СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕТИ СВЯЗИ
METHOD OF SIMULATING COMMUNICATION NETWORK

Изобретение относится к области моделирования и может быть использовано при проектировании радиоэлектронных и технических систем для оценки эксплуатационных показателей.
Известен способ моделирования, реализованный в устройстве "Анализатор сетей связи" по патенту РФ №2311675, МПК G06F 11/25, G06F 15/173, опубл. 27.11.2007 г., бюл. №33. Способ заключается в моделировании различных типов отказов вершин (узлов связи) сети связи (СС) в процессе эксплуатации, возникающих вследствие внешних воздействий.
Недостатком данного способа является узкая область его применения, обусловленная тем, что в способе-аналоге моделирование возможно только в предположении, что абоненты СС постоянно подключены к конкретным узлам СС (УСС), в том числе и при перемещении этих УСС.
Известен также способ обеспечения устойчивого функционирования системы связи по патенту РФ №2405184, МПК G05B 23/00, G06F 17/50, опубл. 27.11.2010 г., бюл. №33, обеспечивающий повышение устойчивости СС при воздействии деструктивных воздействий на ее структурные элементы за счет упреждающей реконфигурации, решение на которую принимают на основе анализа и обработки характера деструктивных воздействий.
Способ включает сбор данных о деструктивных воздействиях на развернутой системе связи, формирование модели, моделирование процесса функционирования системы связи при воздействиях, упреждающую реконфигурацию функционирующей системы связи.
Недостатком данного способа является узкая область его применения, обусловленная тем, что в способе-аналоге моделирование возможно только в предположении, что абоненты системы связи постоянно подключены к конкретным узлам системы связи, в том числе и при реконфигурации функционирующей системы связи.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу является способ моделирования сетей связи, заключающийся в возможности имитации перемещения элементов и абонентов СС, моделирования особенностей физико-географических условий района, где функционирует СС и находятся абоненты СС, моделирования изменения топологии СС и изменения емкости каналов (линий) СС, по патенту РФ №2379750, МПК G06F 11/22, H04W 16/22, опубл. 20.01.2010 г., бюл. №2.
Ближайший аналог (прототип) включает в себя следующую последовательность действий:
задают исходные данные для моделирования, включающие код числа планируемых статистических экспериментов, параметры СС, законы распределения случайных величин для соответствующих параметров элементов СС, а также количество и уровни приоритетов обслуживания абонентов;
измеряют значения показателей функционирования реальной СС;
моделируют изменение топологии СС;
имитируют процесс функционирования моделируемой СС;
рассчитывают время своевременного обслуживания абонентов моделируемой СС;
измеряют значения времени своевременного обслуживания абонентов на реально функционирующей СС;
сравнивают значения реального времени своевременного обслуживания абонентов с требуемым значением, если значение реального времени своевременного обслуживания абонентов не превышает требуемого, то
продолжают имитировать процессы функционирования моделируемой СС и измерять время своевременного обслуживания абонентов на реальной СС, если значение реального времени своевременного обслуживания абонентов превышает требуемое, то
проверяют необходимость изменения структуры реальной СС, если изменения необходимы, то
изменяют параметры реальной СС, при этом
измеряют время изменения структуры реальной СС;
вычисляют разницу между реальным и имитируемым временем изменения СС;
сравнивают разницу между реальным и имитируемым временем изменения СС с требуемым значением, если разница не отклоняется от требуемого, то
продолжают моделировать СС и измерять время своевременного обслуживания абонентов на реальной СС, если разница превышает требования, то
корректируют условия имитации изменения структуры моделируемой СС, если изменения структуры реальной СС не нужны, то
проверяют необходимость введения резервных средств связи, если такая необходимость есть, то
на реальной СС вводят резервные средства связи и измеряют время их введения, одновременно с этим имитируют процесс введения резервных средств связи и рассчитываются время их введения на моделируемой СС;
вычисляют разницу между реальным и моделируемым значениями времени введения резервных средств связи;
сравнивают разницу между реальным и моделируемым значениями времени введения резервных средств связи с требуемым значением, если значения этой разницы превышают требования, то
корректируют условия имитации введения резервных средств связи на моделируемой СС, если необходимости введения резервных средств связи нет, то
проверяют необходимость проведения ремонта средств связи реально функционирующей СС, если ремонт необходим, то
проводят ремонт средств связи на реальной СС и имитируют этот процесс на моделируемой СС, при этом измеряют время проведения ремонта средств связи на реальной СС и рассчитывают время ремонта средств связи на моделируемой СС;
вычисляют разницу между реальным и имитируемым значениями времени ремонта средств связи;
сравнивают разницу между реальным и имитируемым значениями времени ремонта средств связи с требуемым значением, если разница превышает требуемое значение, то
корректируют условия имитации проведения ремонта средств связи на моделируемой СС, если необходимости в проведении ремонта средств связи нет, то
поставляют необходимые запасные средства связи для реальной СС и одновременно имитируют этот процесс;
вычисляют разницу реального и моделируемого времени поставки запасных средств связи;
сравнивают разницу реального и моделируемого времени поставки запасных средств связи с требуемым значением, если разница превышает требуемое значение, то
проводят корректировку условий имитации поставки запасных средств связи для моделируемой СС.
