АЛГОРИТМ ВЫБОРА МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ УЗЛОВ ИНФОКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ, ОСНОВАННЫЙ НА ПРИМЕНЕНИИ ОБОБЩЕННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ КАЧЕСТВА
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
3.
Астраханский государственный технический университет
4.
Астраханский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 71
по 78
Статус:
Опубликован
Получено:
05.04.2015
Одобрено:
25.04.2015
Опубликовано:
25.04.2015
Классификаторы:
ВАК 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 338.45
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
ВАК 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
ВАК 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
ВАК 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
ВАК 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ВАК 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
УДК 338.45
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 28.01 Общие вопросы кибернетики
ГРНТИ 49.01 Общие вопросы связи
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 82.01 Общие вопросы организации и управления
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
алгоритм, инфокоммуникации, система, структура, синтез, многофакторность, граф, узел связи, передача информации
Аннотация (русский):
Разработана математическая модель для выбора расположения узлов инфокоммуникационной сети (ИКС) с учетом условий региона. Отмечено, что во многих моделях, основанных на теории графов, в явном виде не представлена информация о причинах расположения узлов в определенном месте. В процессе создания структуры ИКС проектировщик использует свой практический опыт и базу знаний о строительстве сетей связи. Однако проектировщик не всегда может учесть влияние межструктурных взаимосвязей различных систем региона на ИКС. Результаты многофакторного социально-экономического анализа региона позволили формализовать задачу построения структуры современной ИКС с учетом влияния социальных и экономических факторов. Показано, что сложность перехода от функционального описания модели к получению аналитических зависимостей связана с необходимостью перехода к единой системе оценки параметров, имеющих разную размерность. В рамках разрабатываемой графовой модели предложен переход к единой системе оценки различных параметров, описывающих как саму ИКС, так и регион ее внедрения, что позволяет перейти от реальных характеристик к обобщенному показателю качества функционирования элементов системы. Разработан алгоритм работы модели, заключающийся в выборе расположения узлов ИКС с учетом условий региона. Показана возможность применения предложенного расчета обобщенного показателя качества не только в процессе проектирования ИКС, но и при создании и исследовании других систем с сетевой структурой, которые в процессе работы находятся во взаимодействии с региональными, социальными и экономическими системами.
Разработана математическая модель для выбора расположения узлов инфокоммуникационной сети (ИКС) с учетом условий региона. Отмечено, что во многих моделях, основанных на теории графов, в явном виде не представлена информация о причинах расположения узлов в определенном месте. В процессе создания структуры ИКС проектировщик использует свой практический опыт и базу знаний о строительстве сетей связи. Однако проектировщик не всегда может учесть влияние межструктурных взаимосвязей различных систем региона на ИКС. Результаты многофакторного социально-экономического анализа региона позволили формализовать задачу построения структуры современной ИКС с учетом влияния социальных и экономических факторов. Показано, что сложность перехода от функционального описания модели к получению аналитических зависимостей связана с необходимостью перехода к единой системе оценки параметров, имеющих разную размерность. В рамках разрабатываемой графовой модели предложен переход к единой системе оценки различных параметров, описывающих как саму ИКС, так и регион ее внедрения, что позволяет перейти от реальных характеристик к обобщенному показателю качества функционирования элементов системы. Разработан алгоритм работы модели, заключающийся в выборе расположения узлов ИКС с учетом условий региона. Показана возможность применения предложенного расчета обобщенного показателя качества не только в процессе проектирования ИКС, но и при создании и исследовании других систем с сетевой структурой, которые в процессе работы находятся во взаимодействии с региональными, социальными и экономическими системами.
