Координированное управление процессами информационного обмена в многоканальных телекоммуникационных системах

Актуальность темы

Современные тенденции развития многоканальных телекоммуникационных систем (ТС) связаны с повышением их пропускной способности, приданием им свойств надежности и экономичности, что достигается дальнейшим усложнением протекающих процессов информационного обмена. Усложнение процессов информационного обмена связано с постоянным увеличением числа параллельно функционирующих каналов, дополнительных подсистем (трактов) передачи сообщений, развитием новых информационных технологий поддержки передачи сообщений.

С целью достижения новых качественных показателей эффективности в действующих многоканальных системах необходимо обеспечить согласованную интеграцию всех процессов информационного обмена из-за постоянного изменения условий эксплуатации, вызванных локально-пространственным и временным изменением трафика, вида и характера шумовой обстановки в зоне обслуживания, случайными изменениями параметров каналов связи. Согласованная интеграция процессов информационного обмена требует учета множества (в том числе противоречивых) факторов и может осуществляться с помощью методов координированного управления. В силу того, что современные системы многоканальной связи имеют многоуровневую и распределенную архитектуру, координированное управление информационным обменом можно условно разбить на два уровня — внутрисистемную и общесистемную.

Внутрисистемное координированное управление заключается в выработке решений, обеспечивающих параллельную передачу сообщений в системе многоканальной связи, которая осуществляется на основе технологий многоканальной связи.

Фундаментальной основой технологий многоканальной связи являются основополагающие парадигмы ортогональных преобразований функциональных пространств Фурье, Гильберта, Хаара, Уолша,.

Котельникова и др., парадигма статистических оценок на основе байесовского подхода и связанная с ней парадигма оптимальной фильтрации Калмана-Бьюси, энтропийная парадигма К. Шеннона.

В основе практической реализации современных технологий многоканальной связи лежат методы канального уплотнения (частотного, временного, кодового и др.), обеспечивающих передачу многих сообщений по общей линии связи (направляющей структуре). Основной принцип канального уплотнения заключается в ортогональной редукции пространства первичных (абонентских) сообщений в более широкую область переносчиков сообщений, что позволяет упростить разделение канальных сигналов и увеличить пропускную способность систем связи.

Однако в ряде случаев пропускная способность отдельных каналов связи (например, каналов теле-, радиовещания) остаётся намного выше производительности источников сообщений, что говорит о недостаточно эффективном использовании возможности существующих (действующих) каналов связи и дает дополнительный резерв по совершенствованию методов координированного управления процессами внутриканального информационного обмена.

Одним из альтернативных способов повышения информационной емкости отдельных каналов является координированное (вторичное) уплотнение сигналов. Основная идея вторичного уплотнения сигналов заключается в передаче множества сигналов по общему каналу ТС. Вторичное уплотнение сигналов предполагает объединение (агрегирование) в общем случае неортогональных в гильбертовом пространстве сигналов путём согласованного совмещения (инкапсуляции) их спектрально-временных характеристик и передачу в рамках одного или нескольких действующих каналов связи. Иначе говоря, систему, реализующую координированное уплотнение, можно рассматривать как многоканальную систему передачи сообщений по вложенным каналам.

Актуальность исследования методов координированного уплотнения сигналов также подтверждается теми фактами, что традиционные способы канального уплотнения в той или иной степени сталкиваются с пределом своего развития из-за ограниченности физических характеристик технических средств передачи сообщений, среды распространения сигналов, больших временных задержек в процессе передачи сообщений. С другой стороны, в связи с интеллектуализацией систем многоканальной связи, их функциональным усложнением, увеличивается количество сопутствующих служебных (вторичных) сообщений небольшой информационной ёмкости, для которых нет необходимости создавать дополнительные каналы связи. Вторичные сообщения могут передаваться совместно с базовыми сообщениями в скрытом, т. е. незаметном для абонента режиме. При этом вторичное уплотнение сигналов не предусматривает расширения (уширения) спектрально-временных характеристик сигналов и не требует вовлечения достаточно дорогого материального, частотного, временного и др. резерва многоканальной системы.

