Стерін Вячеслав Леонідович. Динамічні моделі та метод структурного і функціонального синтезу телекомунікаційних систем

Короткий опис

Стерін Вячеслав Леонідович. Динамічні моделі та метод структурного і функціонального синтезу телекомунікаційних систем.- Дис. канд. техн. наук: 05.12.02, Харк. нац. ун-т радіоелектрон. - Х., 2014.- 145 с.

На правах рукописи
СТЕРИН ВЯЧЕСЛАВ ЛЕОНИДОВИЧ
УДК 621.391
ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОД СТРУКТУРНОГО И
ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СИНТЕЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ
СИСТЕМ
Специальность: 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети
ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ
КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Научный руководитель ЛЕМЕШКО Александр Витальевич, доктор технических наук, профессор
Харьков - 2013
СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ СТРУКТУРНО¬ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СИНТЕЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ 16
1.1. Анализ задач телекоммуникационных систем в современном информа¬ционном обществе 16
1.2. Обзор основных технологических концепций, касающихся структур¬но-функционального синтеза телекоммуникационных систем 22
1.3. Характеристика задач структурного и функционального синтеза теле¬коммуникационных систем и обзор методов их решения 29
1.4. Постановка научной задачи и формулировка частных задач исследова¬ния 35
1.5. Выводы по первому разделу 38
РАЗДЕЛ 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
СИНТЕЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 41
2.1. Графовая модель проектируемой телекоммуникационной систе¬мы 42
2.2. Динамическая модель синтеза топологии и выбора
пропускных способностей трактов передачи ТКС 44
2.3. Потоковые модели управления трафиком в ТКС 48
2.3.1. Модель маршрутизации с предвычислением путей 49
2.3.2. Модель одноадресной маршрутизации 50
2.3.3. Модели многоадресной и широковещательной
маршрутизации 51
2.3.4. Модель многопутевой маршрутизации с ограничением
интенсивности трафика на границе транспортной сети 54
2.4. Формулировка системы критериев оптимальности решений по струк¬турно-функциональному синтезу ТКС 55
2.5. Модель комплексного решения задач структурного и
функционального синтеза ТКС 62
2.6. Выводы по второму разделу 69
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СИНТЕЗА ВИРТУАЛЬНЫХ ЧАСТНЫХ СЕТЕЙ 72
3.1. Анализ вариантов построения виртуальных частных сетей 73
3.1.1. Особенности построения виртуальных частных сетей 73
3.1.2. Классификация виртуальных частных сетей 75
3.1.3. Анализ требований, выдвигаемых к виртуальным частным се-тям 81
3.2. Динамическая математическая модель структурно-функционального
синтеза виртуальных частных сетей 82
3.2.1. Структурное описание сети провайдера и виртуальных частных
сетей в виде графа 82
3.2.2. Функциональное описание процесса синтеза виртуальных част-ных сетей 86
3.3. Выводы по третьему разделу 94
РАЗДЕЛ 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА СТРУКТУРНОГО И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СИНТЕЗА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУЧЕННЫХ РЕШЕНИЙ 97 
4.1. Метод структурного и функционального синтеза телекоммуникацион¬
ных систем 97
4.2. Оценка эффективности предложенного метода структурно-функционального синтеза телекоммуникационных систем 109
4.2.1. Выбор показателей эффективности процесса структурно-функционального синтеза телекоммуникационных систем 109
4.2.2. Исследование предложенного метода структурно-
функционального синтеза телекоммуникационных систем 112
4.3. Разработка рекомендаций по практическому использованию предло¬женных моделей и метода структурно-функционального синтеза телекомму-
никационных систем 126
4.4. Выводы по четвертому разделу 128
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 130
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 133
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ВПС Выбор пропускных способностей
ВТ Выбор топологии
ГИИ Г лобальная информационная инфраструк-тура
ЛД Линия доступа
МСЭ Международный союз электросвязи
ОН Ограничение нагрузки
ПС Пропускная способность
РП Распределение потоков
СД Сеть доступа
СМО Система массового обслуживания
ССУ Система сетевого управления
ТКС Телекоммуникационная система
ТП Тракт передачи
ТТКС Транспортная телекоммуникационная сеть
