Мєшков Сергій Іванович. Синтез мережі майбутнього FN на базі самоорганізації прогнозуючих моделей

Короткий опис

Мєшков Сергій Іванович. Синтез мережі майбутнього FN на базі самоорганізації прогнозуючих моделей.- Дис. канд. техн. наук: 05.12.02, Держ. ун-т телекомунікацій. - Київ, 2014.- 151 с.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ

На правах рукопису

МЄШКОВ СЕРГІЙ ІВАНОВИЧ
УДК 621.391.8

СИНТЕЗ МЕРЕЖІ МАЙБУТНЬОГО (FN) НА БАЗІ
САМООРГАНІЗАЦІЇ ПРОГНОЗУЮЧИХ МОДЕЛЕЙ

05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі

Дисертація
на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Науковий керівник:
БЕРКМАН ЛЮБОВ НАУМІВНА,
доктор технічних наук, професор
Державний університет телекомунікацій,
проректор з науково – педагогічної роботи

Київ – 2014

ЗМІСТ
Стор.
ВСТУП..................................................................................... 5
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ ІННОВАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ПІДХОДИ ДО СТВОРЕННЯ ЄДИНОГО ІНФОРМАЦІЙНОГО СУСПІЛЬСТВА………………………………………… 12
Постановка задачі………………………………………… 12
1.1. Еволюційний перехід мережі наступного покоління NGN до телекомунікаційної мережі майбутнього FN…. 16
1.1.1. Глобальне Інформаційне Суспільство (ГІС) - як мета розвитку техногенної цивілізації…………… 16
1.1.2. FN – напрям технічного розвитку телекомунікацій 19
1.2 Технологія LTE…………………………… 26
1.2.1. Шляхи розвитку технології LTE.. 26
1.2.2. Мережева архітектура SAE……………… 35
1.3. Принципи побудови систем OFDM………… 37
1.3.1. Технологія OFDM………………………………... 37
1.3.2. Формування OFDM-радіосигналу…………… 41
1.3.3. Захисний часовий інтервал і циклічне продовження. 45
1.3.4. Зменшення позасмугових випромінювань……. 47
Висновки ……………………..……… 48
РОЗДІЛ 2 ІДЕНТИФІКАЦІЯ І КОРОТКОСТРОКОВИЙ ПРОГНОЗ НА ОСНОВІ САМООРГАНІЗАЦІЇ МОДЕЛЕЙ………..…. 51
Постановка задачі 51
2.1. Особливості самоорганізуючих систем…………………. 52
2.1.1. Самоорганізація моделей складних об'єктів….... 52
2.1.2. Обґрунтування доцільності застосування нефізичних моделей за допомогою аналогії з каналом зв'язку………………… 57
2.1.3. Методика одержання вихідних даних за допомогою об'єднання декількох об'єктів у однорідні класи… 58
2.1.4. Визначення оптимального числа чинників…. 61
2.2 Самоорганізація статичних моделей………………… 61
2.3 Метод структурної самоідентифікації ….………… 65
2.4 Системи із змінними коефіцієнтами……………......... 66
2.5 Самоорганізація динамічних моделей із зосередженими параметрами.................................................. 72
2.5.1. Моделі об'єктів динамічних систем………..……. 72
2.5.2. Самоорганізація моделей у вигляді поліномів Колмогорова-Габора………………………….. 74
2.5.3. Самоорганізація різницевих рівнянь…….…......... 75
2.6. Різні підходи до побудови моделей………………...... 76
2.7. Самоорганізація моделі оптимальної складності у вигляді одного рівняння……………..………............. 77
2.8. Самоорганізація моделі оптимальної складності у вигляді системи рівнянь об’єктивного системного аналізу ……………......................…………….. 78
Висновки ……………………………………… 83
РОЗДІЛ 3 ПРИЙОМ СКЛАДОВИХ СИГНАЛІВ У БАГАТОПРОМЕНЕВИХ КАНАЛАХ ЗВ'ЯЗКУ………..... 86
Постановка задачі………………………………….... 86
3.1. Поділ променів при різних методах прийому…….. 87
3.2. Поділ променів при когерентному прийомі………… 88
3.3. Поділ променів при некогерентному прийомі з когерентним накопиченням………………………... 94
3.4. Прийом складових сигналів в багатопроменевому каналі зв'язку………………………………............... 101
3.4.1. Когерентний прийом в цілому…………………. 102
3.4.2. Некогерентний прийом з когерентним складанням променів і елементів………………. 107
3.4.3. Некогерентний прийом з когерентним складанням елементів і некогерентним складанням променів… 110
3.4.4. Некогерентний прийом з некогерентним складанням і променів, і елементів……………. 118
3.5. Автокореляційний прийом………………….…… 123
3.6 Класифікаційна схема методів прийому складених сигналів в багатопроменевому каналі зв'язку 124
Висновки……………………………………………. 126
РОЗДІЛ 4 ДОСЛІДЖЕННЯ ЗАВАДОСТІЙКОСТІ ШИРОКОСМУГОВИХ СИСТЕМ ЗВ'ЯЗКУ………………..... 130
Постановка задачі……………………………………… 130
4.1. Завадостійкість широкосмугових систем зв'язку при флуктуаційній заваді………………………………… 131
4.1.1. Когерентний прийом в цілому і некогерентний прийом в цілому з когерентним накопиченням…. 131
4.2. Некогерентний прийому в цілому з некогерентним накопиченням (двійкові системи)……………….. 133
4.3. Некогерентне приймання з некогерентним накопиченням (багатопозиційні системи)…………... 142
4.4. Автокореляційні методи приймання складених сигналів……………………………………………… 144
Висновки ……………………….………………………… 154
ВИСНОВКИ....................................................................................................... 155
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 158
ДОДАТОК А: Акти впровадження 173

