CC BY
11
УДК 621.317
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-387-391
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ МАССОВОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА СЕТЕЙ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.Е. Писковитин, Н.Н. Зайкин, А.В. Свидло, О.А. Губская
В статье предлагается подход к моделированию процесса мультиплексирования раз-ноприоритетных сообщений, то есть распределение каналов передачи за потоками измерительной информацией с различной степенью важности. Подобный подход может существенно упростить задачу мультиплексирования измерительной информации на дальнейших этапах контроля параметров телекоммуникационного оборудования сетей связи специального назначения.
Ключевые слова: мультиплексирование, система массового обслуживания, измерительная информация, телекоммуникационное оборудование, эффективность.
Одной из проблем многоканальных систем мониторинга (СМ) является повышение эффективности использования дорогостоящих трактов передачи (каналов передачи измерительной информации). С этой целью в СМ специального назначения, в которых предусматривается одновременная передача измерительной информации (ИИ) от большого числа датчиков, размещенных на одном и том же телекоммуникационном оборудовании, целесообразно использовать не только общую линию связи, но и общие (групповые) передатчики и приемники, осуществляющие соответственно преобразование сообщений в электрические сигналы (передаваемые по каналам) и обратное преобразование последних в сообщения. При этом основной проблемой является оптимальное закрепление каналов передачи ИИ за линиями связи (ЛС), осуществляемой с помощью устройств мультиплексирования (УМП). Одним из направлений решения указанной проблемы является моделирование процесса мультиплексирования разно-приоритетных сообщений, то есть распределение каналов передачи за потоками ИИ с различной степенью важности [4].
Учитывая различную приоритетность ИИ, УМП можно представить в виде многоканальной системы массового обслуживания (СМО), в которой заявками на обслуживание являются пакеты с сообщениями различной приоритетности.
Для современных СМ сетей связи специального назначения характерна работа в режиме решения потока случайных по своим характеристикам задач, поступающих в общем случае в случайные моменты времени. Случайность характерна и для отдельных подсистем, таких, как подсистема «датчик-контроллер-мультиплексор». Анализ и, самое главное, синтез подобных систем с учетом вероятностного характера протекающих в них процессов возможен методами теории массового обслуживания.
Обобщенная структурная схема СМО приведена на рисунке.
Поступающие на вход СМО однородные заявки в зависимости от порождающей их причины делятся на типы, интенсивность потока заявок типа i (i = 1, М), обозначается как Аг. Первопричина заявок, какова бы ни была ее физическая природа, называется источником заявок, совокупность заявок всех типов - входящим потоком СМО.
Обслуживание заявок выполняется совокупностью т в общем случае разнотипных каналов [4]. Различают универсальные и специализированные каналы обслуживания. Для универсального канала типа j считаются известными функции распределения ^¿(т) длительности обслуживания данным каналом заявок произвольного типа i (i = 1, М). Для специализированного канала функции распределения длительности обслуживания данным каналом заявок некоторых типов являются неопределенными, назначение заявок этих типов на данный специализированный канал недопустимо. В произвольный момент времени канал может быть занят обслуживанием только одной заявки, в общем случае допускается прерывание начатого некоторым каналом процесса обслуживания.
Если в момент появления заявки на входе СМО хотя бы один канал свободен, ее обслуживание может быть начато немедленно, без задержки. Однако вполне вероятна ситуация, когда заявка застает СМО полностью загруженной, то есть, когда все т каналов заняты обслу-
живанием. В этом случае начало обслуживания задерживается, заявка должна занять место в соответствующей очереди. Очередь может быть либо общей, либо раздельной; деление очереди выполняется обычно по приоритетному принципу. На число мест в очереди может быть наложено ограничение, это может быть сделано как для каждой очереди в отдельности, так и для всей совокупности очередей в целом. При этом возможны конфликтные ситуации, решением которых может быть либо отказ системы принять заявку, либо принятие заявки в систему за счет, возможно, выталкивания другой, менее ценной для системы в данный момент времени заявки.
