CC BY
57
УДК 621.391
СЕТЕВАЯ МОДУЛЯЦИЯ ЯЧЕЕК ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МЯГКИХ МНОЖЕСТВ
© И.И. Пасечников, В.В. Штейнбрехер, С.Л. Казаков
Ключевые слова: сетевая модуляция; сетевая модуляция по топологическим признакам; самоподобные топологии сетей.
В работе проведена аналогия канальной модуляции и инфокоммуникационных процессов передачи в сетях, показаны варианты сетевой модуляции по различным топологическим признакам - параллельности путевых потоков и длины маршрутов.
В работе [1] рассмотрены основные принципы организации параллельной передачи информации путем модуляции сетевых ячеек по структурному параметру. Под телекоммуникационной системой (ТКС) будем понимать систему, использующую инфокоммуникаци-онные технологии в процессе передачи сообщений от источника до получателя, под модуляцией виртуальной сетевой ячейки - процесс изменения ее структурного параметра (или нескольких, однозначно характеризующих ее функциональные возможности) в соответствии с измеряемыми параметрами входного сообщения.
Объем входящего в сеть сообщения определяет требуемый для его передачи ресурс виртуальной сети. Это означает, что необходимо динамически не только регулировать степень использования коммуникационных устройств в сети (доли использования пропускных способностей и др.), но и определять размеры, конфигурации виртуальных сетей в зависимости от вида передаваемого трафика. Для согласования потоков сети с ее топологией, в соответствии с сетевыми формулами поведения и преобразований, рекомендуется применить тензорную методологию (на основе использования усредненных величин), а в условиях динамики процессов - тензорный анализ сети. Наряду с этим необходимо решать задачу использования избыточности структуры сети с целью формирования виртуальных ячеек, которые обеспечили бы не только режим параллельной передачи, но и с учетом возможных их мягких топологий динамически реагировать на входные потоки. Этому вопросу посвящена данная работа.
Пусть ячейка ТКС представляется упорядоченной сетевой структурой с высокой избыточностью. Тогда, с одной стороны, используя метрические свойства сети, с другой - представление топологии в виде мягкой упорядоченной структуры, сетевую ячейку можно представить как рассмотрение ее в различных системах координат сети, т. е. в виде проекции на идеализированную структуру сети с полным охватом ее элементов. По другому, - в виде вращения структуры, где косинус угла характеризует модуляционные свойства сети. Итак, процесс управления параметрами сети будем представлять в виде сетевой модуляции. Рассматриваемая структурно-избыточная ячейка ТКС преду-
сматривает использование режима параллельной передачи [1]. Его особенностями являются:
1. Сообщение передается последовательностью пакетов или блоками пакетов, которые используют не одиночный, выбранный по какому-либо критерию, виртуальный путь (канал), а сформированную для этой цели виртуальную сеть. Каждый блок пакетов передается по непересекающимся маршрутам - путям виртуальной сети.
2. Пакеты представляются широкополосными сигналами. Это позволяет не только повысить их помехоустойчивость, но и решать задачу их фильтрации элементами сетевой ячейки. Последняя особенность принципиально важна для решения задачи согласованного приема не только каждым узлом в отдельности, но и сетевой ячейкой в целом. Этот вопрос связан с особенностями структурной модуляции: она затрагивает как соответствующие изменения сигнального пространства, так и сетевого, ему соответствующего.
Рассмотрим простейший вид канальной модуляции, а именно, выражение сигнала с амплитудной модуляцией:
^ам(гЛ) = А0(1 + гааХи(Г))с08[ю0Г + ф(г)], (1)
где А0 - постоянная составляющая радиосигнала, являющегося переносчиком информации в канале; Хи(Г)=Х(Г)/5х - нормированное сообщение; 5Х - среднее квадратическое значение сообщения Х^); та = 5а/А0 -коэффициент амплитудной модуляции; 5а = Ма5Х -среднее квадратическое отклонение огибающей от уровня несущей; ф(Г) - случайная начальная фаза.
Первичный анализ формулы (1) и инфокоммуника-ционных процессов в сетях показывает:
1. Передаваемый сигнал в случае отсутствия полезной информации (Хи(Г) = 0) имеет постоянную (не меняющуюся во времени) амплитуду. Аналогично, в сети, в случае отсутствия передаваемых пользовательских пакетов имеет место топология сети (минимальной конфигурации), обеспечивающая передачу служебной информации и готовая к необходимым структурным изменениям в случае изменяющегося входного потока пакетов.
