Связь является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества с учетом его эволюции от индустриального к информационному. Такому положению дел способствует постоянный рост количества абонентов и спрос на ассортимент услуг связи.
В последние годы наиболее бурное развитие в РФ и в мире получили сети подвижной радиосвязи (СПР), поскольку они больше других сетей связи соответствуют принципам глобализации и персонализации связи и обеспечивают повышение оперативности обмена информацией между абонентами самых различных категорий на любых расстояниях. К ним относится и спутниковая связь.
Системы спутниковой связи (ССС) обеспечивают глобальное покрытие территории Земли, обладают естественными возможностями широковещанияпредоставляют пользователям полосу пропускания спутникового ретранслятора по требованию и поддерживают их мобильность. Сочетание всех этих характеристик делает спутниковую связь перспективным кандидатом на роль транспорта, обеспечивающего информационный обмен.
Вопросы развития спутниковой связи гражданского назначения' решаются на правительственном, межведомственном (ГКРЧ) и ведомственном (Министерство связи и информатизации РФ, Росавиакосмос и др.) уровнях. Российские спутниковые системы связи находятся под юрисдикцией государства и эксплуатируются отечественными государственными (ГП КС) или частными коммерческими операторами.
В соответствии с принятой концепцией развития Единой сети электросвязи (ЕСЭ) в России перспективная ССС должна включать три подсистемы [5, 7, 12, 18, 21, 29, 36, 67, 90]:
• фиксированной спутниковой связи для обслуживания Взаимоувязанной сети связи России, а также наложенных и корпоративных сетей;
• спутникового телеи радиовещания, в том числе непосредственного вещания, которое является новым этапом в развитии современных электронных средств массовой информации;
• подвижной персональной спутниковой связи в интересах подвижных и удаленных абонентов на территории России и за ее пределами.
Фиксированная спутниковая служба представляет собой службу радиосвязи между земными станциями, имеющими заданное местоположение (фиксированный пункт, расположенный в определенных зонах).
Основные направления использования фиксированной связи [12, 19, 32,68,91]:
• организация магистральных, внутризоновых и местных линий связи в составе ЕСЭ России;
• предоставление ресурса для создания сетей передачи данных;
• развитие корпоративных сетей связи и передачи данных с использованием современных VSAT-технологий, в том числе, доступа в Интернет;
• развитие сети международной связи;
• распределение по территории страны федеральных, региональных, местных и коммерческих телеи радиопрограмм;
• развитие сетей передачи полос центральных газет и журналов;
• резервирование магистральной первичной сети ЕСЭ России.
Система фиксированной спутниковой связи в ближайшие годы будет базироваться на действующих спутниках «Горизонт», новых спутниках «Экспресс-А», «Ямал-100» и спутнике LMI-1 международной организации «Интерспутник». Позднее вступят в строй новые спутники «Экспресс К», «Ямал 200/300». Спутниковые сети связи будут играть главную роль при модернизации систем связи в северо-восточных регионах России. «Генеральная схема спутниковой составляющей первичной сети ЕСЭ России», разработанная ОАО «Гипросвязь» по заказу ОАО «Ростелеком» и.
ГП «Космическая связь», определяет порядок использования спутниковых систем для ЕСЭ России.
Предусматривается, что развитие корпоративных сетей будет осуществляться преимущественно на базе российских спутников в соответствии с приоритетами, определенными Постановлением Правительства РФ № 1016 от 02.09.98 г. 90].
Вещательная служба строится на базе спутников непосредственного телевизионного вещания, таких как ИСС «Бонум-1», который выведен в точку 36° в.д. и обеспечивает в Европейской части России передачу более двух десятков телевизионных программ.
Российская система подвижной спутниковой связи развернута на базе спутников «Горизонт» и используется для организации правительственной связи и в интересах ГП «Морсвязь-спутник». Могут применяться также системы «Инмарсат» и «Евтелсат» (подсистемы «Евтелтракс»).