ВСТУП

Актуальність теми. Одним із головних сучасних пріоритетів України є формування та розвиток національного сегмента інформаційного суспільства і входження нашої країни до світової інформаційної спільноти.
Процеси інформатизації, формування та забезпечення життєдіяльності інформаційного суспільства ґрунтуються на загальному для всіх країн технологічному фундаменті, яким є інформаційно-комунікаційна інфраструктура.
Невід'ємною частиною цього глобального ринку є створення, обробка та передача інформації. Перехід від різнорідних телекомунікаційних мереж до мереж наступного NGN (Next Generation Network) та майбутнього FN (Future Networks) поколінь – мультисервісних мереж є реальністю. В таких мережах надаються послуги: передавання голосу (мови), даних і відео, в них здійснюється конвергенція мобільних та фіксованих мереж. Для досягнення високого рівня доступності до інформаційних ресурсів, реалізації вимог ринку інфокомунікаційних послуг потрібна така розвинена система, яка забезпечила б ефективне використання телекомунікаційних комплексів і нових інформаційних технологій. Змінюються не тільки технологічні принципи передавання і комутації. Досить істотні зміни відбуваються на ринку інфокомунікаційних послуг, у системі технічної експлуатації.
Розвиток інформаційних мереж вимагає наявності надійних швидкісних систем передачі даних. Високошвидкісні цифрові системи передачі інформації, які порівняно давно й успішно функціонують у світі, активно впроваджуються в Україні. Необхідність реалізації FN дає можливість надати вільний доступ користувачам до інформаційно-комунікаційних ресурсів та інтелектуального надбання людства в будь-якому географічному місці, гарантованої якості, прийнятної вартості, в будь-який час на базі нових та інноваційних технологій.
Сучасні конвергентні мережі є надскладною інфраструктурою, конче потребують нових методів дослідження. Необхідно розвивати загальну теорію оптимальних методів обробки та передачі інформації, розробляти нові принципи побудови пристроїв для оптимального управління, методи побудови мереж, систем, що мають здатність до самопристосування, самонавчання та самоорганізації. Серед напрямків розвитку науки та техніки особливе значення мають інноваційні технології, які окреслюють напрями науково-технічного прогресу.
В останні десятиліття багато вчених займаються вирішенням цих досить складних проблем. Аналіз науково-технічної літератури показує, що проблемам дослідження побудови ефективних систем передачі, розвитку теорії оптимізації та теорії інформації присвячена велика кількість наукових робіт вітчизняних та закордонних вчених таких, як Афанасьєв В.В., Лазарєв В.Г., Гуткин Л.С., Бертсекас Д., Нейман В.І., Нетес В.А., Поспєлов Г.С., Зайцев Г.Ф., Стеклов В.К., Беркман Л.Н., Окунєв Ю.Б., Балашов В.О., Красовський А.А., Фельдбаум А.А., Новосьолов А.І., Фінк та інших.
Разом з тим слід зазначити, що в умовах розмаїття інфокомунікаційних та інформаційних технологій, їх швидкого прогресу і конвергенції, спектру типів та розгалуженості мереж зв’язку, зростаючого попиту споживачів на нові послуги та підвищення вимог до надійності та якості їх надання, конкуренції на ринку телекомунікацій тощо, виникають усе нові й нові завдання.
Нарощування обсягів надання інфокомунікаційних послуг може негативно позначитися на показниках якості обслуговування викликів базових послуг існуючих мереж зв'язку. Все це змушує враховувати наявність інфокомунікаційних послуг при плануванні способів розвитку традиційних мереж зв'язку в напрямку створення мультисервісних мереж, які базуються на максимальному використанні уже побудованої цифрової інфраструктури. Мультисервісна мережа наступного та майбутнього поколінь – тема, якою зайняті в усьому світі фахівці в області телекомунікацій. Звичайний телефонний зв'язок, стільниковий зв'язок, величезні ресурси мережі Інтернет, IP-телефонія, кабельне телебачення (домашнє відео за замовленням) – все це повинно бути об'єднане в єдину архітектуру. На початковому етапі розвитку мультисервісна мережа представляє інтеграцію мережі з комутацією каналів і мережі з комутацією пакетів. На сьогодні лідером вважають IP-технології. З врахуванням того, що в мультисервісних мережах нового покоління буде передаватися і оброблятися трафік різних видів (трафік реального часу, трафік даних, відеоінформація). Можна виділити три напрямки розробок: нові телекомунікаційні послуги з універсальним доступом із ТфЗК/ISDN і IP-мереж; нові підходи до проблеми якості обслуговування; проблема сигналізації й керування в мультисервісної мережі. Перспектива становлення цифрових мереж як реальна альтернатива існуючим каналам зв'язку в області глобальних телекомунікацій є реальністю.