Ключевые слова:
алгоритм, инфокоммуникации, система, структура, синтез, многофакторность, граф, узел связи, передача информации
алгоритм, инфокоммуникации, система, структура, синтез, многофакторность, граф, узел связи, передача информации
Введение Современные системы инфокоммуникации имеют сложную структуру. Сложность структуры заключается в наличии большого количества разнородных элементов в виде провайдерского и абонентского оборудования. С учетом большой разнородности используемого в инфокоммуникационных сетях оборудования необходимо правильно оценивать начальные условия в процессе проектирования (или) модернизации структуры сети в заданном регионе. Спецификой современного рынка телекоммуникаций является неравномерность внедрения технологий в различных странах и регионах, при этом пользователю необходимо предоставлять определенный перечень современных информационных услуг. Уровень развития инфокоммуникационной системы (ИКС) зависит от многих факторов: социальных, экономических, политических, климатических и других особенностей региона. В свою очередь развитие многих социальных, экономических, политических региональных систем тесно связано с уровнем проникновения информационных технологий. Следовательно, в процессе разработки проектов по созданию или модернизации ИКС необходимо учитывать не только технические параметры оборудования, но и принимать во внимание межструктурные взаимосвязи различных систем региона. Разработана математическая модель для выбора расположения узлов ИКС [1-3]. Она позволяет с достаточной степенью точности описать широкий класс систем. Совместное использование математической модели системы с современной вычислительной техникой и средствами обработки информации позволяет всесторонне исследовать взаимодействие системы с внешней средой [3]. Для исследования и описания ИКС широкое распространение получили методы теории графов [4]. На основе теории графов созданы топологические модели различных проводных и беспроводных сетей, систем спутниковой связи, самоорганизующихся сетей ad hoc и сенсорных сетей [5-7]. Исследование графовых моделей ИКС показало, что топологическая структура воспринимается как совокупность технических характеристик узлов и каналов связи. Отмечено, что во многих моделях, основанных на теории графов, в явном виде не представлена информация о причинах расположения узлов в определенном месте. Опыт строительства ИКС и исследования в области выбора наиболее оптимального (по заданным критериям) места расположения оборудования оператора связи [2, 8] показали, что начальные условия, которыми руководствуются проектировщики во время определения точек установки оборудования, играют важную роль в процессе дальнейшей эксплуатации топологической структуры телекоммуникационной сети. Очевидно, что необходимо и в дальнейшем развивать направление исследований, связанное с построением графовых моделей сетевых топологических структур ИКС. В первую очередь следует расширять возможности графовых моделей в области формализации межструктурных взаимосвязей различных систем региона для выявления мест наиболее целесообразного расположения телекоммуникационного оборудования. Цель исследования - расширить функциональные возможности графовых моделей по формированию топологических структур инфокоммуникационных сетей с учетом региональных особенностей. Исследование моделей сетевых топологических структур и формализация задачи разработки алгоритма выбора расположения узлов инфокоммуникационной сети с учетом условий региона В основу топологических моделей систем связи заложена теория графов. Согласно теории графов, система связи представлена в виде графа , где - множество вершин графа, а E - множество ребер графа. Применительно к инфокоммуникационным сетям вершины графа - это телекоммуникационное оборудование в узлах связи, а ребра - каналы передачи информации. Вершинам и ребрам графа соответствует определенный вес - величина, характеризующая параметры оборудования, расположенного в узлах связи, или свойства среды распространения в каналах передачи информации. С учетом параметров узлов и каналов связи рассчитываются матрицы, описывающие состояние топологии инфокоммуникационной сети. Примерами подобных матриц являются матрицы инцидентности, весов каналов связи между вершинами и др. На основании полученных матриц при помощи алгоритмов поиска кратчайших маршрутов, маршрутов максимальной пропускной способности, выбора центральной вершины и т. д. формируются руководства по управлению структурой инфокоммуникационной сети. Например, рассчитывается таблица оптимальных по критерию пропускной способности маршрутов передачи информации между заданными парами узлов сети [7]. С учетом проектирования ИКС, специфики работ узлов и свойств среды распространения сигнала разработаны различные классы графовых моделей, такие как модели дискретного времени [6], которые используются для описания систем космической связи, или модели, основанные на теории случайных графов [5], которые применяются для описания топологических изменений структур ad hoc и сенсорных сетей. Вопросами формирования топологической структуры ИКС занимается лицо, принимающее решение (ЛПР), т. е. проектировщик, инженер или специалист в области установки и наладки оборудования. В процессе формирования топологии сети ИКС проектировщик использует свой практический опыт и базу знаний в виде готовых программных средств, методик и рекомендаций по проектированию, монтажу и последующей эксплуатации структурного элемента системы. После завершения работы над проектом структуры ИКС выносится решение, которое оптимально по определенным критериям, установленным техническим заданием на проектирование, или критериям, выбранным на усмотрение ЛПР, в соответствии с определенными нормативными требованиями. Однако особенности региона, его социальный и экономический климат в явном виде достаточно слабо формализуются как в техническом задании, так и в процессе начальных предпроектных работ. Одной из наиболее успешных попыток формализовать процесс формирования топологической структуры ИКС является постановка задачи на проектирование компьютерной сети, приведенная в [9]. Данная задача сводится к выбору топологической структуры минимальной стоимости, которая отвечает установленным нормам качества и относится к числу технически реализуемых решений, а также включает учет характеристик технической (аппаратной) и логической (протокольной) структур сети, при этом социально-экономические особенности среды, где будет развертываться система, в явном виде не учитываются. В ходе исследований [2], направленных на проведение социально-экономического анализа потенциального места развертывания современной ИКС, для более полного учета внешних факторов, влияющих на развитие телекоммуникационной сети, было решено модернизировать задачу проектирования компьютерной сети, представленной в [9], к следующему виду: (1) (2) (3) где U - характеристики трафика в ИКС; Ω - параметры аппаратной части структуры ИКС; Y - характеристики логической (протокольной) составляющей, используемой для управления аппаратной части; E - параметр, учитывающий свойства системы энергообеспечения региона; T - параметр, характеризующий доступность транспортных средств в точке установки телекоммуникационного оборудования; D - дополнительные затраты для компенсации и (или) устранения влияния деструктивных факторов. К числу деструктивных факторов относят климатические и социальные особенности региона в плане политической стабильности и наличия фактов вандализма в регионе. В целом функционалы (1)-(3) аналогичны функционалам постановки задач проектирования компьютерной сети [9] и отличаются лишь тем, что учитывают большее количество начальных факторов. Функционал (1) - требует поиска структуры инфокоммуникационной сети минимальной стоимости и формализует общую задачу проектирования. Функционал (2) - устанавливает ограничения на соответствие структуры множеству установленных норм и показывает необходимость требований, которым должна отвечать структура. Функционал (3) - определяет условия достаточной принадлежности проектируемой структуры к множеству технически реализуемых структур с тем, чтобы система использовалась на практике. Несмотря на более полный учет условий в функционалах (1)-(3), экономический фактор в них учитывается только со стороны затрат, при этом объемы потенциальной прибыли от реализации проекта формально не упоминаются, а, как известно, именно инвестиционная привлекательность проекта играет ключевую роль в выделении средств на его реализацию. Кроме того, в функционалах (1)-(3) указано фактически только направление, по которому должно двигаться ЛПР, при этом конкретных рекомендаций по разработке новой или модернизации существующей структуры ИКС в явном виде данные функционалы не обеспечивают. Следовательно, необходимо дальнейшее развитие формального аппарата, расширяющего возможности топологических графовых моделей в области проектирования и исследования инфокоммуникационных сетей. Новые топологические модели должны учитывать не только технические, но и другие факторы межструктурного взаимодействия с различными системами региона. Разработка алгоритма, расширяющего возможности графовых моделей в области выбора расположения узлов инфокоммуникационных сетей с учетом условий региона По результатам анализа методов формального описания топологии систем телекоммуникаций при помощи теории графов, многофакторного исследования потенциальной зоны развертывания современной инфокоммуникационной сети [2] и постановки задачи проектирования новой сетевой топологической структуры с учетом особенностей региона предлагается провести модернизацию графовой модели. В модернизируемой графовой модели вес вершин и ребер графа целесообразно представить в виде комплексного параметра, учитывающего, помимо технических характеристик сети телекоммуникаций, еще и факторы, связанные с социальными, экономическими, политическими и климатическими особенностями региона. Таким образом, граф сети можно описать в виде , где Vm, Em - вершины и ребра графа, вес которых оценивается при помощи комплексной характеристики. Данный вес описывает не только параметры аппаратной части телекоммуникационной системы, но и место расположения оборудования в регионе, где происходит создание или модернизация ИКС. Параметры , удобно представить в виде некоторого множества характеристик: (4) (5) где на начальном этапе формирования модели значения переменных аналогичны значению переменных в функционалах (1)-(3), но в процессе развития модели данный набор может расширяться и изменяться в зависимости от региональных особенностей и целей создания ИКС. Результатом работы данной модели (аналогии с другими моделями, основанным на теории графов) является матрица, при помощи которой описывается состояние топологии сети. При помощи полученной матрицы формируется база данных, содержащая рекомендации по поддержке принятия решений в процессе строительства и управлению в ходе эксплуатации сети. Например, при помощи данной матрицы определяются места рекомендованной установки элементов подсистемы доступа, управления и транспортной сети региональной телекоммуникационной инфраструктуры. Аналитически вес вершин и ребер графа при помощи функционалов (4, 5) определяется как сумма веса параметров, характеризующих данную вершину. С позиции перехода от функционального описания модели к определению аналитических зависимостей данная задача вызывает наибольшую сложность в формировании модели, т. к. связана с необходимостью перехода к единой системе оценки как качественных, так и количественных характеристик как самой ИКС, так и территории развертывания системы в регионе. Более того, дополнительную сложность создают различные единицы измерений, которые описывают количественные характеристики сети в регионе. В рамках разрабатываемой графовой модели переход к единой системе оценки различных параметров ИКС предлагается осуществить при помощи перехода от реальных (физических или экономических) характеристик к обобщенному показателю качества функционирования элементов системы. Данный переход на начальном этапе развития модели предлагается проводить при помощи следующей последовательности операций. 1. Определяется множество характеристик узлов или ребер , которые описывают качество работы проектируемых элементов системы (срок окупаемости, быстродействие, отказоустойчивость, готовность и др.). 2. При помощи балльной системы оценивается, насколько качественно обеспечивается поддержание данных характеристик в системе. Это численные значения и , соответственно. 3. Определяется условный эталонный элемент топологической структуры, т. е. элемент, представляющий хорошо проверенное в эксплуатации оборудование. С ним сопоставляется аналогичное по перечню множество характеристик узлов или ребер , описывающих качество его работы. 4. При помощи балльной системы оценивается, насколько качественно характеристики выдаются эталонной системой. Это численные значения и , соответственно. 5. Определяются уровни значимости (удельное значение) характеристик для узлов и ребер в эффективности работы структурного элемента. 6. Определяется показатель качества работы структурного элемента для вершины и ребер графа ИКС, соответственно: , (6) (7) Подобные показатели эффективности рассчитываются для каждого из возможных вариантов мест установки узла или организации канала связи. Побеждает то решение, которое набрало максимальный балл. 7. Определяется вес ребра или вершины. В зависимости от критериев оптимальности выбора места расположения узла сети или построения маршрута передачи информации вес ребра или вершины определяется как и , или как и . Например, выбор может быть связан с особенностью работы алгоритмов определения кратчайшего маршрута, где лучшим считается минимальный вес, или особенностью алгоритма определения маршрута с максимальной пропускной способностью, где лучшим считается максимальный вес. Для удобства дальнейшего использования последовательности всех операций и функционалов (1)-(3) разработан алгоритм работы модели, заключающийся в выборе расположения узлов ИКС с учетом условий региона. Блок-схема алгоритма приведена на рисунке. Алгоритм работы модели для выбора расположения узлов ИКС с учетом условий региона На начальном этапе работы модели операции 1-5 должны осуществляться усилиями группы экспертов. В состав группы экспертов должны входить специалисты в области проектирования, экономики и менеджмента систем телекоммуникаций, специалисты в области обеспечения безопасности и управления экономикой региона. Усилия специалистов должны быть направлены на формирование базы знаний модели. В процессе развития модели база знаний используется для оценки характеристик мест расположения структурных элементов ИКС, а работа экспертов при необходимости направляется на уточнение базы знаний и корректировки исходной модели в случае необходимости повышения адекватности результатов. Подводя итог, можно установить, что показатели качества работы структурного элемента и при наличии достаточного количества параметров описывают место расположения оборудования не только с позиции его технических характеристик, но и позволяют, при достаточной полноте набора параметров, изучить результат системных взаимосвязей социальных, экономических, а также технических систем региона. Показана возможность применения предложенного расчета обобщенного показателя качества не только в процессе проектирования ИКС, но и при создании и исследовании других систем с сетевой структурой, которые в процессе работы находятся во взаимодействии с социальными и экономическими системами региона. Примерами подобных систем являются сетевые магазины, места парковки автомобилей, организации по предоставлению бытовых и других видов услуг населению. Для подобных систем отличия в моделях по определению расположения элементов сетевой топологической структурой заключаются в различии компонентов множества характеристик узлов и ребер графа, выбора условного эталонного элемента, и оценки уровня влияния определенных характеристик на качество работы системы. Для формирования различных моделей по определению расположения элементов системы с сетевой топологической структурой потребуется привлечение различных групп экспертов. Заключение Проведенный анализ моделей топологических структур ИКС показал, что большая их часть ориентирована на исследование сформировавшихся топологических структур и на описание результатов их взаимодействия с внешней средой в виде изменения весов вершин и ребер графа ИКС. Отмечено, что в подобных моделях основанных на теории графов, в явном виде не представлена информация о причинах расположения узлов в определенном месте. В результате решением задачи формирования топологии сети занимается проектировщик. Однако проектировщик не всегда может учесть влияние межструктурных взаимосвязей различных социальных и технических систем региона, влияющих на эффективность работы ИКС. Результаты многофакторного социально-экономического анализа региона позволили формализовать задачу построения структуры современной ИКС с учетом влияния социальных и экономических факторов. Показано, что сложность перехода от функционального описания модели к получению аналитических зависимостей связана с необходимостью перехода к единой системе оценки параметров, имеющих разную размерность. В рамках разрабатываемого алгоритма для выбора места расположения узлов и каналов связи в структуре инфокоммуникационной сети предложен переход к единой системе оценки различных параметров, описывающих как саму систему передачи информации, так и регион ее внедрения, что позволяет перейти от реальных характеристик к обобщенному показателю качества функционирования элемента системы. Показана возможность использования предложенного расчета обобщенного показателя качества не только в процессе проектирования сетей инфокоммуникаций, но и при создании и исследовании других систем с сетевой структурой, которые в процессе работы находятся во взаимодействии с региональными социальными и экономическими системами. Таким образом, разработанный алгоритм открывает возможности более полного исследования взаимного влияния различных региональных систем, имеющих сетевую топологическую структуру.
1. Вишневский В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. Л. Портной, И. В. Шахнович. М.: Техносфера, 2005. 592 с.
2. Дмитриев В. Н. Многофакторный анализ социально-экономического состояния Республики Чад для создания современной инфокоммуникационной инфраструктуры / В. Н. Дмитриев, Юсуф Ахмат, А. А. Сорокин.// Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2015. № 1. С. 56-65.
3. Антонов А. В. Системный анализ / А. В. Антонов. М.: Высш. шк., 2004. 454 с.
4. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах / Э. Майника. М.: Мир, 1981. 324 с.
5. Ramin Hekmat. Ad-hoc networks: Fundamental properties and network topologies: Technology, The Netherlands and Rhyzen Information and Consulting Services. Netherlands, 2006. 256 p.
6. Werner M. A dynamic routing concept for ATM-based satellite personal communication networks / A. Werner//IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1997. No. 15 (8). P. 1636-1648.
7. Комашинский В. И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информацией / В. И. Комашинский, А. В. Максимов // Основы моделирования. М.: Горячая линия-Телеком, 2007. 176 с.
8. Капембе Д. К. Состояние и развитие телекоммуникаций в Замбии с учетом диверсификации экономики / Д. К. Капембе, В. Н. Дмитриев // Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики. Ростов н/Д: ПЦ «Университет» СКФ МТУСИ, 2011. C. 266-270.
9. Вишневский В. М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей / В. М. Вишневский. М.: Техносфера, 2003. 512 с.