В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 2 сентября 1998 г. № 1016 [90] в ходе осуществления проектов перспективных спутников. должны быть предусмотрены меры, направленные на сохранение сети подвижной спутниковой связи в объеме, необходимом для поддержания: системы правительственной и президентской связи.
В нашей стране разрабатываются несколько проектов подвижной персональной спутниковой связи («Ростелесат», «Сигнал», «Молния Зонд»).
Российские предприятия участвуют в нескольких международных проектах персональной спутниковой связи («Иридиум», «Глобалстар», ICO и др:). В настоящее время прорабатываются конкретные условия применения систем подвижной связи на территории Российской Федерации и их сопряжения с ВСС России. В разработке и создании комплексов ССС принимают участие: Государственный оператор ГП «Космическая связь», Красноярский НПО/ПМ им. Решетнева и компания Alcatel (создание трех спутников нового поколения «Экспресс А»), НИИР, ЦНИИС, ООО «Гипросвязь», ГСП РТВ, ОАО «Ростелеком», ЗАО «НИВЦ АС» и др.
Отличительными особенностями современных ССС являются [16, 17, 21,85, 92]: применение цифровых технологий для передачи речи и данных, повышения качества и надежности связи, расширения спектра услугинтеграция с традиционными наземными системами подвижной связи (в первую очередь с цифровыми сотовыми) — совместимость и взаимодействие сетей подвижной спутниковой радиосвязи с телефонной сетью общего пользования (ТфОП) на любом иерархическом уровне (местном, внутризоновом, междугороднем) — многообразие типов абонентских терминалов различных категорий — стационарные, портативные, мобильные, необслуживаемые, приемные и т. д.
В зависимости от способа распределения пропускной способности спутникового моноканала между терминалами, все системы спутниковой связи можно разделить на три группы [18, 42, 48, 67, 117]: с фиксированным распределением, со случайным доступом и с распределением по требованию.
Случайный доступнаиболее предпочтителен для сетей с большим числоммалогабаритных (VSAT, USAT) низкоскоростных терминалов, генерирующих пульсирующий трафик. Число терминалов в таких сетях может достигать сотен и тысяч единиц.
Однако, протоколы случайного доступа не гарантируют качество обслуживания (Quality of Service, QoS) [48]. Протоколы предоставления каналов по требованию (Demand Assignment Multiple Access, DAMA), пытаются разрешить это противоречие путем организации динамического распределения пропускной способности ретранслятора в зависимости от требований пользователей. Запросы последних на выделение части ресурса спутникового ретранслятора должны быть переданы до начала передачи пользовательских данных. Как правило, запросы передаются* в режиме случайного доступа. После успешного резервирования запрошенного ресурса передача пользовательских данных происходит в бесконфликтном режиме — FDMA или TDMA. I.
В решение отдельных вопросов проблемы обеспечения связи с мобильными объектами внесли большой вклад отечественные и зарубежные ученые: Л. Е. Варакин, Г. И. Тузов, А. В. Кузичкин, Б. Г. Тележный и др. — в области анализа помехоустойчивости, борьбы с помехами различной природы в линиях радиосвязи и исследования алгоритмов доведения информации [9, 13, 82]- А. И. Щукин, Г. Б. Макаров, М. П. Долуханов, А. П. Наумов и др. — в области исследования процессов распространения радиоволн в естественной и возбужденной среде [24, 26, 80] - З. А. Якубайтис, Б. Я. Советов, И. А Мизин,.
B.Г.Лазарев и др. — в области исследования характеристик функционирования сложных информационных сетей [93, 59, 60, 83]- Л. Клейнрок, С. Лэм,.
C.Г.Бунин, С. Н. Шаров, Б. С. Цыбаков и др [8, 44−46, 99]. — в области организации множественного доступа пользователей к каналам связи.
Анализ возможного применения ССС показывает, что в ней осуществляется обслуживание определенного числа групп однородных абонентов, в смысле принадлежности последних к одной из области применения [12, 18, 19, 25, 90, 95]: '.
— связь между абонентами системы правительственной и президентской связи;
— глобальная связь с абонентами, расположенными на территории со слаборазвитой инфраструктурой;
— передача экстренных сообщений и координация работ в районах стихийных бедствий;
— передача медицинской информации;
— сбор информации от необслуживаемых датчиков;
— обмен информацией между базами данных и связь типа «компьютер-компьютер»;
— обмен научной и образовательной информацией;
— обмен деловой информацией и др.
Низкий трафик абонентов указанных сетей, возможность осуществлять обмен информацией между абонентами только по мере ее возникновения обусловил использование в ССС режима предоставления каналов по требованию. Это, в свою очередь, дает возможность ССС обслуживать большое количество разнородных абонентов.
Одной из важных задач построения системы связи с DAMA является задача обоснования требуемого коммуникационного ресурса (ТКР) системы, выражаемого общим числом рабочих каналов связи. Задачи нахождения ТКР любой системы связи рассматриваются в теории телетрафика, при этом ТКР рассматривается как полнодоступная коммутационная схема (ПКС) [52, 55, 64]. Задача нахождения вероятности отказа для ПКС в условиях неординарной пуассоновской нагрузки решена М. А. Шнепсом [107]. Решение прямой и обратной задачи теории телетрафика для ПКС от конечного числа абонентов в условиях неординарной нагрузки осуществил Е. С. Букейханов [11]. При этом каналы связи рассматривались как абсолютно надежные.
Однако, ССС должна обеспечивать информационный обмен абонентов нескольких групп. Спецификой обслуживания заявок в ССС является то, что все группы абонентов используют общий коммуникационный ресурс в неполнодоступном режиме, разных уровнях требований QoS (в частности, требуемой вероятности отказа) в условиях предпочтений в обслуживании различных групп абонентов со стороны оператора связи.
Анализ условий работы ССС показывает, что в зависимости от изменения обстановки, динамики внешних и внутренних условий функционирования меняются параметры ССС, определяющие показатель качества обслуживания ее абонентов.
В связи с изложенным, возникает противоречие между требуемым и реализованным качеством обслуживания абонентов ССС при ограничениях на коммуникационный ресурс системы, изменении условий ее функционирования и различного предпочтения в обслуживании абонентов со стороны оператора связи. Разрешение этого противоречия возможно на пути введения адаптивного управления уровнем доступности всех групп абонентов к общему коммуникационному ресурсу. и.
Поэтому актуальной является задача обоснования уровней доступности разнородных групп абонентов к коммуникационному ресурсу системы спутниковой связи с предоставлением каналов по требованию в условиях предпочтений оператора связи на основе разработки соответствующих аналитических зависимостей, правил, алгоритмов и моделей.
Объектом исследования диссертационной работы является система распределения коммуникационного ресурса ССС, функционирующей в режиме DAMA.
Предметом исследования является научно-методический аппарат обоснования уровней доступности разнородных групп абонентов к коммуникационному ресурсу ССС, функционирующей в режиме DAMA, базирующийся на теории телетрафика, теории принятия решений, моделировании систем.
Целью работы является обеспечение минимально допустимого уровня потерь вызовов от групп разнородных абонентов ССС, функционирующей в режиме DAMA .
Научной задачей разработка научно-методического аппарата обоснования уровней доступности разнородных групп абонентов к коммуникационному ресурсу ССС, функционирующей в режиме DAMA, условиях различного предпочтения в обслуживании абонентов со стороны оператора связи, изменения числа каналов и количества групп разнородных абонентов, позволяющего на стадии эксплуатации управлять качеством обслуживания.
Для достижения цели работы в ней ставятся и решаются следующие подзадачи:
1. Разработка математической модели процесса обслуживания групп разнородных абонентов в ССС, функционирующей в режиме DAMA.
2. Нахождение функций, аппроксимирующих вероятность отказа в обслуживании вызовов от параметров входных потоков заявок, длительностей информационного обмена по типам заявок, уровней доступности коммуникационного ресурса группам абонентов в соответствии с их предпочтениями.
3. Выбор метода оптимизации уровней доступностей абонентов всех групп к коммуникационному ресурсу с учетом степени их предпочтений и решения задачи данной’оптимизации.
4. Разработка методики обоснования уровней доступности разнородных групп абонентов к коммуникационному ресурсу ССС, функционирующей в режиме DAMA, в условиях различного предпочтения в обслуживании абонентов со стороны оператора связи, изменения числа каналов и количества групп разнородных абонентов, позволяющего на. стадии эксплуатации управлять качеством обслуживания.
В ходе решения указанных подзадач сформированы следующие результаты, представляемые к защите:
1. Математическая модель процесса обслуживания разнородных абонентов в системе спутниковой связи с предоставлением каналов по* требованию в условиях предпочтений.
2. Методика обоснования уровней доступности абонентов' к-" коммуникационному ресурсу ССС с предоставлением каналов по требованию на стадии эксплуатации в условиях различного предпочтения в обслуживании абонентов со стороны оператора связи, изменения числа каналов и количества групп разнородных абонентов.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что: сформулирована и решена задача обоснования уровней доступности разнородных групп абонентов к общему коммуникационному ресурсу, обслуживаемых в неполнодоступном режиме для обеспечения требуемого качества обслуживания;
• разработана математическая модель процесса обслуживания разнородных по трафику и по предпочтению абонентов неполнодоступной коммутационной схемойо в отличие от известных, предложен критерий оптимизации уровней доступности групп абонентов к коммуникационному ресурсу, учитывающий как условия полного удовлетворения требований абонентов, так и условия максимально возможного их удовлетворения.
Достоверность результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории систем массового обслуживания, теории телетрафика, моделирования систем, высокой согласованностью полученных результатов с физикой исследуемого процесса.
Практическая значимость результатов — диссертационных исследований обусловлена тем, что они доведены до уровняметодики, алгоритмов и машинных продуктов и позволяют персоналу действующей ССС оперативно с АРМ научно обоснованно управлять доступностью групп абонентов к коммуникационному ресурсу для конкретных условий функционирования.
Кроме того, результаты работы могут быть использованы в ВУЗах при изучении соответствующих учебных дисциплин.
Результаты работы реализованы:
1. В закрытом акционерном обществе «Научно-исследовательский внедренческий центр автоматизированных систем» при разработке системотехнических решений аппаратуры контроля и управления «Кедр — УМ» в части управления канальным ресурсом ССС специального назначения при реализации функции предоставления каналов по требованию (акт о реализации ЗАО «НИВЦ' АС» от 11.10.2007 г.).
2. Межрегионального общественного учреждения (МОУ) «Институт инженерной физики"(ИИФ) при разработке специального программно-аппаратного комплекса в рамках ОКР «Агент-ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 25.10.2007 г.).
3. В учебном процессе СВИ РВ при изучении дисциплин «Теория информации», «Передача данных в информационно — управляющих системах», «Моделирование систем» (акт о реализации СВИ РВ от 20.12.2007 г.).
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников и двух приложений.
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕМУ РАЗДЕЛУ.
1. Задача оптимизации уровней доступности коммуникационного ресурса абонентам различных групп является многокритериальной оптимизационной задачей (задачей оптимизации по векторному показателю качества):
2. В условиях наличия предпочтений в отношении обслуживания разнородных абонентов со стороны вышестоящего органа. управления связью и двухуровневого* критерия оценивания качества приемлемым методом решения рассматриваемой задачи является многошаговый метод последовательных уступок.
3. Решение оптимизационнойзадачина каждом шаге оптимизации процедуры последовательных уступок основано на методе неопределенных множителей Лагранжа. Реализация данного методаосуществляется через монотонное преобразование (логарифмирование) целевой функции и неравенств ограничений’исходной задачи;
4*. Трехкратная реализация процедуры последовательных уступок позволяет рассчитать оптимальную стратегию доступности коммуникационного ресурса в точечном и интервальном, виде, аг также ожидаемые значения показателей качества обслуживания запросов разнородных абонентов.
5. Разработанные алгоритмы процедуры последовательных уступок и метода неопределенных множителей Лагранжа составляют ядро методики управления" доступностью^ коммуникационного ресурса ССС на стадии" эксплуатации системы.
6. Для исходных данных, полученных при эксплуатации действующей ССС и утвержденных Заказчиком, показано, что полученная на основе разработанного методического аппарата стратегия доступности {Р*отк<�Р>={ 0,02−0,1−0,42}) превосходит, в лексикографическом смысле, полнодоступную стратегию (/>отк<�р>={0,078−0Д6−0Д}). Данный методический аппарат позволил снизить вероятность отказа до требуемых значений для наиболее предпочтительных групп абонентов (для первой в абсолютном значении на 0,058, для второй группы — на 0,06) и минимизировать для третьей группы.
Ill.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Спутниковая связь обладает важнейшими достоинствами, необходимыми для построения крупномасштабных телекоммуникационных сетей. Во-первых, с ее помощью можно достаточно быстро сформировать сетевую инфраструктуру, охватывающую большую территорию и не зависящую от наличия или состояния наземных каналов связи. Во-вторых, использование современных технологий доступа к ресурсу спутниковых ретрансляторов и возможность доставки информации практически неограниченному числу потребителей значительно снижают затраты на эксплуатацию сети. Эти достоинства спутниковой связи делают • ее весьма привлекательной и высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми наземными телекоммуникациями. Однако, ограниченность коммуникационного ресурса ССС обуславливает необходимость решения ряда задач, направленных на повышение эффективности использования этого ресурса. В' результате проведенных исследований решена актуальная прикладная техническая задача обоснования уровней доступности разнородных групп абонентов к коммуникационному ресурсу ССС на стадии эксплуатации в условиях различного предпочтения в обслуживании абонентов со стороны оператора связи, изменения числа каналов и количества групп разнородных абонентов.
В ходе выполнения исследований получены следующие основные результаты:
1. Математическая модель процесса обслуживания разнородных абонентов в системе спутниковой связи с предоставлением каналов по требованию в условиях предпочтений.
2. Методика обоснования уровней доступности абонентов к коммуникационному ресурсу ''ССС с предоставлением каналов по требованию < на стадии эксплуатации в условиях различного предпочтения в обслуживании абонентов со стороны оператора связи, изменения числа каналов и количества групп разнородных абонентов.
В работе выявлено, показано, доказано и разработано следующее:
1. В спутниковых сетях связи с большим количеством абонентов, обладающих низким трафиком, для повышения эффективности использования коммуникационного ресурса при организации обмена информацией между абонентами на больших расстояниях необходимо использовать режим предоставления каналов по требованию.
2. Реализация в системе спутниковой связи режима предоставления каналов по требованию осуществляется в автоматическом режиме первичным DAMA-контроллером, расположенным на центральной узловой станции.
3. В ходе эксплуатации системы спутниковой связи возможны как изменения условий, определяемых оператором связи (изъятие-возврат определенного числа каналов, добавление-исключение земных станций и их абонентов, снижение-повышение приоритетов^ абонентов в группе и предпочтений между группами абонентов), так и изменение внутренних параметров системы, определяемых средой функционирования, при этом качество обслуживания абонентов должно быть не хуже заданного.
4. Обеспечение заданного качества обслуживания всех групп абонентов в изменяющихся условиях функционирования системы спутниковой связи требует введения адаптивного автоматизированного управления процессом предоставления каналов по требованию. Такое управление осуществляется в рамках.
5. В системе спутниковой связи с предоставлением каналов по требованию наиболее важнымпараметром адаптации являются уровни доступности общего коммуникационного ресурса всем группам абонентов при заданных степенях их предпочтения.
6. Реализация указанного управления в системе спутниковой связи с предоставлением каналов по требованию требует создания соответствующего научно-методического аппарата, обеспечивающего принятие обоснованного решения оператором автоматизированной системы управления сетью по изменению уровней доступности.
7. С точки зрения процесса предоставления каналов по требованиям абонентов ССС представляет собой неполнодоступную для различных групп абонентов коммутационную схему с неординарными входными потоками требований и потоками обслуживания.
8. Получение оценок показателей качества обслуживания заявок разнородных абонентов возможно на основе имитационного моделирования процесса DAMA. Имитационная модель процесса строится на основе метода «особых точек».
9. Для получения аппроксимирующих аналитических зависимостей вероятностей отказов в предоставлении каналов по требованиям абонентов различных групп необходимо планирование и проведение экспоненциального полнофакторного эксперимента на основе имитационного моделирования в точках спектра плана.
10. Обработка-результатов имитационного, эксперимента позволяет получить аналитические зависимости оценок показателей качества и доверительных интервалов оценок.
11. Задача оптимизации уровней доступности коммуникационного ресурса абонентам различных групп является многокритериальной оптимизационной задачей (задачей оптимизации по векторному показателю качества).
12. В условиях наличия предпочтений в отношении обслуживания разнородных абонентов со стороны вышестоящего органа управления связью и двухуровневого критерия оценивания качества приемлемым методом решения рассматриваемой задачи является многошаговый, метод последовательных уступок.
13- Решение оптимизационной задачи на каждом шаге оптимизации, процедуры последовательных уступок основано на методе неопределенных множителей Лагранжа. Реализация данного метода осуществляется через монотонное преобразование (логарифмирование) целевой функции и неравенств ограничений исходной задачи.
14. Трехкратная реализация процедуры последовательных уступок позволяет рассчитать оптимальную стратегию доступности коммуникационного ресурса в точечном и интервальном виде, а также ожидаемые значения показателей качества обслуживания запросов разнородных абонентов.
15. Разработанные алгоритмы процедуры последовательных уступок и метода неопределенных множителей Лагранжа составляют ядро методики управления доступностьюкоммуникационного ресурса ССС на стадии эксплуатации системы.
16. Для исходных данных, полученных при эксплуатации действующей ССС и утвержденных Заказчиком, показано, что полученная на основе разработанного методического аппарата стратегия доступности СР*отк<�р>={0,02−0,1−0,42}) превосходит, в лексикографическом смысле, полнодоступную стратегию (РОМК</3>={0,078−0,16−0,1}). Данный методический аппарат позволил снизить вероятность отказа до требуемых значений для наиболее предпочтительных групп абонентов (для первой в абсолютном значении на 0,058, для второй группы — на 0,06) и минимизировать для третьей группы.
Выносимые на защиту научные положения доведены до алгоритмов и программных модулей, что позволяет их использовать в реально существующих ССС различного назначения.
Результаты диссертационной работы внедрены в организациях промышленности при разработке новых ССС специального назначения, а также в учебный процесс вуза.
В дальнейшем полученные научные результаты и практические рекомендации могут быть использованы предприятиями и организациями промышленности следующим образом:
— при обосновании ТТТ и ТТЗ на НИР и ОКР по перспективным и модернизируемым ССС;
— при проектировании и оценивании эффективности и качества функционирования разрабатываемых и перспективных ССС с DAMA различного назначения;
— в учебном процессе вузов.
Дальнейшие исследования можно продолжить в следующих направлениях:
— разработки научно-методического аппарата адаптивного управления качеством обслуживания абонентов ССС, охватывающего замкнутый контур адаптации;
— разработки экспертных систем поддержки принятия решения оператором по адаптивному управлению уровнями доступности и другими параметрами ССС, функционирующей в режиме предоставления каналов по требованию при изменении внутренних и внешних условий ее функционирования;
— создание моделей, описывающих зависимости вероятностей отказа от параметров системы связи, обладающих свойством ротатабельности.