ЭМВОС Эталонная модель взаимодействия откры-тых систем
ATM (Asynchronous Transfer Mode) Режим асинхронной передачи
CE (Customer Edge router) Приграничный клиентский маршрутизатор
DiffServ (Differentiated Services) Дифференцированные услуги

Согласованная выходная скорость
Протокол маршрутизации внутреннего шлюза
Интегрированные услуги Протокол сетевого уровня Internet Согласованная входная скорость Международный союз электросвязи
Приграничный маршрутизатор в MPLS- сети
Путь коммутации по меткам
Технология многопротокольной коммута¬ции по меткам
Сеть следующего поколения
Сетевая инженерия Планирование сети
Протокол маршрутизации по кратчайшему пути
Приграничные устройства сети сервис- провайдера
Протокол маршрутизации информации Протокол резервирования ресурсов 
Договор об уровне сервиса
Инжиниринг трафика Качество обслуживания Виртуальная частная сеть
Таблица маршрутизации и передачи паке¬тов в сети MPLS-VPN
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Современные мультисервисные телеком-муникационные системы (ТКС) являются важным системообразующим слагаемым глобальной информационной инфраструктуры (ГИИ) как национального, так и международного уровня [1 -3]. Именно на ТКС воз¬лагаются ключевые функции с точки зрения организации информацион¬ного взаимодействия между элементами ГИИ путем создания высоко¬скоростной транспортной среды. Постоянный рост требований к эффек¬тивности функционирования ТКС, что во многом сопровождается рас¬ширением возможностей по поддержке качества обслуживания (Qua lity of Service, QoS) [4-6], накладывает определенный отпечаток и на про¬цессы проектирования подобного рода систем. Именно на этапе проек¬тирования закладывается необходимый резерв сетевого ресурса, кото¬рый должен оптимально распределяться, а при необходимости и нара¬щиваться в процессе функционирования ТКС [7 -10].
Важно отметить, что процесс проектирования ТКС не должен рассматриваться как событие, связанное с синтезом сети исключительно «с нуля». Как правило, трактовка данного термина значительно шире и охватывает задачи перепланировки, реструктуризации существующих ТКС или создания виртуальный частных сетей в интересах отдельных фирм и компаний на базе существующей телекоммуникационной инфра-структуры того или иного оператора связи.
В общем случае при решении задач проектирования ТКС необхо-димо учитывать множество противоречивых по своему содержанию тре-бований: начиная от максимизации числа пользователей, охваченных услугами связи, поддержания заданного уровня качества обслуживания, и заканчивая минимизацией суммарной стоимости создаваемой системы. В связи с этим важно задействовать возможности системного подхода как на этапе формализации задач проектирования, так и при обеспече¬нии их эффективного решения. Нередко при решении задач проектиро¬вания ТКС на уровнях ее структурного и функционального синтеза не¬редко находили и находят свое применение эвристические подходы [11 - 13], основанные больше на инженерной интуиции, чем на теоретически обоснованных решениях, что в целом негативно сказывалось на эффек-тивности конечных проектных решений. Поэтому тема диссертационной работы, которая связана с решением научно-прикладной задачи по раз-работке динамических математических моделей и метода структурного и функционального синтеза телекоммуникационных систем, является ак-туальной.
Связь работы с научными программами, планами и темами.
Диссертационная работа непосредственно связана с реализацией основ-ных положений «Концепции национальной информационной политики», «Концепции конвергенции телефонных сетей и сетей с пакетной комму-тацией в Украине» и «Основных принципов развития информационного общества в Украине на 2007-2015 годы». Результаты диссертационной работы использованы в ходе выполнения научно-исследовательской ра-боты № 235-1 «Методы проектирования телекоммуникационных сетей NGN и управления их ресурсами» (№ ДР 0109U000662), в которой автор выступал соисполнителем. Получен патент на полезную модель «Способ маршрутизации с балансировкой нагрузки в телекоммуникационных се-тях». Предложенные в работе модели и метод структурно - функционального синтеза ТКС использованы в учебном процессе ка-федры телекоммуникационных систем ХНУРЭ. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Цель работы: повышение эффективности процесса структурного и функционального синтеза телекоммуникационных систем.
