СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ
COMMUNICATION NETWORK SIMULATION METHOD

Изобретение относится к области моделирования и может быть использовано при проектировании радиоэлектронных, технических систем для оценки эксплуатационных показателей.
Толкование терминов, используемых в заявке: сеть связи - технологическая система, включающая в себя средства и линии связи и предназначенная для электросвязи (Федеральный закон от 16 февраля 1995 г. №15-ФЗ "О связи" (с изменениями от 6 января, 17 июля 1999 г.). Принят Государственной Думой 20 января 1995 г.).
Известен способ моделирования, реализованный в устройстве (изобретение "Устройство для моделирования системы связи", патент РФ №2251150, G06G 7/48, опубликованное 27.04.2005, бюл. №12). Способ заключается в моделировании режима доведения циркулярных сообщений от главной станции до N абонентов и режима подтверждений получения информации от абонентов до главной станции в условиях отказов и восстановлений линий связи в каждом направлении связи.
Однако в аналоге отсутствует возможность оперативной корректировки моделируемой сети связи относительно реально функционирующей в реальном масштабе времени с учетом следующих факторов:
- перемещения элементов сети связи (узлов и средств связи);
- особенностей физико-географических условий района, где функционирует сеть связи;
- изменения структуры сети связи в зависимости от внешних воздействий.
Известен способ моделирования, реализованный в устройстве (изобретение "Устройство для моделирования системы связи", патент РФ №2286597, G06G 7/62, Н04В 7/24, опубликованное 27.10.2006, бюл. №30). Способ заключается в генерации импульсов для передачи по системе связи, генерации и хранении равномерно распределенного случайного числа ξ, определяющего номер N выбираемого канала связи, по которому будет осуществляться обмен информацией между абонентами, запись номера N канала связи, формировании и записи кода состояния цепи Маркова для m каналов, генерации пачки импульсов m по числу каналов, обращении (считывании) условной вероятности ошибки p согласно коду состояния, проверке условия p+ξ>1, если сумма равномерно распределенного случайного числа ξ и условной вероятности ошибки p будет больше единицы, что соответствует сигналу ошибки, формируется информация об ошибках в m каналах, производится переключение рабочего канала (имитация отказа в канале), если в рабочем канале ошибки не произошло, то переключение рабочего канала (имитация отказа в канале) не произойдет, осуществляется имитация доведения информации до каждого абонента с учетом надежности линии связи, производится расчет вероятности доведения информации по линиям связи.
Однако в аналоге отсутствует возможность оперативной корректировки моделируемой сети связи относительно реально функционирующей в реальном масштабе времени с учетом следующих факторов:
- перемещения элементов сети связи (узлов и средств связи);
- особенностей физико-географических условий района, где функционирует сеть связи;
- изменения структуры сети связи в зависимости от внешних воздействий.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу является способ, выбранный в качестве прототипа, реализованный в устройстве (изобретение "Анализатор сетей связи" G06F 11/25, G06F 15/173, опубликованное 27.11.2007, бюл. №33). Способ-прототип заключается в формировании графа исследуемой вероятностной сети, записи в регистры генераторов псевдослучайной последовательности значения вероятности существования i-й вершины графа сети, записи кода числа планируемых экспериментов, формировании последовательности псевдослучайных чисел, закон распределения которой соответствует внезапным отказам вершин сети, формировании последовательности псевдослучайных чисел, закон распределения которой соответствует постепенным отказам вершин сети, формировании последовательности псевдослучайных чисел, закон распределения которой соответствует отказам ветвей сети, возникающим вследствие внешних воздействий, в результате этого формировании в каждом из статистических экспериментов графа, в котором может существовать или отсутствовать путь от истока графа к каждой из соединенных вершин.
Однако в способе-прототипе отсутствует возможность оперативной корректировки моделируемой сети связи относительно реально функционирующей в реальном масштабе времени с учетом следующих факторов:
- перемещения элементов сети связи (узлов и средств связи);
- особенностей физико-географических условий района, где функционирует сеть связи;
- изменения структуры сети связи в зависимости от внешних воздействий.
Техническим результатом изобретения является расширение возможностей способа-прототипа, заключающееся в возможности имитации перемещения элементов сетей связи (узлов и средств связи) и абонентов (пользователей) сетей связи; моделирования особенностей физико-географических условий района, где функционирует сеть связи и находятся абоненты (пользователи); моделирования изменения топологии сети, изменения емкости каналов (линий) связи, повышение адекватности моделирования с учетом процессов функционирования реальной сети связи.