В связи с тем, что координированное уплотнение осуществляется для неортогональных сигналов, это приводит к взаимному искажению уплотняемых сигналов. Это, в свою очередь, требует разработки согласованных решений, связанных с синтезом спектральных характеристик уплотняемых сигналов вторичных сообщений и систем оценивания (фильтрации) (расположенных в трактах передачи уплотняемых сигналов) с учетом поиска, так называемых, лакунарных зон размещения вторичных сообщений в рамках нормированной полосы частот воспроизведения базовых сигналов и каналов.

В связи с недостаточностью научно-методического аппарата и полноты исследования методов вторичного уплотнения сигналов направлением дальнейших исследований являются:

1. Разработка комплексной концепции координированного (вторичного) уплотнения стохастических сигналов, позволяющей описать принципы формирования как вторичных дискретных, так и непрерывных сигналов на основе единых конструктивных позиций.

2. Разработка методов коррекции динамических и статических характеристик систем оценивания (фильтрации) групповых общеканальных сигналов вторичного уплотнения, влияющих на качество воспроизведения базовых и выделения вторичных уплотняемых сигналов.

3. Развитие методов и алгоритмов приёма вторичных сообщений в условиях скрытости сигнала (малой величиной отношения сигнал шум) и априорной неопределённости (частичных) знаний о параметрах вторичных сигналов.

Общесистемное координированное управление заключается в согласованном планировании трафиковых ресурсов с учетом изменения целей управления и/или ситуаций в действующей распределенной многоканальной системе, затрагивающем общесистемную интеграцию протекающих процессов информационного обмена. В дальнейшем (в формате рассматриваемого контекста) вместо термина «координированное управление» будем пользоваться термином «координированное планирование».

В основе методологических аспектов координированного планирования лежит выработка решений по формализованному выбору конфигурации (топологии) сети многоканальной связи и её информационных параметров (количество каналов, их распределения между средствами радиодоступа, распределение частотного ресурса с учетом факторов электромагнитной совместимости), при котором учитывались и согласовывались бы особенности изменения нестационарности трафика (нагрузки) с особенностями территориальной распределённости средств доступа и пропускной способности терминального оборудования. Конечной целью координированного планирования является сбережение (экономия) общеплановых (физических, коммуникационных, информационных и иных) ресурсов многоканальной системы.

Большой вклад в развитие концепций координированного планирования в распределённых ТС многоканальной связи внесли зарубежные учёные: Л. Клейнрок, Р. Спенсер, Дж. Мартин, Р. Галлагер, П.

Мерлин, А.Сегал. Среди отечественных учёных можно выделить труды Б. В. Гнеденко, М. А. Шнепса, B.C. Лившица, Г. П. Башарина, А. П. Пшеничникова, А. Д. Харкевича, Е. И. Рухмана, Б. Я. Советова, С. А. Яковлева, В. А. Кочегарова, Г. А. Фролова, O.A. Шорина.

Несмотря на заметное продвижение в создании и развитии теоретических положений координированного планирования здесь остаются не решёнными задачи, обусловленные следующими факторами:

1. Отсутствием достаточно адекватных географических моделей нестационарности телетрафика, позволяющих оценить текущее и спрогнозировать последующее изменение ситуаций (нагрузки) в многоканальных ТС радиосвязи в условиях неопределённости позиционирования мобильных средств радиодоступа .

2. Недостаточным развитием формализованных методов и алгоритмов частотно-территориального планирования в системах мобильной радиосвязи, функционирующих в реальном масштабе времени.

3. Недостаточным развитием алгоритмов конфигурирования транспортных сетей в условиях структурных ограничений.

Таким образом, разработка общеметодологических принципов координированного управления процессами информационного обмена в многоканальных ТС является достаточно актуальной как в научном, так и практическом плане и требует специального изучения.

Объект исследования. Объектом исследования являются телекоммуникационные системы и сети группового информационного обмена различного назначения.

Предмет исследования. Предметом исследования является разработка новых принципов построения и работы телекоммуникационных систем и сетей с целью исследования путей совершенствования управления потоками информационного обмена.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка теоретических положений по повышению эффективности функционирования многоканальных телекоммуникационных систем на основе развития системной концепции координированного управления протекающих в них процессов информационного обмена.

