт

Ключовi слова: оптимальне управлшня, функщя корисност!, безпроводов!

телекомуткацшш мереж!

В статье приведена концепция оптимального управления беспроводными

телекоммуникационными сетями нового поколения. Указано, что концепция основывается на двусторонней функции полезности абонента. Описаны методы оптимального управления беспроводными телекоммуникационными сетями нового поколения для разных типов сервисов. В статье подчёркнуто, что перед действиями оптимального управления целесообразно провести проверку управляемости состояния сети.

Ключевые слова: оптимально управление, функция полезности, беспроводные

телекоммуникационные сети.

Formation of the concept optimal control for new generation wireless telecommunications networks is shown in the article. Concept is based on a dual subscriber utility function. New generation wireless telecommunications networks optimal control methods are described for different types of services. The article stressed that, before acting optimal control it is advisable to check the controllability of the network status.

Keywords: optimal control, utility function, wireless telecommunications networks.

УДК 656.25

КОСТ1К А.М., астрант (УкрДАЗТ),

ЧЕПЦОВ М.М., д.т.н., професор (Дон1ЗТ УкрДАЗТ),

БОЙН1К А.Б., д.т.н., професор (УкрДАЗТ)

Аналiз методiв виявлення в1дмов у мжросхемах великого ступеня штеграцп, що застосовуються у сучасних системах залiзничноï автоматики

Kostik A.M., graduate student (USART), Cheptsov MM., Dr. Eng., Professor (DRTI USART), Boinik A.B., Dr. Eng., Professor (USART)

The analysis of methods of failure identification in microcircuits of high degree integration which are used in modern systems of railway automation

Вступ

Для збшьшення провiзноi та пропуск-но'1 спроможносп залiзницi, особливо на вантажонапружених напрямах, та задля ро-зширення потужностей шфраструктурних об'ектсв залiзницi важливе значення мають системи залiзничноi автоматики, що забез-печують автоматизащю процесу регулю-вання руху поiздiв та безпеку 1х руху. Одним з головних засобiв удосконалення ро-боти систем залiзничноi автоматики е пщ-вищення 1'х надiйностi та збiльшення функ-

цiональних можливостей за рахунок засто-сування сучасних елементiв автоматики. Але залишаеться ймовiрнiсть виникнення вiдмов у робот! цих елемештв. Порушення умов безпеки у системах залiзничноi автоматики класифшуеться як небезпечна вщ-мова, а реестрацiя несправностi та блоку-вання системи - захисна вщмова. З початку застосування мшропроцесорних систем на залiзницях окрiм небезпечно! та захисно! вiдмови з'явились так зваш маскованi вiд-мови.