2. Если передается сообщение, т. е. Х$)Ф 0, то в соответствии с параметром модуляции меняется амплитуда радиосигнала (по закону нормированного сообщения). Другими словами, изменяется по информационному признаку параметр переносчика информации в среде. Сеть является переносчиком пакетов, несущих в себе информацию. Это означает, что модуляционными признаками для нее является не информация, переносимая пакетами, а сами пакеты, точнее их статистические характеристики (особенности построения пакетов, объемы сообщений, их требования и др.). Таким образом, сеть, являясь переносчиком пакетов, может быть модулируема по признакам, позволяющим эффективно считывать пакеты на приемном конце, т. е. в узле-адресате.
3. В качестве информационного параметра в (1) выступает амплитуда сигнала-переносчика. Применительно к информационной сети это может быть ее топология (описываемая топологическими признаками или структурными характеристиками), либо непосредственно протоколы, используемые в процессе передачи (их использование возможно на основе применения тензорного анализа и, в особенности, описания метрики в окрестности точки состояния сети). Таким образом, если тригонометрическая функция в (1) описывает основу построения сигнала-переносчика, то методология описания информационных процессов, например, на тензорной основе, составляет основу построения сетей как переносчика пакетов. Топология сетей при такой методологии определяет ее систему координат. Значит, сетевая модуляция по топологическим признакам есть управление информационными процессами в сети, сопровождаемое изменением систем координат.
4. Начальная случайная фаза ф(Г) - параметр радиосигнала, который характеризует начальное его по-
ложение в пространстве состояний. Аналогично, исходные сетевые состояния (на момент рассмотрения), по сути, соответствуют значению ф(Г).
Сделаем уточнение относительно сетевой ячейки. Как и радиосигнал, предназначенный для передачи на большое расстояние информационного сообщения, так и сетевая ячейка - часть коммуникационной сети, осуществляет передачу (с использованием коммуникационных технологий) информационных пакетов на удаленное расстояние. Сетевая ячейка является виртуальной, т. е. формируется только для непосредственно «быстрого передвижения» в данный момент времени пакетов некоторого сообщения (либо группы сообщений, интегрированных из-за одинаковости свойств и требований). Параметры сетевой ячейки определяются в зависимости от исходного сообщения [2]. К ним относится не только структурный параметр (например, связность сети) но и конкретная топологическая картина (граф G(N,A), пропускные способности С,- или кванты кибернетической мощности ТКС, выделяемые под независимые путевые потоки) части используемой сети.
Входящие в сеть сообщения х в виде последовательностей пакетов от ,-го источника имеют различную длину, выраженную в числе пакетов Lxi, приоритетность к%ь интенсивность Х, Эти параметры непосредственно связаны с выделяемым ресурсом сетевой ячейки, т. е. Я = ХЦь кхЬ Х#). Связь «характеристика потока - характеристика сети» отображается коэффициентом сетевой модуляции и должна осуществляться механизмом управления параметрами сети через протоколы характеристиками трафика. Очевидно, значение коэффициента, при котором осуществляется эффект «перемодуляции», соответствует перегрузке сетевой ячейки.
Рис. 1. Пояснения модуляции объемом сообщений топологическими параметрами регулярной структуры виртуальной сети для разных пар узлов источник-адресат
Таблица 1
Уровень, используемый при модуляции Используемый вид решетки Ь (вариант 1) Используемый вид решетки Ь (вариант 2)
а0
а1 0 0
а2 < А
а 4 <Л> о
На рис. 1 для разных пар узлов источник-адресат качественно показано, как каждый уровень размера сообщения (при условии одинаковости их приоритетов) должен соответствовать определенному коэффициенту использования ресурса совокупности ретрансляторов избыточной топологии. При этом одни и те же узлы-ретрансляторы могут быть элементами разных сетевых виртуальных ячеек. Очевидно, количество задействованных ретрансляторов и резервируемый ими ресурс кибернетической мощности телекоммуникационной сети [3] (в простейшем случае пропускной способности канала, емкости буферных устройств, вычислительных ресурсов и др.) будет определять глубину и дискретность процесса модуляции избыточной топологии сети.
Для построения разновидности виртуальных сетей необходимо, чтобы в системе постоянно велись таблицы так называемых «формирующих решеток» (табл. 1). На их основе каждый узел источника сообщений в направлении адресата строит регулярную структуру с мягкими подмножествами. Последняя представляет собой, в общем, многотранзитную сеть, в которой до узла адресата имеется непустое множество параллельных (непересекающихся) путей. Каждый путь, оцени-ваясь значением функции принадлежности к сети ца ,
которая попадая в интервал [ца , Ца ] , в соответствии с теоремой декомпозиции (для нечетких или мягких подмножеств) заносится в построенную подсеть. Затратные ресурсы сети на его использование влияют на общий «угол поворота сети» и по сути являются компонентой коэффициента сетевой модуляции.