В ходе решения поставленной научной задачи сформулированы и успешно решены частные задачи исследования:
- анализ известных математических моделей и методов структур-ного и функционального синтеза телекоммуникационных систем, срав-нение их преимуществ и недостатков;
- разработка системы динамических технико -экономических мо-делей структурного и функционального синтеза телекоммуникационных систем;
- разработка динамической математической модели структурно - функционального синтеза виртуальных частных сетей;
- совершенствование метода структурного и функционального синтеза телекоммуникационных систем;
- оценка эффективности процесса структурного и функциональ-ного синтеза ТКС, организованного в рамках предложенных моделей и метода;
- разработка рекомендаций по практическому использованию решений, предложенных в диссертации.
Объект исследования: процесс структурного и функционального синтеза телекоммуникационных систем.
Предмет исследования: динамические модели и метод структур-ного и функционального синтеза телекоммуникационных систем.
Методы исследования. В работе нашли свое применение целый ряд современных методов исследования. При разработке динамических моделей структурного и функционального синтеза ТКС был использован аппарат теории множеств, теории дифференциально-разностных уравнений. При усовершенствовании метода структурно-функционального синтеза исполь¬зованы возможности теории оптимального управления и методов математи¬ческого (линейного, нелинейного, смешанного) программирования. Для оценки эффективности полученных решений использовались методы тео¬рии телетрафика, модели систем массового обслуживания.
Научная новизна полученных результатов:
1. Впервые предложена система динамических технико - экономи-ческих моделей структурного и функционального синтеза телекоммуни-кационных систем (ТКС), новизна которых состоит в том, что для опи-сания процессов перераспределения капиталовложений на различных этапах проектирования ТКС и наращивания пропускных способностей трактов передачи использована система линейных разностных уравне¬ний, а для описания процессов маршрутизации и ограничения трафика на границе транспортной сети применена система линейных алгебраиче¬ских уравнений состояния. Использование модели позволило обеспечить более полный учет технико-экономических особенностей процессов структурного и функционального синтеза телекоммуникационных си¬стем.
2. Впервые предложена динамическая математическая модель структурно-функционального синтеза виртуальных частных сетей, новиз¬на которой заключается в том, что она представлена как системой ли¬нейных разностных уравнений для описания процесса перераспределе¬ния пропускных способностей трактов передачи сети сервис провайдера между различными виртуальными частными сетями, так и нелинейными алгебраическими уравнениями для описания процессов маршрутизации потоков и управления перегрузкой. Использование модели позволяет обеспечить более эффективное управление ресурсами сети провайдера при создании виртуальных частных сетей за счет более полного учета динамики процессов информационного обмена, протекающих в ней.
3. Усовершенствован метод структурного и функционального синте¬за телекоммуникационных систем, новизна которого заключается в том, что он учитывает многоэтапность процесса структурного и функционального синтеза ТКС, обеспечивая согласованное решение таких важных задач, как распределение капиталовложений между этапами проектирования, выбор топологии транспортной сети и пропускных способностей ее трактов пере¬дачи, распределение потоков на уровне транспортной сети (маршрутизация) и доступа, определение порядка подключения отдельных абонентов и сетей доступа к узлам транспортной сети. Использование предложенного метода позволяет обеспечить более эффективное использование имеющегося тех-нико-экономического ресурса при проектировании ТКС.
Научное значение результатов работы заключается в дальней¬шем развитии элементов теории, моделей и метода структурного и функционального синтеза ТКС. Использование разработанных моделей и метода позволило придать динамический характер и обеспечить боль¬шую согласованность в решении отдельных задач структурного и функ-ционального синтеза ТКС.