Обмежені можливості традиційних мереж не відповідають вимогам сьогодення, є стримуючим чинником на шляху впровадження інноваційних інфокомунікаційних послуг. Зокрема, систем доступу на базі LTE, актуальної технології OFDM та її різноманітних модифікацій, що є відмінним рішенням для архітектур сучасних мереж, які працюють в умовах мегаполісу. На сьогодні ще недостатньо досліджено сигнали широкосмугових систем зв'язку, що мають практичний зміст і враховують багатоваріантний розвиток засобів та сучасних технологій.
Важливим завданням є оптимізація параметрів мережі FN і, отже, визначення найкращих параметрів за вибраним вектором критеріїв. При дослідженні мережі FN доцільно використовувати методи самоорганізації, котрі, як відомо, дають змогу здійснювати системний аналіз та ідентифікацію складних об’єктів, сприяючи отриманню точних довгострокових прогнозів щодо розвитку тих параметрів мережі FN, які відповідають необхідному спектру послуг. Теорія самоорганізації моделей направлена на раціоналізацію вибору в такій мірі, аби він став однозначним і реально здійсненним.
Тому тема дисертаційної роботи, яка присвячена дослідженню методів самоорганізації, які дають змогу здійснювати точні довгострокові прогнози щодо розвитку мережі FN та вирішенню задач з підвищення завадостійкості передачі інформації систем доступу на базі LTE, є надзвичайно актуальною. Ці нагальні проблеми досліджуються для найбільш ефективної їх реалізації на мережах зв’язку України.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрям досліджень відповідає тематиці науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного інституту зв’язку, що проводилися протягом 2008-2014 рр., а саме: “Розробка рекомендацій з питань конвергенції рухомого та фіксованого зв’язку (FМС)”, (ДР № 0113U005218).
Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування в навчальному процесі Державного університету телекомунікацій.
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розв’язання комплексу науково-технічних питань, пов’язаних з дослідженням методів самоорганізації, які дають змогу здійснювати точні довгострокові прогнози щодо розвитку мережі FN та вирішення задач з підвищення завадостійкості передачі інформації.
Об’єкт дослідження – процес визначення параметрів мережі майбутнього FN.
Предмет дослідження – мережа майбутнього FN.
Для досягнення мети вирішуються такі наукові задачі:
- аналіз основних завдань щодо еволюційного переходу перспективної мережі наступного покоління до телекомунікаційної мережі майбутнього;
- дослідження технології OFDM та її різноманітних модифікацій як однієї з платформ, яка дозволяє впроваджувати технологію LTE в системи доступу;
- аналіз та порівняння механізмів самоорганізації та самоідентифікації мереж FN;
- розробка методики самоорганізації моделі математичного моделювання відповідних мережних процесів на базі динамічних систем, яка найбільш адекватна і дає змогу визначити основні параметри мережі із забезпеченням потрібних параметрів і показників якості функціонування зазначених мереж;
- дослідження самоорганізації моделі оптимальної складності за допомогою алгоритму об’єктивного системного аналізу (ОСА) з метою вирішення ідентифікації фізичної моделі, придатної для короткострокового прогнозу і прогнозуючих нефізичних моделей для довгострокового прогнозу;
- синтез алгоритмів оптимальної обробки складених сигналів широкосмугових систем зв'язку та надання пропозицій щодо їх використання;
- дослідження оптимальних взаємокореляційних та автокореляційних методів прийому складених сигналів в багатопроменевому каналі зв'язку, здійснення рекомендацій щодо впровадження, представлення їх класифікаційної схеми;