Для достижения указанной цели в работе сформулированы и решены следующие основополагающие задачи:

1. Развитие методологических основ координированного уплотнения неортогональных сигналов в функциональном пространстве Гильберта, включающих:

— разработку модели координированного (вторичного) уплотнения сигналов как задачу обратного оценивания (фильтрации) — разработку оптимизационных методов координированного уплотнения сигналов;

— разработку функционально-параметрических методов координированного уплотнения сигналов как коррелированных, так и некоррелированных сигналов;

2. Разработка методов коррекции динамических характеристик многосвязной системы оценивания (фильтрации) в общеканальных трактах вторичного уплотнения сигналов многоканальной ТС, включающая:

— обоснование способа коррекции динамических свойств многосвязной системы оценивания методами замкнутого управления;

— разработку декомпозиционных алгоритмов по входу и выходу на основе гомеоморфных (подобных) преобразований моделей многосвязных объектов, не приводящих к потере «связности»;

— разработку и решение линейных модальных и нелинейных (релейных) задач замкнутого управления.

3. Развитие методологических основ координированного (вторичного) уплотнения дискретных сигналов и последовательностей, базирующихся на принципах нелинейного функционального преобразования вероятностных и числовых характеристик случайных процессов, включающие:

— разработку общеметодологической задачи координированного уплотнения дискретных сигналов и последовательностей;

— разработку алгоритмов координированного уплотнения дискретных сигналов и последовательностей на основе нелинейного функционального преобразования их вероятностных характеристик.

4. Развитие концепции координированного (ситуационно-адаптивного) планирования сетей мобильной связи, базирующейся на описании трафиковых процессов с помощью нестационарных географических моделей изменения нагрузки, включающие:

— нестационарную географическую модель телетрафикаоптимизационные методы координированного управления канальным и частотным ресурсами в условиях неопределённости позиционирования мобильных станций;

— оптимизационные алгоритмы конфигурирования транспортных сетей в условиях структурных ограничений.

5. Разработка методического обеспечения и оценки эффективности применения методов и алгоритмов координирования процессов в многоканальных системах связи, включающей:

— разработку методического обеспечения и оценку эффективности вторичного уплотнения сигналов и дискретных последовательностей применительно к системам передачи изображений в РРТПЦ — филиала ОАО «Башинформсвязь»;

— разработку методической поддержки и выработки технических рекомендаций по модернизации (оптимизации) мобильной системы (на примере региональной системы сотовой связи ОАО «ВымпелКом» г. Уфы).

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, теорий управления, исследования операций, массового обслуживания, математической статистики, а также методы вариационного исчисления, линейной алгебры, теории функций комплексной переменной, вероятностей, дискретной математики. Для оценки эффективности полученных результатов использовались методы математического и имитационного моделирования.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методологические основы координированного (вторичного) уплотнения непрерывных сигналов, базирующиеся на принципах решения обратных задач стационарной фильтрации (оценивания).

2. Методические основы управления динамическими характеристиками многосвязных систем оценивания (фильтрации) в трактах вторичного уплотнения на основе декомпозиционных методов, не приводящих к потере связности объектов.

3. Алгоритмы координированного (вторичного) уплотнения цифровых сигналов и последовательностей на основе нелинейных преобразований.

4. Концептуальные основы координированного (ситуационно-адаптивного) планирования сетей мобильной связи, базирующиеся на описании трафиковых процессов с помощью нестационарных географических моделей нестационарности трафика.

5. Стохастическая модель нестационарности трафика систем мобильной связи на основе скрытых Марковских процессов (моделей) (СММ).

6. Алгоритмы ситуационно-адаптивного планирования сетей мобильной связи.

7. Рекомендации, математический полигон и результаты оценки эффективности по практическому применению разработанной методологии координации в многоканальных системах связи (вторичное уплотнение сигналов для РРТПЦ — филиала ОАО «Башинформсвязь», координированное планирование для региональной сети сотовой связи ОАО «ВымпелКом»).

Научная новизна (в методологическом и концептуальном аспектах).

1. Новизна методологических и теоретических основ координированного уплотнения сигналов, базирующихся на принципах решения обратных задач стационарной фильтрации (оценивания) непрерывных сигналов и нелинейного функционального преобразования дискретных сигналов и последовательностей заключается в том, что они позволяют с единых позиций получить описание «лакунарных» (неортогональных в гильбертовом пространстве) процессов вторичного уплотнения сигналов с учетом допустимой меры искажений в каналах уплотнения.

2. Новизна разработанного методического обеспечения коррекции свойств многоканальных многосвязных объектов систем оценивания уплотняемых сигналов (сепаратные каналы которых имеют одинаковые характеристические полиномы) с использованием декомпозиционных методов заключается в том, что предлагаемый аппарат позволяет существенно упростить процедуру синтеза как замкнутых линейных и релейных законов управления данными объектами при сохранении связности согласуемых объектов по входу (выходу), так и спектральных характеристик вторичных сигналов многоканальной ТС.

3. Новизна концепции координированного (ситуационно-адаптивного планирования), базирующейся на описании трафиковых процессов с помощью нестационарных географических моделей заключается в том, что она представляет универсальную совокупность моделей, методов и алгоритмов, позволяющих прогнозировать развитие ситуаций в системе, осуществлять частотно-территориальное планирование сети в масштабе реального времени с помощью формализованных (в т.ч. оптимизационных) методов.

Обоснованность и достоверность результатов диссертации.

Обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на использовании апробированных научных концепций и методов исследования, согласовании результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность полученных теоретических положений и выводов подтверждается результатами имитационного моделирования, апробации и внедрения предложенных методик и алгоритмов.

Практическая ценность и внедрение результатов.

Практическую ценность имеет методическое обеспечение и рекомендации по применению методов и алгоритмов координирования в системах управления и связи. В частности,.

— на основе методологии координированного уплотнения разработан математический полигон по отработке вторичного уплотнения в системах передачи подвижных и неподвижных изображений. Путем имитационного моделирования показана возможность повышения информационной ёмкости распределённых систем телевизионного вещания в 1,3−1,5 раза (по сравнению с имеющимися) без существенного изменения или значительной модернизации систем обработки и передачи изображений. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение по организации служебных каналов сигнализации в стволе передачи цифровых данных РРТПЦфилиала ОАО «Башинформсвязь»;

— на основе структурного инструментария ситуационно-адаптивного планирования выработаны рекомендации по модернизации конфигурации сети сотовой связи ОАО «ВымпелКом» в г. Уфе, позволяющие снизить общеплановые (материальные, частотные, финансовые) расходы на 12,7% на всех этапах жизненного цикла проектных решений, включающие проектирование, модернизацию и эксплуатацию указанной системы мобильной связи.

Результаты диссертационной работы внедрены в региональном отделении ОАО «ВымпелКом» г. Уфы, РРТПЦ — филиала ОАО «Башинформсвязь» г. Уфы и в учебном процессе кафедры телекоммуникационных систем УГАТУ.

Апробация работы и публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Российских научно-технических конференциях и семинарах:

• Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы управления и их элементы», Уфа, 1995, 1997, 2000 г.

• Десятой и двенадцатой международных конференциях «Системы автоматизированного проектирования и исследования» (SAER 96,98), Варна, Болгария, 1996, 1998 г.

• VII Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление движением», КГТУ им. А. Н. Туполева, Казань, 1997 г.

• Второй международной научно-технической «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир, 1997 г.

• Научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций», Уфа, 2001.

• Научно-техническом семинаре «Устройства синхронизации и формирования сигналов», Нижний Новгород, 2002 г.

• Пятой и седьмой международном семинарах «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT2003, CSIT2005), Уфа, 2003, 2005 г.

• Второй научно-технической конференции с международным участием.

• «Мехатроника, автоматизация, управление» МАУ'25, Уфа, 2005 г.

• 60-й научной сессии, посвященной Дню Радио, Москва, РНТО-РЭС, 2005 г.

• С первой по восьмой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Уфа, Самара, 2000;2008 г.

По теме диссертации опубликовано 63 работы, среди них 1 монография, 18 статей (в том числе 12 в рецензируемых журналах из списка ВАК), 45 публикаций в трудах конференций, семинаров, депонированных рукописях.

Структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 329 страницах машинописного текста. Диссертация также содержит библиографический список из 177.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ШЕСТОЙ ГЛАВЕ.

1. Путем имитационного моделирования обоснована возможность использования предложенной методологии координированного (вторичного) уплотнения сигналов для повышения пропускной способности многоканальных непрерывных системах передачи изображений. На основе анализа методов имитационного моделирования показана возможность повышения информационной ёмкости в системах телевизионного вещания в 1,3 раза (по сравнению с имеющимися) без существенного изменения или значительной модернизации систем обработки и передачи изображений.

2. Разработан комплекс технических рекомендаций по использованию методов координированного уплотнения в цифровых системах передачи видеоизображений на основе нелинейных преобразований случайных дискретных последовательностей. Разработанные методы координированного уплотнения дискретных сообщений позволяет увеличить пропускную способность каналов передачи изображений цифрового формата в 1,5 раза.

3. На основе структурного инструментария ситуационно-адаптивного планирования выработаны рекомендации по модернизации конфигурации сети сотовой связи ОАО «ВымпелКом» в г. Уфе, позволяющие снизить общие эксплуатационные расходы до 12,7%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В целях повышения пропускной способности в многоканальных ТС разработаны методологические основы координированного управления процессами информационного обмена на основе методов вторичного уплотнения сигналов, позволяющих передавать сигналов по общему действующему каналу (каналам) связи. В основе методологии координированного уплотнения сигналов лежит синтез спектральных характеристик неортогональных (в гильбертовом пространстве) сигналов на основе методов решений обратных задач оценивания (фильтрации). Разработанная методология позволяет с единых конструктивных позиций учесть ограничения на степень искажения уплотняемых сигналов с возможностью выделения вторичных сигналов на приемной стороне, сохраняя при этом функциональную целостность каналов передачи базовых сообщений.

2. В целях повышения качества воспроизведения базовых и выделения вторичных уплотняемых сигналов разработаны методы (задачи) коррекции искажений многосвязных систем оценивания в общеканальных трактах сигнального уплотнения многоканальных ТС.

Коррекция искажений динамических статических свойств многоканальных систем оценивания осуществляется с помощью методов замкнутого управления многосвязными объектами. В основе методов синтеза контуров обратной связи многосвязных объектов лежит декомпозиция динамических моделей, при котором многосвязный объект разбивается на несвязанные по входным, либо выходным воздействиям подсистемы. На основе декомпозиционного подхода разработаны методы модального (как с наблюдателем Люинберегера, так и без него) и нелинейного (релейного) управления системами оценивания, позволяющие упростить решение поставленных задач коррекции динамических и статических свойств многоканальных многосвязных систем оценивания.

3. В рамках развития методов координированного управления процессами информационного обмена в многоканальных ТС разработаны алгоритмы вторичного уплотнения на основе нелинейного функционального преобразования случайных дискретных процессов и последовательностей, позволяющие учесть особенности передачи сообщений в цифровых системах многоканальной связи.

4. Предложена концепция координированного (ситуационно-адаптивного планирования) базирующаяся на описании трафиковых процессов с помощью нестационарных географических моделей подвижности трафика нагрузки, позволяющая с единых конструктивных позиций формализовать управление трафиковыми ресурсами информационного обмена. Целью координированного планирования является сбережение (экономия) общеплановых ресурсов и повышения эффективности системы. Данная концепция представляет универсальную совокупность формализованных моделей, оптимизационных методов и алгоритмов, позволяющих прогнозировать развитие ситуаций в системе, осуществлять частотно-территориальное планирование сети в реальном масштабе времени.

5. Предложенные в работе теоретические положения реализованы в виде методического обеспечения и рекомендаций по применению разработанных методов и алгоритмов. К ним относятся:

— на основе методологии координированного уплотнения разработан математический полигон по отработке вторичного уплотнения в системах передачи подвижных и неподвижных изображений. Путем имитационного моделирования показана возможность повышения пропускной способности систем телевизионного вещания в 1,3−1,4 раза (по сравнению с имеющимися) без существенного изменения (или значительной модернизации) систем обработки и передачи изображений.

— на основе структурного инструментария ситуационно-адаптивного планирования выработаны рекомендации по модернизации конфигурации сети сотовой связи ОАО «ВымпелКом» в г. Уфе, позволяющие снизить общеплановые (материальные, частотные, финансовые) расходы до 12,7% на всех этапах жизненного цикла системы.