Однако недостатком способа-прототипа является узкая область его применения, обусловленная тем, что в способе-прототипе моделирование возможно только в предположении, что абоненты СС постоянно подключены к конкретным УСС, в том числе и при перемещении этих УСС.
Техническим результатом от использования заявленного способа является расширение области его применения за счет учета в процессе моделирования перемещения абонентов СС и вероятности смены УСС, обслуживающих этих абонентов.
пред
аб
l
аб
m
m
тек
тек
m
m
тек
m
m
тек
m
m
m
тек
пред
Технический результат достигается тем, что в известном способе моделирования сетей связи, заключающемся в том, что задают исходные данные для моделирования, включающие код числа планируемых статистических экспериментов, параметры СС: количество узлов сети связи (УСС), количество линий привязок, характеристики элементов СС, законы распределения случайных величин для соответствующих параметров элементов СС, предельное время моделирования t, формируют граф СС в k-м эксперименте, где k=1, 2, … K, а K - общее количество экспериментов, для чего задают начальную топологию и структуру СС, характеристики элементов СС, а также количество N абонентов СС, общее число уровней приоритетов обслуживания абонентов СС K, где l=1, 2, … L, a L>2 - общее число уровней приоритетов, уровни приоритетов обслуживания абонентов СС -  для каждого m-го абонента, где m=1, 2, … М, а М>2 - общее количество абонентов СС, и запоминают их, вычисляют маршруты прохождения информационного трафика и запоминают их, дополнительно, в качестве исходных данных задают максимальное допустимое число абонентов - , для n-го УСС, где n=1, 2, … N, а N>2 - общее количество УСС, интервал времени перемещения -  m-го абонента к n-му УСС,  - интервал времени стационарного состояния абонента (ССА) СС, причем количество УСС, количество линий привязок, характеристики элементов СС, , N, , ,  задают по случайному закону. Далее формируют одномерную матрицу подключения абонентов к УСС , а а∈(1…М), где m - количество абонентов, а - номер УСС, к которому подключен m-й абонент на текущий момент времени моделирования t, для вычисления маршрутов прохождения информационного трафика устанавливают в начальное состояние время моделирования t=0. Затем измеряют значение ячейки памяти, содержащей а - номер УСС, на котором находится абонент, если абонент принадлежит какому-либо УСС, то значение ячейки памяти содержит а - номер какого-либо УСС, при этом сравнивают значение текущего времени t с . В случае если, то генерируют  и записывают в а - ячейку A-матрицы значение «0», затем повторяют действия, имитирующие подключение m-го абонента к n-УСС для всех абонентов. В случае, если , то переходят к рассмотрению следующего абонента, если абонент не принадлежит к какому-либо УСС, то значение ячейки памяти содержит значение 0, при этом записывают в а-ячейку А-матрицы значение «0», сравнивают значение текущего времени t с заданным интервалом перемещения m-го абонента к n-му узлу . Если , то переходят к рассмотрению m+1-го абонента, если , то генерируют по случайному закону номер Q-узла, на который перемещают абонента. На следующем этапе оценивают возможность подключения m-го абонента к Q-УСС, для чего измеряют количество  абонентов, находящихся на Q-УСС и сравнивают его с максимально допустимым числом абонентов - , для Q-УСС. В случае если , то генерируют интервал времени ССА , записывают в соответствующую a - ячейку ранее сформированной A-матрицы номер Q-УСС, на котором находится абонент (а=Q), и переходят к рассмотрению следующего абонента. Если  то выбирают абонента с наименьшим уровнем приоритета , находящегося на Q-УСС, и сравнивают его с уровнем приоритета обслуживания абонента , подключающегося к Q-УСС. Если  то записывают в ячейку Q-УСС значение «0» для абонента, которого подключают к Q-УСС. Если данное условие не выполняется, то отключают абонента, имеющего наименьший уровень приоритета, от Q-УСС и записывают для него в соответствующую а-ячейку ранее сформированной А-матрицы значение «0». Затем, по случайному закону, задают m-му абоненту интервал времени перемещения -  к одному из возможных УСС и повторяют действия, имитирующие подключение m-го абонента к n-УСС для всех абонентов. После подключения всех М-абонентов к УСС формируют матрицу, описывающую связность СС. Далее определяют маршруты прохождения информационного трафика между абонентами СС на t и запоминают их. Затем изменяют топологию и структуру СС и повторяют действия по определению маршрута прохождения информационного трафика. По завершении предельного времени моделирования t вычисляют вероятность наличия маршрута в каждом информационном направлении за весь период моделирования. На следующем шаге повторяют действия по перечисленной совокупности действий для k+1-го эксперимента до К включительно. Общее количество экспериментов - K выбирают из условия К>2000. Для генерации параметров СС используют законы распределения случайных величин. Маршруты прохождения информационного трафика между абонентами СС определяют по алгоритму Дейкстры.