Технический результат достигается тем, что в известном способе моделирования сетей связи, заключающемся в формировании графа исследуемой вероятностной сети, записи в регистры генераторов псевдослучайной последовательности значения вероятности существования i-й вершины графа сети, записи кода числа планируемых экспериментов, формировании последовательности псевдослучайных чисел, закон распределения случайных чисел которой соответствует внезапным отказам вершин сети, формировании последовательности псевдослучайных чисел, закон распределения случайных чисел которой соответствует постепенным отказам вершин сети, формировании последовательности псевдослучайных чисел, закон распределения случайных чисел которой соответствует отказам ветвей сети, возникающим вследствие внешних воздействий, в результате этого формировании в каждом из статических экспериментов графа, в котором может существовать или отсутствовать путь от истока графа к каждой из соединенных вершин, дополнительно измеряют значения показателей функционирования реальной сети связи, моделируют изменение топологии сети, имитируют перемещение элементов сетей связи, имитируют процесс функционирования моделируемой сети связи, по результатам которого рассчитывают время своевременного обслуживания абонентов моделируемой сети связи и проводят измерения значений времени своевременного обслуживания абонентов на реально функционирующей сети связи, сравнивают значения реального времени своевременного обслуживания абонентов с требуемым значением, если значение реального времени своевременного обслуживания абонентов не превышает требования, то процессы имитации функционирования моделируемой сети и измерения времени своевременного обслуживания абонентов на реальной сети связи продолжаются, если нет, то проверяется, необходимо ли изменение структуры реальной сети связи, если изменения необходимы, то проводятся изменения параметров реальной сети связи, при этом осуществляется измерение времени изменения структуры реальной сети связи, далее вычисляют разницу между реальным и имитируемым временем изменения сети связи, которая сравнивается с требуемым значением, если разница не отклоняется от требований, то продолжаются процессы моделирования сети связи и измерения времени своевременного обслуживания абонентов на реальной сети связи, если разница превышает требования, то проводится корректировка условий имитации изменения структуры моделируемой сети связи, если изменения структуры реальной сети связи не нужны, то проверяется необходимость введения резервных средств связи, если такая необходимость есть, то на реальной сети связи вводятся резервные средства связи и измеряется время их введения, одновременно с этим имитируется процесс введения резервных средств связи и рассчитывается время их введения на моделируемой сети связи, вычисляется разница между реальным и моделируемым значениями времени введения резервных средств связи, которая сравнивается с требуемым значением, если значения этой разницы превышают требования, то проводится корректировка условий имитации введения резервных средств связи на моделируемой сети связи, если необходимости введения резервных средств связи нет, то проверяется необходимость проведения ремонта средств связи реально функционирующей сети связи, если ремонт необходим, осуществляется проведение ремонта средств связи на реальной сети связи и имитация этого процесса на моделируемой сети связи, при этом измеряется время проведения ремонта средств связи на реальной сети связи и рассчитывается время ремонта средств связи на моделируемой сети связи, вычисляется разница между реальным и имитируемым значениями времени ремонта средств связи, данная разница сравнивается с требуемым значением, если разница превышает требуемое значение, то проводится корректировка условий имитации проведения ремонта средств связи на моделируемой сети связи, если необходимости в проведении ремонта средств связи нет, то проводится поставка необходимых запасных средств связи для реальной сети связи и одновременно имитация этого процесса, далее вычисляется разница реального и моделируемого времени поставки запасных средств связи, которая сравнивается с требуемым значением, если разница превышает требуемое значение, то проводится корректировка условий имитации поставки запасных средств связи для моделируемой сети связи.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". "Промышленная применимость" способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - алгоритм моделирования сети связи;
фиг.2 - процедура выбора координат района развертывания перемещаемого элемента сети связи;
фиг.3 - процесс функционирования сети связи;
фиг.4 - структура исследуемой сети связи;
фиг.5 - матрица описания элементов;
фиг.6 - матрица описания групп элементов;
фиг.7 - пример построения матрицы путей успешного функционирования (ПУФ).
Реализовать заявленный способ можно в виде алгоритма моделирования, представленного на фиг.1.
В блоке 1 осуществляется ввод основных исходных данных:
- количество и категории абонентов;
- количество узлов связи, линий связи, каналов связи;
- законы распределения случайных событий;
- виды и характер моделируемых воздействий.
В блоке 2 проводится измерение характеристик функционирования реальной сети связи.
В блоке 3 осуществляется моделирование топологии и структуры построения сети связи. Топология размещения элементов сети связи (СС) представлена с учетом нескольких N групп элементов СС. Для каждой группы элементов осуществляется генерация координат районов их размещения.
