СПОСОБ СТРУКТУРНОЙ АДАПТАЦИИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С УЧЕТОМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ
METHOD FOR STRUCTURAL ADAPTATION OF COMMUNICATION SYSTEM TAKING INTO ACCOUNT INFORMATION LOSSES

Изобретение относится к электросвязи, в частности к способам структурной адаптации системы связи на основе оценки эффективности информационного обмена (информационной эффективности) приращениями обобщенного показателя. Под структурной адаптацией системы связи с учетом потерь информационных пакетов (информационных потерь) будем понимать способность системы приспосабливаться к изменяющимся условиям функционирования (изменениям входного трафика) путем последовательных переходов с основной на резервную структуру и обратно, которые обеспечивают поддержание эффективности информационного обмена системы связи не ниже порогового значения обобщенного показателя с допустимым уровнем информационных потерь. Оно может быть использовано при создании новых и совершенствовании существующих автоматизированных систем управления, сетей связи с коммутацией сообщений, сетей связи с коммутацией пакетов, в том числе с быстрой коммутацией пакетов.
Известен способ обеспечения устойчивого функционирования системы связи [патент RU №2405184, G06F 17/50, G05B23, 27.11.2010, Бюл. №33], который позволяет добиться повышения устойчивости системы связи при воздействии деструктивных воздействий на ее структурные элементы за счет упреждающей реконфигурации, решение на которую принимают в соответствии с критерием , где D - достоверность вскрытия структуры системы связи,  - ее пороговый уровень. Недостатками данного способа являются: не учитывает изменение интенсивности входного трафика в процессе функционирования системы связи, не обеспечивает увеличение интервала эффективной работы системы связи по входному трафику и поддержание требуемой эффективности информационного обмена.
Существует также способ структурной адаптации системы связи на основе показателя - риск средних материальных потерь пользователя  [Головин О.В., Простое СП. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. М.: Изд-во Горячая линия - Телеком, 2006. - С. 206-214], который применяется при условии сильного физического воздействия на систему связи, определяемого изменением вероятности  обеспечения надежной передачи информации между корреспондентами по k-тому каналу связи. Недостатками данного способа являются: не определяет точное условие и границу перехода с основной на резервную структуру системы связи, не обеспечивает увеличение интервала эффективной работы системы связи по входному трафику и поддержание требуемой эффективности информационного обмена в соответствии с заданным критерием по  Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ структурной адаптации системы связи [патент RU №2713329, H04L 29/00, 05.02.2020, Бюл. №4], который обеспечивает поддержание требуемой эффективности информационного обмена системы связи в соответствии с заданным пороговым значением КПД передачи информации  в расширенном интервале изменения входного трафика (в полосе пропускания)  за счет определения границы структурной адаптации системы связи и условия перехода с основной на резервную структуру и обратно. Недостатком данного способа является невозможность реализации структурной адаптации системы связи в условиях изменения входного трафика с допустимым уровнем потерь информационных пакетов (информационных потерь).
Техническим результатом предлагаемого способа является поддержание требуемой эффективности информационного обмена системы связи в соответствии с заданным пороговым значением КПД передачи информации в расширенной полосе пропускания и обеспечение допустимых информационных потерь в системе за счет определения показателя - тангенс угла полосовой эффективности, а также новых граничных значений входного трафика и условия перехода с основной на резервную структуру и обратно.