Практическая значимость результатов работы заключается в том, что предложенные модели и метод могут и должны быть положены в основу соответствующих систем автоматизированного проектирования телекоммуникационных систем и сетей. Реализация на практике полу-ченных решений позволяет, как показали результаты проведенных ис-следований, более эффективно использовать имеющийся финансовый и технологический ресурс при проектировании ТКС. По результатам дис-сертации получен патент на полезную модель. Результаты диссертаци-онных исследований реализованы в ходе выполнения научно - исследовательской работы № 235 -1 «Методы проектирования телеком-муникационных сетей NGN и управления их ресурсами» (№ ДР 0109U000662), в учебном процессе кафедры телекоммуникационных си-стем Харьковского национального университета радиоэлектроники в лекционном курсе «Методы проектирования телекоммуникационных си-стем и сетей», при обосновании проектных решений в ходе развития те-лекоммуникационной инфраструктуры АО «Киевстар».
Обоснованность и достоверность новых научных и практиче¬ских результатов, полученных в данной диссертационной работе, под-тверждалась корректным принятием гипотез, необходимых допущений и приближений; совпадением в частных случаях с известными ранее ре-зультатами; использованием положений хорошо апробированного мате-матического аппарата - теории телетрафика, теории дифференциально - разностных уравнений, теории оптимального управления и методов ма-тематического программирования, а также четкой физической интерпре-тацией результатов исследования, полученных в работе.
Личный вклад соискателя. Все научные результаты, представ-ленные в диссертационной работе, соискатель получил самостоятельно [14-20]. Кроме того, в работе [14] автором проведен обзор методов обес-печения качества обслуживания при проектировании и развертывании сетей мобильной связи четвертого поколения; в статье [15] соискателем впервые предложена динамическая математическая модель структурного и функционального синтеза ТКС; в статье [16] соискателем предложена динамическая модель структурно-функционального синтеза и оптимиза-ции ТКС, в рамках которой уже не требуется предварительное решение задачи распределения капиталовложений между этапами проектирова-ния, кроме того, модификация также коснулась пересмотра критерия оп-тимальности проектных решений; в работе [17] автором проанализиро-вана возможность и оценена эффективность использования модели ба-лансировки нагрузки по критерию минимальности длин очередей на маршрутизаторах в ходе решения задачи распределения потоков при проектирования ТКС; в публикации [18] автором осуществлено сравне-ние эффективности решений задач распределения потоков при их мно-гопутевой маршрутизации по различным критериям, связанных с длина-ми очередей на маршрутизаторах ТКС; в публикации [19] автором про-веден анализ динамической модели согласованного решения задач структурного и функционального синтеза транспортной телекоммуника-ционной сети.
Апробация основных положений диссертационной работы прово-дилась в ходе семи конференций [21 -27], а именно на УШ Международ-ной научно-технической конференции "Современные информационно - коммуникационные технологии" - COMINFO'2012 (2012 г., Крым-Ялта- Ливадия, Государственный университет информационно - коммуникационных технологий); ІХ научной конференции "Современ¬ные тенденции развития технологий в инфокоммуникациях и образова¬нии" (2012 г., Киев, ГУИКТ); 67-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспи-рантов и студентов (2012 г., Одесса, Одесская национальная академия связи им. А.С Попова); XIIth International Conference «THE EXPERIENCE OF DESIGNING AND APPLICATION OF CAD SYSTEMS IN MICROELECTRONICS» (2013 г., Поляна-Свалява-Львов, Националь¬ный университет «Львовская политехника»); II-ой Международной научно-технической и научно-методической конференции "Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании" (2013 г., Санкт - Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет теле-коммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича); 23-й Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2013, Севастополь, Севастопольский национальный техниче-ский университет); X Международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации - ПТСПИ'2013" (2013 г., Владимир, Владимирский государственный уни-верситет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 15 научных работ [14-28], из которых 7 статей в специа-лизированных научных изданиях Украины (5 статей) [14 -17, 20] и Рос-сийской Федерации (2 статьи) [18, 19]; 7 материалов конференций, из которых пять проходило в Украине [21 -24, 26], а две [25, 27] в Россий-ской Федерации. Два доклада представлены на конференциях, которые проходили под эгидой IEEE [24, 26], они выложены в базах IEEEXplore и Scopus. Получен патент на полезную модель [28].

Список літератури

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В диссертационной работе решена актуальная научно-прикладная задача, состоящая в разработке динамических математических моделей и метода структурного и функционального синтеза телекоммуникацион¬ных систем. По результатам решения поставленной научно-прикладной задачи можно сделать ряд важных выводов.
1. Показано, что необходимый запас сетевого ресурса ТКС заклады-вается именно на стадии ее проектирования, которое должно основываться на согласованном решении взаимодополняющих друг друга технико-экономических задач: распределения капиталовложений между этапами проектирования и отдельными создаваемыми трактами передачи, выбора топологии и пропускных способностей трактов передач, управления тра-фиком внутри и на границе транспортной сети, обеспечения QoS и др. Это¬го можно достичь только основываясь на использовании соответствующих математических моделей и методов, которые формализуют рассматривае¬мые задачи как с точки зрения их постановки, так и, что немаловажно, ва¬риантов предполагаемого решения.
2. Впервые предложена система динамических технико - экономи-ческих моделей структурного и функционального синтеза телекоммуни-кационных систем, новизна которых состоит в том, что для описания процессов перераспределения капиталовложений на различных этапах проектирования ТКС и наращивания пропускных способностей трактов передачи использована система линейных разностных уравнений, а для описания процессов маршрутизации и ограничения трафика на границе транспортной сети применена система линейных алгебраических урав¬нений состояния. Использование модели позволило обеспечить более полный учет технико-экономических особенностей процессов структур¬ного и функционального синтеза телекоммуникационных систем.
3. Впервые предложена динамическая математическая модель структурно-функционального синтеза виртуальных частных сетей, новиз¬на которой заключается в том, что она представлена как системой ли¬нейных разностных уравнений для описания процесса перераспределе¬ния пропускных способностей трактов передачи сети сервис провайдера между различными виртуальными частными сетями, так и нелинейными алгебраическими уравнениями для описания процессов маршрутизации потоков и управления перегрузкой. Использование модели позволяет обеспечить более эффективное управление ресурсами сети провайдера при создании виртуальных частных сетей за счет более полного учета динамики процессов информационного обмена, протекающих в ней.
4. Усовершенствован метод структурного и функционального синте¬за телекоммуникационных систем, новизна которого заключается в том, что он учитывает многоэтапность процесса структурного и функционального синтеза ТКС, обеспечивая согласованное решение таких важных задач, как распределение капиталовложений между этапами проектирования, выбор топологии транспортной сети и пропускных способностей ее трактов пере-дачи, распределение потоков на уровне транспортной сети (маршрутизация) и доступа, определение порядка подключения отдельных абонентов и сетей доступа к узлам транспортной сети. Использование предложенного метода позволяет обеспечить более эффективное использование имеющегося тех-нико-экономического ресурса при проектировании ТКС.
5. Результаты исследований показали, что использование предложен-ного метода позволяет обеспечить более эффективное использование име-ющегося технико-экономического ресурса при проектировании ТКС и син-тезе как одноранговых, так и оверлейных виртуальных частных сетей.
6. Диссертационная работа непосредственно связана с реализацией основных положений «Концепции национальной информационной по-литики», «Концепции конвергенции телефонных сетей и сетей с пакет¬ной коммутацией в Украине» и «Основных принципов развития инфор-мационного общества в Украине на 2007-2015 годы». Результаты дис-сертационной работы использованы в ходе выполнения научно-исследовательской работы: № 235-1 «Методы проектирования телеком-муникационных сетей NGN и управления их ресурсами» (№ ДР 0109U000662), в которой автор выступал соисполнителем. Получен па¬тент на полезную модель «Способ маршрутизации с балансировкой нагрузки в телекоммуникационных сетях». Предложенные в работе мо¬дели и метод структурно-функционального синтеза ТКС использованы в учебном процессе кафедры телекоммуникационных систем ХНУРЭ. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответ¬ствующими актами.
По результатам диссертационных исследований опубликовано 15 научных работ [14-28], из которых 7 статей в специализированных научных изданиях Украины (5 статей) [14 -17, 20] и Российской Федера¬ции (2 статьи) [18, 19]; 7 материалов конференций, из которых пять про¬ходило в Украине [21-24, 26], а две [25, 27] в Российской Федерации. Два доклада представлены на конференциях, которые проходили под эгидой IEEE [24, 26], они выложены в базах IEEEXplore и Scopus. Полу¬чен патент на полезную модель [28].