- синтез алгоритмів завадостійкості за допомогою взаємокореляційних та автокореляційних методів прийому сигналів.
Методи досліджень. Для досягнення поставлених у дисертаційній роботі задач використано: методи теорії інформації, методи теорії інваріантності, методи системного аналізу, елементи методів теорії ієрархічних багаторівневих систем, методи оптимального управління, методи імітаційного моделювання.
Вірогідність наукових результатів, висновків та рекомендацій, викладених у дисертаційній роботі, обґрунтовано результатами експериментальних досліджень, коректним використанням математичного апарату та моделюванням на ЕОМ.
Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи рекомендовані до впровадження в наукових розробках систем управління сучасними телекомунікаційними мережами Державного підприємства (ДП) “Український науково-дослідний інститут зв’язку”.
Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі Державного університету телекомунікацій, що підтверджуються актами впровадження, наведеними в додатку до дисертаційної роботи.
Наукова новизна одержаних результатів роботи полягає у наступному:
- вперше запропоновано методику самоорганізації моделі математичного моделювання відповідних мережних процесів на базі динамічних систем, яка найбільш адекватна і дає змогу визначити основні параметри мережі із забезпеченням потрібних параметрів і показників якості функціонування зазначених мереж;
- досліджено самоорганізацію моделі за допомогою алгоритму об’єктивного системного аналізу ОСА з метою вирішення: ідентифікації фізичної моделі, придатної для короткострокового прогнозу і нефізичних моделей для довгострокового прогнозу;
- набув подальшого розвитку метод структурної самоідентифікації – визначення моделі структури мережі та її параметрів;
- проведено синтез алгоритмів оптимальної обробки складених сигналів широкосмугових систем зв'язку та надано пропозиції щодо їх використання;
- досліджено взаємокореляційні та автокореляційні оптимальні методи прийому складених сигналів в багатопроменевому каналі зв'язку, здійснено рекомендації щодо їх впровадження, запропоновано їх класифікаційну схему,
- синтез алгоритмів завадостійкості за допомогою взаємокореляційних та автокореляційних методів прийому сигналів.
Особистий внесок здобувача. В дисертації узагальнено результати досліджень, виконаних автором самостійно та у співавторстві. Особисто автором здійснено розробку загальної концепції дисертації та вибір об’єктів, визначено мету роботи, обрано та обґрунтовано методи досліджень, постановка задач на різних етапах виконання роботи, аналіз та інтерпретацію одержаних результатів. Наукові положення, що виносяться на захист, висновки і рекомендації дисертації належать автору. В наукових публікаціях у співавторстві здобувачу належить: [1, 4] – дослідження методів оптимального проектування мережі FN та пропозиції шляхів розвитку; [2, 6, 7, 8] – дослідження методів ефективності надійності систем зв'язку; [3, 11] – застосування основних положень теорії самоорганізації; аналіз нефізичних прогнозуючих моделей при передаванні інформації каналами зв'язку; [5] – проведення структурного синтезу моделі контрольованого об'єкта за допомогою декомпозиції моделі; [9] – дослідження функцій мережного рівня системи управління; [10, 12] – дослідження інноваційних технологій.
Основна частина отриманих в дисертації результатів доповідалась автором особисто на міжнародних науково-технічних конференціях.
Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу і наукових співробітників Державного університету телекомунікацій, ДП Українського науково-дослідного інституту зв'язку 2011-2014 рр.; на Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні інформаційно-комунікаційні технології COMІNFO – Livadia”, 2011-2013 рр.; на Міжнародних науково-технічних симпозіумах “Нові технології в телекомунікація”, Вишків, 2011-2013 рр.
Публікації. На тему дисертаційної роботи опубліковано 12 наукових праць, в тому числі 6 статей (з них 1 одноосібно) у фахових науково-технічних журналах, у співавторстві: 6 матеріалів доповідей у збірниках наукових праць на науково-технічних конференціях, симпозіумах.