Указанный технический результат достигается тем, что для основной структуры системы связи в интервале ее эффективной работы с учетом допустимых информационных потерь , ограниченном слева пороговым значением КПД передачи информации системы связи  - границей полосы пропускания , а справа пороговым значением тангенса угла полосовой эффективности системы связи  - границей структурной адаптации (смены структур) системы связи с учетом допустимых информационных потерь , выбирают резервную структуру, удовлетворяющую условиям перекрытия интервалов эффективной работы с основной структурой с учетом допустимых информационных потерь, после чего через заданный промежуток времени  измеряют значения входного трафика и при превышении , работают на резервной структуре системы, в противном случае - на основной структуре, при этом для резервной структуры системы связи также определяют пороговое значение тангенса угла полосовой эффективности системы связи , по которому измеряют значение входного трафика  - верхнюю границу полосы пропускания системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь
Сущность изобретения заключается в том, что путем измерений в блоках: устройств ввода информации, запоминающих устройств, устройств передачи информации, устройств вывода информации находят интервал эффективной работы системы связи на основной структуре с учетом допустимых информационных потерь , для чего через заданный промежуток времени  измеряют текущие значения входного трафика , определяют текущие значения КПД передачи информации  и тангенса угла полосовой эффективности  для основной структуры системы связи, после чего проверяют выполнение неравенства
где  - значение тангенса угла полосовой эффективности на предыдущем интервале времени , если неравенство (1) выполняется, то описанные выше измерения и вычисления повторяют, а работу системы связи продолжают на основной структуре, иначе определяют пороговое значение тангенса угла полосовой эффективности
где  - пороговое значение приращения КПД передачи информации с учетом появления в системе связи информационных потерь,  - пороговое значение приращения входного трафика для основной структуры системы связи; при этом осуществляют проверку условия
если условие (3) выполняется, то измерения и вычисления  продолжают через , а система по-прежнему функционирует на основной структуре, в противном случае, измеряют и запоминают значение входного трафика , которое является границей структурной адаптации системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь; после чего проверяют выполнение условия
если условие (4) не выполняется, то осуществляют выбор новой резервной структуры системы связи и повторяют проверку условия (4), иначе проверяют выполнение условия
если условие (5) не выполняется, то осуществляют выбор новой резервной структуры системы связи и последовательно повторяют проверку условий (4) и (5), а при выполнении неравенства (5) осуществляют измерения текущих значений входного трафика и если
то продолжают работу на основной структуре системы связи, иначе переходят на резервную структуру, для которой, аналогично выражению (2) определяют значение  и контролируют: текущие значения входного трафика (6) и тангенса угла полосовой эффективности  с проверкой условий аналогичных (1) и (3) для резервной структуры; если условие аналогичное (3) для резервной структуры не выполняется, то измеряют и запоминают значение входного трафика , которое является верхней границей полосы пропускания системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь; в дальнейшем на интервале  через , продолжают измерения только значений входного трафика с проверкой условия (6), при выполнении которого система связи работает на основной структуре, в противном случае - на резервной структуре.
Сущность изобретения поясняется следующим. Проведение последовательных измерений текущих значений входного трафика, КПД передачи информации и тангенса угла полосовой эффективности основной и резервной структур при изменении входного трафика в интервале эффективной работы системы связи [Межуев А.М., Пасечников И.И., Коренной А.В. Анализ функции эффективности информационной сети и алгоритм оценки режимов информационного обмена на основе производных обобщенного показателя // Электромапштные волны и электронные системы. - М.: №5, 2017, С. 12-22] обеспечивает расширение диапазона входного трафика (полосы пропускания), в котором система связи функционирует с требуемой эффективностью информационного обмена при допустимом уровне информационных потерь за счет определения границы структурной адаптации системы связи  и, правила перехода с основной на резервную структуру и обратно в виде условия (6). При этом для определения  (2) и аналогично  использованы пороговые значения: приращений входного трафика для основной  и резервной  структур системы связи, где  и  - число каналов связи в основной и резервной структурах системы связи, соответственно,  - минимальное приращение интенсивности входного трафика в каждом канале связи равное величине 1 пакет/с, выбранное согласно известному способу оценки эффективности системы связи [патент RU 2685030, МПК H04L 29/00, 16.04.2019. Бюл. №11]; приращение КПД передачи информации с учетом допустимых информационных потерь в системе связи , определенное на основе моделирования и оценки эффективности информационного обмена систем связи с заданными структурами [Межуев A.M., Коренной А.В., Стуров Д.Л. Структурная адаптация телекоммуникационных систем с обеспечением допустимых информационных потерь // Радиотехника. - М.: том 84, №3(5), 2020, С.29-39] с учетом требований по потерям информационных пакетов, определенных в рекомендациях Международного союза электросвязи [ITU-T Recommendation Y. 1541 Network Performance Objectives for IP-Based Services // May 2002; ITU-T Recommendation E.802 Overall network operation, telephone service, service operation and human factors // February 2007]. В результате слева полоса пропускания системы связи ограничивается в соответствии с заданным пороговым значением КПД передачи информации значением входного трафика , полученным для основной структуры, а справа - , которое определяется путем проверки неравенства аналогичного (3) для текущих значений тангенса угла полосовой эффективности  на резервной структуре системы связи. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
При описании системы связи, под которой понимается многоканальная система связи или сеть связи, используется понятие объекта связи 1 (фигура 1), состоящего из основных блоков:
2 - блок устройств ввода информации в систему связи (БУВИ);
3 - блок запоминающих устройств (БЗУ);
4 - блок устройств передачи информации (БУПИ);
5 - блок устройств вывода информации из системы связи (БУВВИ). Кроме того, структурная схема реализации предлагаемого способа
включает в себя блоки:
6 - измерителя-вычислителя КПД передачи информации и интервала эффективной работы основной структуры системы связи (БИКОС);
7 - измерителя-вычислителя КПД передачи информации и интервала эффективной работы резервной структуры системы связи (БИКРС);
8 - блок измерения входного трафика (БИВТ);
9 - блок определения тангенса угла полосовой эффективности основной структуры системы связи (БОТОС);
10 - блок запоминающего устройства (БЗУ 1);
11 - блок сравнения (БС1);
12 - блок определения порогового значения тангенса угла полосовой эффективности основной структуры системы связи (БОПЗТОС);
13 - блок сравнения (БС2);
14 - блок запоминающего устройства (БЗУ2);
15 - блок сравнения (БСЗ);
16 - блок задержки (БЗ);
17 - блок сравнения (БС4);
18 - блок определения тангенса угла полосовой эффективности резервной структуры системы связи (БОТРС);
19 - блок запоминающего устройства (БЗУЗ);
20 - блок сравнения (БС5);
21 - блок определения порогового значения тангенса угла полосовой эффективности резервной структуры системы связи (БОПЗТРС);
22 - блок сравнения (БС6);
23 - блок сравнения (БС7).