Выходящий поток Обслуженные заявки
лО
Л
Отказы
Обобщенная структурная схема системы массового обслуживания
Процесс продвижения заявки от входа к выходу СМО происходит в соответствии с некоторым законом управления процессами в СМО, который задается дисциплинами ожидания и обслуживания. Дисциплина ожидания определяет порядок приема заявок в систему и размещения их в очереди, дисциплина обслуживания - порядок выбора заявок из очереди для назначения на обслуживание.
В зависимости от принятых в СМО дисциплин ожидания и обслуживания различают СМО с бесприоритетными и приоритетными дисциплинами [4]. В СМО с бесприоритетными дисциплинами все заявки считают равноправными, никакая заявка не получает каких-либо преимуществ по отношению к другим. В СМО с приоритетными дисциплинами одни типы заявок имеют более высокий приоритет (более важны с точки зрения принятого в данной системе критерия эффективности) по отношению к другим типам заявок.
Процесс поступления в СМО заявок на обслуживание является в общем случае случайным и может рассматриваться как поток однородных событий, происходящих через случайные промежутки времени. Случайные временные интервалы между поступлениями заявок могут подчиняться различным законам распределения. Если СМО обеспечивает желаемую эффективность функционирования при простейшем потоке заявок на входе то обслуживание системой других случайных потоков заявок с одинаковой интенсивностью будет выполняться не хуже. Если входящий поток представляет собой совокупность М потоков заявок различных типов с интенсивностями Л^, ¿ = 1,М, то его можно характеризовать суммарной интенсивностью А — 2.1 = 1^1.
К параметрам входящего потока причислим также допустимое время пребывания тдоп заявки в СМО, рассматривая его как свойство заявки. Это время в общем случае - случайная величина с некоторой плотностью распределения. По истечении времени пребывания попавшая в систему заявка покидает ее, не дожидаясь назначения на обслуживание или даже прерывая начатое обслуживание. Применительно к системам мониторинга сетей связи специального назначения, работающих в режиме «реального» времени, допустимое время пребывания заявки в СМО можно рассматривать как запаздывание, превышение которого приводит к «устареванию» заявки, когда дальнейшее ее пребывание в СМО бесполезно, а в ряде случаев и вредно.
Каждая СМО обладает определенной структурой, характеризующейся совокупностью параметров. По составу СМО можно разделить на СМО с одним каналом обслуживания (одно-канальные СМО) и п каналами обслуживания (многоканальные СМО). В свою очередь, многоканальные СМО могут содержать одинаковые и различные по производительности каналы обслуживания. Производительность канала обслуживания обратна длительности обслуживания заявки. В общем случае длительность обслуживания - это случайная величина с функцией распределения F(t), плотностью распределения /(т) и математическим ожиданием r^g. Типы заявок различаются либо законами распределения, либо математическими ожиданиями при однотипных законах распределения. При этом принимается допущение о независимости длительностей обслуживания для различных заявок одного типа, вполне корректное для большинства реальных систем. Наряду с математическим ожиданием длительности обслуживания используется понятие интенсивности потока обслуживания ^ = = — величины, характеризующей количе-
тоб
ство заявок, которое может быть обслужено в единицу времени постоянно загруженным каналом. Наибольшее число результатов получено для длительности обслуживания с экспоненциальной плотностью распределения. Важный компонент структуры СМО - очередь, параметром которой является число мест п.
Закон управления процессами в СМО можно представить совокупностью двух дисциплин: дисциплины ожидания и дисциплины обслуживания. В бесприоритетных дисциплинах заявки какого-либо типа не имеют преимуществ перед заявками других типов при постановке в очередь или назначении на обслуживание. Если по каким-либо причинам заявки некоторых типов должны обслуживаться СМО быстрее, то они получают преимущество перед заявками других типов, называемое приоритетом. Дисциплины ожидания и обслуживания, учитывающие приоритеты, называются приоритетными.