Пусть аг- - уровень (рис. 1) в соответствии с расширением теории нечетких множеств в смысле Г огена [4] представляет структурированное (являющееся решеткой) множество функции принадлежности Ь. При наличии некоторого универсального множества Е (характеризующего размерность сетевого пространства), путем отображения множества Е на множестве Ь, получается множество ЬЕ, которое унаследует свойства Ь и является также упорядоченным. Эти обстоятельства и однозначность описания элементов полученного множества позволяют осуществить модуляционные процессы на сети. Каждая такая сеть ЬЕ имеет только свое, допустимое количество параллельных путей для передачи информации. При фиксированных значениях пропускных способностей составных каналов (непере-секающихся путей) уровни подсетей будут распределены в соответствии, например, с вариантами табл. 1. Для ее построения должны использоваться сведения связности сети с учетом, например, качества линий связи.
На рис. 2а приведен результат использования Ь уровня а! (варианты 1, 2), т. е. построенное структурированное множество ЬЕ и показаны направления параллельной передачи пакетов одного сообщения. На рис. 2б приведена ЬЕ-структура, как результат использования решетки Ь уровня а2 (вариант 1), на рис. 2в -ЬЕ-структура с использованием Ь уровня а2 (вариант 2). Получаемые структуры являются самоподобными и имеют различные топологические характеристики.
Как видно, использование решетки Ь функции принадлежности первого варианта позволяет изменять количество задействованных параллельных каналов. При этом длина маршрута является постоянной величиной и равна двум транзитным участкам. В качестве множества узлов-ретрансляторов используются подсети уровня 1 (рис. 2а). Итак, использование формирующих решеток Ь варианта 1 (табл. 1) в методе построения структурированного упорядоченного множества ЬЕ позволяет на основе значений воздействующих параметров сообщения управлять количеством составных параллельных каналов фиксированной длины, т. е. осуществлять модуляционные действия по признаку количества параллельных составных каналов в сетевой ячейке.
Возможен и другой вид структурной модуляции, если использовать решетку функции принадлежностей в виде колец (табл. 1, вариант 2) с различным количеством узловых точек. В этом случае сетевая ячейка в виде ЬЕ-структуры будет изменяться под воздействием входного трафика по двум признакам одновременно: по числу параллельных составных каналов (но в меньшей степени, чем при варианте 1) и по числу ретрансляционных участков. Такая ячейка при протокольной реализации процессов параллельной передачи позволит обеспечить большую дальность передачи сообщений.
Помимо изменений структуры функций принадлежности Ь, можно использовать различные множества Е, которые позволят менять размерность строимого пространства-структуры и тем самым обеспечить одновременное функционирование ячеек в разных режимах.
Рассмотренные подходы к управлению топологиями сетевых ячеек предусматривают решение задачи построения сигнальных конструкций передаваемых пакетов. Чтобы модулировать распределенную структуру сети в пространстве необходимо использовать
а)
б)
в)
Рис. 2. Результат модуляции топологии ячейки сети в зависимости от структуры используемой функций принадлежности Ь: а) L имеет уровень аі; б) Ь имеет уровень а2 (вариант 1); в) Ь имеет уровень а2 (вариант 2)
особую схему кодирования передаваемых пакетов сообщения, позволяющую каждому пакету приобрести однозначную информационно-топологическую окраску, соответствующую принимаемому элементу сетевой ячейки.
В работе рассмотрен вопрос модуляционных процессов в сети с избыточной топологией на основе использования регулярных, структурно-управляемых нечетких построений по топологическим параметрам -количество параллельных составных каналов и их длина в числе транзитных участков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пасечников И.И., Пасечников Р.И. Модуляция мягких топологий информационных сетей параметрами входного потока // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 1. С. 279-282.
2. Пасечников И.И., Горев П.Г., Копытова Н.Е. Способ ускоренной передачи сообщения, виртуальная сеть и устройство для широко-
полосной беспроводной связи, использующей ретрансляцию в параллельных составных каналах. Полож. решение на изобретение от 5.10.2011 г. Заявка № 2010124790/08 08.06.2010. МПК G06F 15/177,H04W 84/00.
3. Пасечников И.И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей: монография. М.: «Машиностроение-1», 2004. 216 с.
4. КофманА. Введение в теорию нечетких множеств / пер. с фр.; под ред. С.И. Травкина. М.: Радио и связь, 1982. 432 с.
Поступила в редакцию 16 ноября 2011 г.
Pasechnikov I.I., Shteinbreher V.V., Kazakov S.L. NETWORK MODULATION OF CELLS OF TELECOMMUNICATION SYSTEM ON THE BASIS OF METHOD OF REPRESENTATION OF SOFT SETS
In work the analogy of channel modulation and information processes of transfer in networks is given, variants of network modulation to various topological signs - parallelism of traveling streams and length of routes are shown.
Key words: network modulation; network modulation to topological signs; self-similar topology of networks.