Способ структурной адаптации системы связи с учетом информационных потерь, может быть осуществлен следующим образом (фигура 1). Нахождение текущих значений КПД передачи информации системы связи основной  и резервной  структур через заданный интервал времени измерений , определяемый условиями информационного обмена в системе связи [Пасечников И.И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей: Монография. - М.: Машиностроение-1, 2004. - С. 136-141], а также их интервалов эффективной работы  и , соответственно, производят по известному способу [патент RU №2571917, H04 L29/00, 27.12.15 Бюл. №36] в блоках 6 (БИКОС) и 7 (БИКРС). Измерение текущих значений входного трафика  через  осуществляют в блоке 8 (БИВТ) (из блока 2 системы связи), выполненном, например, в виде счетчика одиночных элементарных посылок в единицу времени.
Далее с использованием текущих значений КПД передачи информации основной структуры системы связи  и входного трафика , поступающих с выхода 1 блока 6 на вход 1 блока 9 (БОТОС) и с выхода 2 блока 8 на вход 2 блока 9, определяют текущее значение тангенса угла полосовой эффективности основной структуры системы связи по известному способу [патент RU 2685030, МПК H04L 29/00, 16.04.2019. Бюл. №11].
Полученное значение  с выхода блока 9 подают на вход блока 10 (БЗУ1), выполненного, например, в виде запоминающего устройства, и запоминают его. Далее через заданный промежуток времени измерений  (аналогично описанному выше), с использованием блоков 6, 8, 9 определяют следующее текущее значение тангенса угла полосовой эффективности для основной структуры системы связи , которое также подают на вход блока 10 (БЗУ1). При поступлении в блок 10 следующего текущего значения  его запоминают и выдают на выход 2 блока 10, а предыдущее значение тангенса угла полосовой эффективности  выдают на выход 1 блока 10. С выходов 1 и 2 блока 10, соответственно, значения  и  поступают на входы 1 и 2 блока 11 (БС1), где, например, с использованием схемы сравнения, проверяют выполнение неравенства (1) . В случае выполнения неравенства на выход 1 блока 11 (являющийся Вых. 1 структурной схемы осуществления способа) выдают сигнал продолжения работы системы связи на основной структуре, а также измерений и вычислений в блоках 6,8-11, как было описано выше. Если условие в блоке 11 не выполняется, с выхода 2 блока 11 подают сигнал на вход 2 блока 13 (БС2). Одновременно с этим в блоке 12 (БОПЗТОС), согласно выражению (2), с использованием порогового приращения КПД передачи информации  и информации о числе каналов связи основной структуры , поступающей из блока 4 (БУЛИ) системы связи определяют пороговое значение тангенса угла полосовой эффективности для основной структуры системы связи , которое подают на вход 1 блока 13. В блоке 13, например, с использованием схемы сравнения, проверяют выполнение неравенства (3) . В случае выполнения неравенства на выход 1 блока 13 (являющийся Вых. 2 структурной схемы осуществления способа) выдают сигнал продолжения работы системы связи на основной структуре, а также измерений и вычислений в блоках 6, 8-11, как было описано выше. Если условие в блоке 13 не выполняется, с выхода 2 блока 13 подают сигнал на вход А2 шины Ш1, далее с выхода В2 шины Ш1 на упр. вх.1 блока 14 (БЗУ2) для записи текущего значения , поступающего с выхода 1 блока 8 (БИВТ) на вход блока 14, как значения входного трафика , которое является границей структурной адаптации системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь.