Дисциплина ожидания определяет правила управления очередью, возникающей в том случае, когда каналы обслуживания не справляются с потоком заявок. Возможны следующие бесприоритетные дисциплины ожидания:
заявка принимается в общую очередь в порядке поступления, при переполнении очереди заявка получает отказ, то есть теряется системой;
заявка принимается в общую очередь в порядке поступления, при переполнении очереди вновь прибывшая заявка выталкивает из очереди заявку, дольше всех находящуюся в очереди;
заявка принимается на свободное место, оставшееся после назначения заявок на обслуживание по случайному правилу; при отсутствии свободного места заявка получает отказ.
Дисциплина обслуживания определяет правила выбора заявки из очереди при назначении на обслуживание. При бесприоритетной дисциплине обслуживания заявки различных типов не имеют привилегий перед заявками других типов на досрочное обслуживание. Возможны следующие бесприоритетные дисциплины обслуживания:
1) выбирается первая в очереди заявка - дисциплина «первым пришел - первым вышел» (FIFO - First Input First Output);
2) выбирается последняя в очереди заявка - дисциплина «последним пришел - первым вышел» (LIFO - Last Input First Output);
3) заявка выбирается из очереди случайным образом.
Эффективность процесса мониторинга определяется эффективностью составляющих его этапов и в первую очередь начальных, к которым относится сбор измерительной информации о состоянии телекоммуникационного оборудования (ТКО). Собранная и обработанная измерительная информация о состоянии ТКО используется на дальнейших этапах в процедуре принятия управленческих решений по функционированию сетей связи специального назначения.
Список литературы
1. Боговик А.В., Нестеренко А.Г., Одоевский С.М. Новые информационные и сетевые технологии в системах управления военного назначения: В 2 ч.: Учеб. Ч. 1. Новые сетевые технологии в системах управления военного назначения. / Под ред. С. М. Одоевского. СПб.: ВАС, 2010, 432 с.
2. Калашников Н.И., Крупицкий Э.И., Дороднов И.Л., Носов В.И. Системы радиосвязи. М.: Радио и связь, 1988. 352 с.
3. Винограденко А.М. Способ расчета необходимого числа каналов в многоканальной линии связи // Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании. Ставрополь, 2010. С. 169-173.
4. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование: учеб. пособие для вузов. 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985.439 с.
Писковитин Владимир Евгеньевич, преподаватель, piskovitin_ve@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Зайкин Николай Николаевич, преподаватель, zaykin53@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Свидло Александр Владимирович, преподаватель, svidlo_av@yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Губская Оксана Александровна, канд. техн. наук, преподаватель, gubskaya.oa@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи
APPLICATION OF QUEUING THEORY FOR MODELING MULTIPLEXING OF MEASUREMENT INFORMATION FLOWS IN THE MONITORING SYSTEM OF SPECIAL-PURPOSE
COMMUNICATION NETWORKS
V.E. Piskovitin N.N. Zaikin, A.V. Svidlo, O.A. Gubskaya
The article proposes an approach to modeling the multiplexing process of multi-priority messages, that is, the distribution of transmission channels behind streams of measurement information with varying degrees of importance. Such an approach can significantly simplify the task of multiplexing measurement information at further stages of monitoring the parameters of telecommunication equipment of special-purpose communication networks.
Key words: multiplexing, queuing system, measurement information, telecommunication equipment, efficiency.
Piskovitin Vladimir Evgenievich, lecturer, piskovitin_ve@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications.,
Zaikin Nikolay Nikolaevich, lecturer, zaykin53@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Svidlo Alexander Vladimirovich, lecturer, svidlo_av@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications,
Gubskaya Oksana Alexandrovna, candidate of technical sciences, lecturer, gubskaya.oa@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications