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается учет в процессе моделирования перемещения абонентов СС и вероятности смены УСС, обслуживающих этих абонентов, тем самым достигается сформулированный технический результат.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - общий вид структуры СС и подключенных абонентов;
фиг.2 - матрица связности элементов СС (вариант);
фиг.3 - общий алгоритм формирования структуры СС и процесса распределения абонентов по УСС;
фиг.4 - A-матрица подключения абонентов к УСС (вариант);
фиг.5 - временная диаграмма перемещения абонентов в сети связи;
фиг.6 - вариант подключения m-го абонента к Q-УСС, в случае если ;
фиг.7 - вариант подключения m-го абонента к Q-УСС, в случае если ;
фиг.8 - вариант подключения m-го абонента к Q-УСС, в случае если ;
тек
фиг.9 - вариант вычисленного маршрута прохождения информационного трафика между абонентами СС на t;
фиг.10 - вариант новой топологии и структуры элементов СС.
1
7
Структура СС, показанная на фиг.1, включает УСС 1-1, линии связи 2 и подключенных абонентов 3.
Структура СС описывается матрицей связности элементов СС, представленной на фиг.2 [см., например, книгу Иванов Е.В. «Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации». СПб.: ВАС, 1992, c.111, табл.3.6].
пред
аб
l
Алгоритм формирования структуры СС и процесса распределения абонентов по УСС, представленный на фиг.3, заключается в том, что в блоке 1 осуществляется ввод основных исходных данных, которыми являются: код числа планируемых статистических экспериментов, параметры СС: количество УСС, количество линий привязок, характеристики элементов СС, законы распределения случайных величин для соответствующих параметров элементов СС, предельное время моделирования t, количество N абонентов СС, общее число уровней приоритетов обслуживания абонентов СС К, где l=1, 2, … L, a L>2 - общее число уровней приоритетов, уровни приоритетов обслуживания абонентов СС -  для каждого m-го абонента, где m=1, 2, … M, а М>2 - общее количество абонентов СС, максимальное допустимое число абонентов - , для n-го УСС, где n=1, 2, … N, а N>2 - общее количество УСС, интервал времени перемещения -  m-го абонента к n-му УСС,  - интервал времени стационарного состояния абонента (ССА) СС.
В блоке 2 устанавливают счетчик числа статистических К - экспериментов в единицу, где k=1, 2, … K.
Формируют граф СС в каждом эксперименте, при этом в блоке 3 по заданному случайному закону задают начальную топологию и структуру СС, в блоке 4 по заданному случайному закону задают характеристики элементов СС, в блоке 5 по заданному случайному закону задают количество абонентов СС и уровни приоритетов обслуживания каждого абонента СС, в блоке 6 обнуляют счетчик текущего времени.
Случайные законы могут быть заданы путем генерации последовательности случайных чисел. Методы генерации последовательности случайных чисел для блоков 3, 4, 5 по заданному закону распределения случайных величин описаны в [см., например, Дональд Кнут. Искусство программирования, том 2. Получисленные алгоритмы. - The Art of Computer Programming, vol.2. Seminumerical Algorithms. - 3-е изд. - M.: «Вильямс», 2007. - С.11-165].
Структура СС рассматривается как совокупность двухполюсных систем. Полюсами в двухполюсных системах являются узлы СС, которые представляют вершины графа [см., например, Иванов Е.В. Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. СПб.: ВАС, 1992].
аб
Для каждого эксперимента значения параметров СС, значения матрицы связности элементов СС, значения характеристик элементов СС, N, , ,  и  записывают в определенные для хранения данной информации ячейки памяти.
m
m
тек
Далее вычисляют маршруты прохождения информационного трафика, для чего формируют одномерную матрицу подключения абонентов к УСС , а a∈(1…М), где m - количество абонентов, а - номер УСС, к которому подключен m-й абонент на текущий момент времени моделирования t. Вариант одномерной A-матрицы подключения абонентов к УСС представлен на фиг.4.
m
тек
m
тек
В блоке 8 измеряют значение ячейки памяти, содержащей номер УСС, на котором находится абонент. Если абонент принадлежит какому-либо УСС, то значение ячейки памяти содержит а - номер какого-либо УСС, и управление передается в блок 18, где сравнивают значение текущего времени t с . Если , то в блоке 19 генерируют , в блоке 20 записывают в а-ячейку A-матрицы значение «0», затем повторяют действия, имитирующие подключение m-го абонента к n-УСС для всех абонентов, если , то переходят к рассмотрению следующего абонента. В случае если абонент не принадлежит к какому-либо УСС, то значение ячейки памяти содержит значение 0, при этом в блоке 9 сравнивают значение текущего времени t с заданным интервалом перемещения m-го абонента к n-му узлу . Если , то управление передается в блок 21, где переходят к рассмотрению m+1-го абонента, если , то в блоке 10 генерируют по случайному закону номер Q-узла, на который перемещают абонента.
Вариант временной диаграммы перемещения абонентов в СС представлен на фиг.5.
m
m
На следующем этапе оценивают возможность подключения m-го абонента к Q-УСС, для чего в блоке 11 измеряют количество  абонентов, находящихся на Q-УСС, в блоке 12 сравнивают его с максимально допустимым числом абонентов - , для Q-УСС. Если , то в блоке 13 генерируют интервал времени ССА , в блоке 14 записывают в соответствующую а-ячейку ранее сформированной А-матрицы номер Q-УСС, на котором находится абонент (а=Q), и переходят к рассмотрению следующего абонента.
Вариант подключения m-го абонента к Q-УСС, в случае если , представлен на фиг.6, где К1, К2, К3 - уровни приоритетов абонентов.
В случае если , то в блоке 15 выбирают абонента с наименьшим уровнем приоритета , находящегося на Q-УСС, в блоке 16 сравнивают его с уровнем приоритета обслуживания абонента , подключающегося к Q-УСС. Если , то в блоке 20 записывают в ячейку Q-УСС значение «0» для абонента, которого подключают к Q-УСС.
Вариант подключения m-го абонента к Q-УСС, в случае если , представлен на фиг.7.
m
При  в блоке 17 отключают абонента, имеющего наименьший уровень приоритета от Q-УСС, в блоке 19 по случайному закону задают m-му абоненту интервал времени перемещения -  к одному из возможных УСС, а в блоке 20 записывают для него в соответствующую а-ячейку ранее сформированной А-матрицы значение «0».
Вариант подключения m-го абонента к Q-УСС, в случае если , представлен на фиг.8.
После повторения действий, имитирующих подключение m-го абонента к n-УСС для всех абонентов, в блоке 23, аналогично матрице связности, представленной на фиг.2, формируют матрицу, описывающую связность СС.
тек
тек
Далее в блоке 24 вычисляют маршруты прохождения информационного трафика между абонентами СС на t. Одним из методов вычисления маршрутов прохождения информационного трафика между абонентами СС на t является известный алгоритм Дейкстры [см., например, Филлипс Д., Гарсиа-Диас А. Методы анализа сетей. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - С.54-61, 101].
тек
Результаты вычислений маршрутов прохождения информационного трафика между абонентами СС на t записывают в определенные для хранения данной информации ячейки памяти и запоминают их.
тек
Вариант вычисленного маршрута прохождения информационного трафика между абонентами СС на t представлен на фиг.9, где 4 - вычисленный маршрут прохождения информационного трафика между абонентами СС.
Затем, в блоке 25 изменяют топологию и структуру элементов СС.
Вариант новой топологии и структуры элементов СС представлен на фиг.10, где 5 - линии связи прежней СС, 6 - линии связи новой СС, 7 - УСС прежней СС, 8 - УСС новой СС.
тек
пред
пред
В блоке 27 измеряют t и сравнивают с t. Если t не истекло, то повторяют действия по определению маршрута прохождения информационного трафика, в противном случае в блоке 28 вычисляют вероятность наличия маршрута в каждом информационном направлении (ИН) за весь период моделирования по формуле [см., например, Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. вузов. - 9-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 576 с., с.22]:
где  - статистическая вероятность наличия маршрута между абонентами в ω-м ИН при τ-испытаниях;
φ - маршрут между абонентами в ω-м ИН, который может принимать значения 0 или 1;
- количество испытаний при моделировании;
ω - номер ИН между абонентами СС;
- количество маршрутов в ω-м ИН при τ-испытаниях.
После расчета вероятности наличия маршрута в каждом ИН за весь период моделирования повторяют действия по перечисленной совокупности действий для k+1-го эксперимента до К включительно.
Таким образом, в заявленном способе обеспечивается возможность моделирования СС как в условиях стационарного положения УСС, так и при их перемещении, а также независимо от положения УСС и перемещения абонентов, т.е достигается возможность реализации сформулированного технического результата - расширения области использования технического решения.