Далее с выходов 2 блоков 6 и 7, соответственно, подают значения  и  на входы 1 и 2 блока 15 (БСЗ), где, например, с использованием схемы сравнения, проверяют условие (4)  соответствия резервной структуры системы связи основной структуре по входному трафику (фигура 2). В случае, если условие в блоке 15 не выполняется, с выхода 2 блока 15 на выход схемы (являющийся Вых. 3 структурной схемы осуществления способа) выдают сигнал несоответствия резервной структуры основной структуре системы связи по полосе пропускания, при котором осуществляют замену резервной структуры. Одновременно данный сигнал подают на вход А0 шины Ш1, далее с выхода В0 шины Ш1 на управляющие входы 1 (упр. вх. 1) блоков 6, 7 и 8 для прекращения измерений текущих значений ,  в блоках 6, 7 и  в блоке 8, соответственно, а также в блок задержки 16 (БЗ). По прибытию сигнала в блок 16, выполненный, например, в виде линии задержки, его задерживают на интервал времени  реконфигурации структуры системы связи, за который в системе связи осуществляют выбор новой резервной структуры [Корсунский А.С., Ерышов В.Г. Защита инфокоммуникационных систем в условиях информационного противоборства / Автоматизация процессов управления: научно-технический журнал - Ульяновск: ФНПЦ АО «Марс», №4 (26), 2011. - С. 82-85, патент RU №2405184, G06F 17/50, G05B 23, 27.11.2010 Бюл. №33]. Далее с выхода блока 16 сигнал подают на вход А1 шины Ш1, далее с выхода В1 шины Ш1 на упр. вх. 2 блоков 6, 7 и 8 для возобновления измерений текущих значений ,  в блоках 6, 7 и  в блоке 8, соответственно, через заданный интервал времени измерений
При выполнении условия в блоке 15, с выхода 1 подают управляющий сигнал на упр. вх.2 блока 14, после чего записанное значение  с выхода 1 блока 14 одновременно направляют: на вход 1 блока 17 (БС4) и на вход 1 блока 23 (БС7). В блоке 17, например, с использованием схемы сравнения, проверяют выполнение условия (5) соответствия резервной структуры системы связи основной структуре с учетом допустимых информационных потерь (фигура 2), сравнивая  со значением , поступающим на вход 2 блока 17 с выхода 2 блока 7. Если условие (5) не выполняется, то выдают сигнал на выход 2 блока 17 и на выход схемы (Вых. 3 структурной схемы осуществления способа) сигнал несоответствия резервной структуры основной структуре системы связи по полосе пропускания с учетом информационных потерь, при котором осуществляют замену резервной структуры. Аналогично описанному выше, одновременно данный сигнал подают на вход АО шины ЦП, далее с выхода ВО шины Ш1 на упр. вх. 1 блоков 6, 7 и 8 для прекращения измерений текущих значений  в блоках 6, 7 и  в блоке 8, соответственно, а также в блок 16, где после его задержки на интервал времени реконфигурации структуры системы связи , формируют сигнал (через вход А1 и выход В1 шины Ш1 на упр. вх. 2 блоков 6, 7 и 8) на возобновление измерений текущих значений  в блоках 6, 7 и 8, соответственно.
Если условие (5) в блоке 17 выполняется, то выдают сигнал на выход 1 блока 17 (являющийся Вых. 4 структурной схемы осуществления способа) соответствия резервной структуры системы связи основной структуре системы связи по полосе пропускания с учетом информационных потерь. После чего прекращают измерения и вычисления в блоках 6, 9-13 для основной структуры системы связи.
При этом блоке 23 (БС7), например, с использованием схемы сравнения, проверяют выполнение неравенства (6)  путем сравнения значения границы структурной адаптации системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь , поступающего на вход 1 блока 23 с выхода 1 блока 14, с текущим значением входного трафика системы связи , направляемым на вход 2 блока 23 с выхода 1 блока 8.
Если условие (6) в блоке 23 выполняется, то на выход 1 блока 23 (являющийся Вых. 5 структурной схемы осуществления способа) выдают сигнал продолжения работы на основной структуре системы связи (с работой только блоков 8, 14 и 23 по измерению текущих значений входного трафика и границы структурной адаптации системы связи ).
При невыполнении неравенства (6) в блоке 23 выдают сигнал на выход 2 блока 23 (являющийся Вых. 6 структурной схемы осуществления способа) и производят «прямой» переход на резервную структуру системы связи. При этом аналогично представленному выше для основной структуры системы связи осуществляют определение параметров информационного обмена на резервной структуре: в блоке 7 определяют текущие значения КПД передачи информации  и интервал эффективной работы резервной структуры системы связи ; в блоке 8 контролируют текущие значения входного трафика системы связи ; в блоке 18 (БОТРС) определяют текущие значения тангенса угла полосовой эффективности резервной структуры системы связи  (по значениям поступающим на входы 1 и 2 из блоков 7 и 8, соответственно); в блоке 19 (БЗУЗ), например, с помощью запоминающего устройства, записывают текущие значения тангенса угла полосовой эффективности резервной структуры и подают  (с выхода 1) и  (с выхода 2) на входы 1 и 2 блока 20 (БС5), соответственно; в блоке 20, выполненном, например, с помощью схемы сравнения, сравнивают данные значения и при выполнении условия аналогичного (1) выдают сигнал на выход 1 (являющийся Вых. 7 структурной схемы осуществления способа) для продолжения работы на резервной структуре системы связи, в противном случае, с выхода 2 блока 20 подают сигнал на вход 2 блока 22 (БС6); в блоке 22, например, с использованием схемы сравнения, проверяют выполнение условия аналогичного (3) для резервной структуры системы связи, сравнивая  с пороговым значением , определяемым в блоке 21 (БОПЗТРС) (по описанной выше методике с использованием  и информации о числе каналов связи резервной структуры , поступающей из блока 4 системы связи) и в случае выполнения неравенства  на выход 1 блока 22 (являющийся Вых. 8 структурной схемы осуществления способа) выдают сигнал продолжения работы системы связи на резервной структуре, а также измерений и вычислений в блоках 7, 18-22, как было описано выше, а если условие в блоке 22 не выполняется, с выхода 2 блока 22 подают сигнал на вход A3 шины Ш1, далее с выхода В2 шины Ш1 на упр. вх.1 блока 14 для записи текущего значения , поступающего с выхода 1 блока 8 (БИВТ) как значения входного трафика , которое является границей полосы пропускания системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь, записанное значение  одновременно выдают на выход 2 блока 14 (являющийся Вых. 9 структурной схемы осуществления способа).
После чего прекращают измерения и вычисления в блоках 7, 18-22, обеспечивая измерения через  только значений входного трафика (блок 8) с проверкой условия (6)  в полосе пропускания системы связи с учетом допустимых информационных потерь  с помощью блока 23 (фигура 2). В случае выполнения условия (6) в блоке 23, осуществляют «обратный» переход с резервной на основную структуру системы связи, выдают сигнал на его выход 1 (являющийся Вых. 5 структурной схемы осуществления способа) и работают на основной структуре системы связи. В дальнейшем при невыполнении неравенства (6) производят «прямой» переход с основной на резервную структуру системы связи выдают сигнал на выход 2 блока 23, (являющийся Вых. 6 структурной схемы осуществления способа) и работают на резервной структуре системы связи. Подобный цикл измерений и вычислений в блоках 8 и 23 повторяют в течение всего последующего функционирования системы связи, обеспечивая тем самым структурную адаптацию системы связи с учетом допустимых информационных потерь. Таким образом, способ структурной адаптации системы связи с учетом информационных потерь реализован в полном объеме.
Все представленные выше операции для осуществления способа, могут быть реализованы, например, с использованием быстродействующих микроконтроллеров [Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. - С.-Пб.: Наука и Техника, 2008. - 544 с.].
Отличие предложенного способа от прототипа состоит в том, что он обеспечивает поддержание заданной эффективности информационного обмена системы связи при изменении входного трафика за счет расширения интервала эффективной работы (полосы пропускания) системы связи, образующегося «слиянием» интервалов эффективной работы системы связи основной  и резервной  структур с учетом обеспечения допустимого уровня информационных потерь (фигура 2, жирная пунктирная линия огибающей графиков). При этом определяется: конкретное значение входного трафика, при котором осуществляется смена основной и резервной структур системы связи, - граница структурной адаптации; условие перехода с основной на резервную структуру и обратно, а также граница полосы пропускания системы связи с учетом обеспечения допустимых информационных потерь [Межуев A.M., Коренной А.В., Стуров Д.Л. Метод структурной адаптации телекоммуникационных систем с обеспечением допустимых информационных потерь. - М.: Радиотехника, том 84, №3(5), 2020. - С. 29-39].
Доказательством технической реализуемости способа структурной адаптации системы связи с учетом информационных потерь, является то, что для его осуществления требуются стандартные элементы микроэлектроники, существующие средства измерительной и вычислительной техники, например, такие как: шина данных, счетчики, запоминающие устройства, вычитающие устройства, схемы сравнения, линия задержки, а также программное обеспечение, основой которого являются элементарные математические операции.