Список літератури

ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень сформульованих та обґрунтованих в дисертаційній роботі складає вирішення науково-технічного завдання з дослідження методів самоорганізації, які дають змогу здійснювати точні довгострокові прогнози щодо розвитку мережі FN та вирішенню задач з підвищення завадостійкості передачі інформації.
У дисертаційній роботі отримано такі теоретичні та науково-практичні результати:
1. Проведено аналіз основних завдань щодо еволюційного переходу до перспективних телекомунікаційних мереж наступного NGN та майбутнього FN поколінь. FN надаватиме єдину, але широко відому послугу під назвою “зв'язок”.
2. Проаналізовано шляхи розвитку актуальної технології LTE, яка базується на основних технологіях: мультиплексування за допомогою ортогональних OFDM носівних, що транслюються за допомогою багатопроменевих систем MIMO, та на еволюційній системній архітектурі мережі SAE.
3. Досліджено актуальну для сьогодення технологію OFDM і її різноманітні модифікації як одну з платформ, яка дозволяє впроваджувати технології LTE в системи доступу, що важливо для практичного застосування. Визначено властивості, які є відмінним рішенням для архітектур сучасних мереж в умовах мегаполіса.
4. Досліджено використання методів самоорганізації, які дають змогу здійснювати системний аналіз та ідентифікацію складних об’єктів. Запропоновано застосування ітераційного Методу Групового Урахування Аргументів в телекомунікаціях, на основі якого одержано оптимальні альтернативні моделі, що дозволяють здійснити вибір за показниками найкращих систем управління.
5. Розроблено методику самоорганізації моделі математичного моделювання мережних процесів на базі динамічних систем, яка найбільш адекватна і дає змогу визначити основні параметри мережі із забезпеченням потрібних параметрів і показників якості функціонування цих мереж;
6. Досліджено самоорганізацію моделі оптимальної складності за допомогою алгоритму об’єктивного системного аналізу з метою вирішення: ідентифікації фізичної моделі, придатної для короткострокового прогнозу і нефізичних моделей для довгострокового прогнозу. Алгоритм ОСА дозволяє найбільш ефективним способом вибрати малу за об'ємом з множини характеристичних змінних, результати цього вибору не суперечать результатам рангового кореляційного аналізу.
7. Набув подальшого розвитку метод структурної самоідентифікації – визначення структури моделі мережі та її параметрів. Згідно з цим синтез моделі передбачає три етапи: визначення структури (необхідно вибрати оптимальну кількість алгебраїчних рівнянь щодо реалізації вхідних змінних і змінних стану, які в загальному випадку зашумлені); оцінення параметрів (для вибраної системи рівнянь слід визначити вхідні змінні стану мережі і оцінити коефіцієнти кожного стану); адаптування параметрів (якщо є змога, то для одержаної моделі мережі значення параметрів, визначені на етапі їх оцінювання, уточнюються за допомогою відповідних методів адаптації).
8. Проведено синтез алгоритмів оптимальної обробки складених сигналів широкосмугових систем зв'язку та надано пропозиції щодо їх використання.
9. Досліджено оптимальні взаємокореляційні та автокореляційні методи прийому складених сигналів у багатопроменевому каналі зв'язку, здійснено рекомендації щодо їх впровадження.
10. Запропоновано класифікаційну схему взаємодії методів прийому складених сигналів, що утворюються як комбінації відповідних методів прийому сигналів в цілому по відношенню до променів і по відношенню до елементів складеного сигналу.
11. Здійснено синтез алгоритмів завадостійкості за допомогою взаємокореляційних (когерентний прийом в цілому й некогерентний прийом з когерентним накопиченням) та автокореляційних (некогерентний прийом з некогерентним накопиченням та автокореляційний прийом) методів підходу до прийому сигналів. Визначено, що завадостійкість взаємокореляційних методів прийому не залежить від бази і смуги частоти сигналу, а завадостійкість автокореляційних методів залежить від числа елементів складеного сигналу N і у разі однакової енергії нижче в сигналі з більшою базою (більшим числом елементів).
Представлені дослідження, розроблені методики охоплюють новітні технологічні рішення, дозволяють здійснювати точні довгострокові прогнози щодо розвитку мережі FN з визначеною вірогідністю та цифрову передачу інформації якісними каналами зв’язку і доцільні для найбільш ефективної реалізації їх в телекомунікаційних мережах України.