Первую группу составляют элементы СС, местоположение которых ограничено только районом нахождения абонентов сети связи. Представление их координат обеспечивается с помощью соотношений:
где  - координата элемента СС по оси X;
- координата элемента СС по оси Y;
- минимально и максимально возможное удаление элемента СС от места нахождения абонента (абонентов) с учетом воздействующего (воздействующих) фактора по оси X;
- минимально и максимально возможное удаление элемента СС от места нахождения абонента (абонентов) с учетом воздействующего (воздействующих) фактора по оси Y;
0,1
D - случайное число, распределенное на интервале (0, 1), которое получается с помощью датчика случайных чисел.
Ко второй группе относятся элементы СС, координаты которых зависят от положения элементов СС 1-й группы. Имитация их районов размещения осуществляется с помощью выражений:
где  - координаты района развертывания элементов СС 1-й группы;
- минимально и максимально возможное удаление элемента СС 2-й группы от элемента 1-й группы по оси X;
- минимально и максимально возможное удаление элемента СС 2-й группы от элемента 1-й группы по оси Y;
α - угол, определяющий местоположение элемента СС 2-й группы относительно элемента СС 1-й группы.
Третью группу составляют элементы СС, местоположение которых коррелировано с координатами элементов СС 2-й группы.
N-ю группу составляют элементы СС, местоположение которых коррелировано с координатами элементов СС N-1 группы. Имитация их районов размещения осуществляется с помощью выражений:
где ,  - координаты района развертывания элементов СС N-й группы;
- координаты района развертывания элементов СС N-1 группы;
- минимально и максимально возможное удаление элемента СС N-й группы от элемента N-1 группы по оси X;
- минимально и максимально возможное удаление элемента СС N-й группы от элемента N-1 группы по оси Y;
β - угол, определяющий местоположение элемента СС N-й группы относительно элемента N-1 по оси Y.
Имитация координат размещения элементов СС всех групп осуществляется последовательно от групп с наименьшими номерами к группам с наибольшими в порядке возрастания.
Структура моделируемой сети может быть описана согласно прототипу (изобретение "Анализатор сетей связи", G06F 11/25, G06F 15/173, опубликованное 27.11.2007, бюл. №33).
В блоке 4 имитируется процесс функционирования сети связи. Структура исследуемой сети связи (фиг.3) рассматривается как совокупность  двухполюсных систем. Полюсами в двухполюсных системах являются абоненты сети связи. Информационное направление связи (ИНС) (абонент-абонент) считается работоспособным, если существует хотя бы один ПУФ от одного абонента к другому (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992).
Например, для ИНС (абонент 1 - абонент 2) возможны следующие ПУФ с использованием узлов сети связи:
1) 1; 2; 3; 5; 7; 8;
2) 1; 2; 3; 4; 5; 7; 8;
3) 1; 2; 3; 5; 8;
4) 1; 2; 3; 4; 5; 8;
5) 1; 2; 6; 5; 8;
6) 1; 2; 6; 5; 7; 8.
Если существует хотя бы один ПУФ из вышеуказанных, то ИНС (абонент 1 - абонент 2) считается работоспособным и сеть связи для указанной группы абонентов выполняет свои функции.
В блоке 5 производится измерение времени своевременного обслуживания абонентов на реальной сети связи.
В блоке 6 проверяется окончание времени моделирования. Блок 7 выполняет проверку соответствия времени своевременного обслуживания абонентов требуемым значениям. Если требования выполняются, то управление передается на блоки 4 и 5, если нет - то на блок 8.
Блок 8 имитирует проверку необходимости изменения структуры сети связи. Если изменения необходимы, то управление передается на блоки 9 и 10.
В блоке 9 осуществляется изменение структуры реальной сети связи.
В блоке 10 имитируется процесс изменения структуры моделируемой сети связи.
Исходными данными для моделирования изменяемых координат элемента сети связи  и  являются параметры движения: скорость движения элемента сети связи - ν; курсовой угол Θ движения элемента сети связи либо проекции вектора скорости:
При этом:
где t - время перемещения элемента сети связи;  и  - координаты последнего места размещения элемента СС.
Имитация значения времени перемещения элемента сети связи от одного положения к другому осуществляется по формуле:
ср
где t - среднее значение времени перемещения элемента сети связи от одного положения к другому.
Процедура выбора координат района развертывания перемещаемого элемента сети связи (фиг.2) носит итерационный характер. Правило останова процедуры выбора координат использует критерий:
крi, j
где R - территориальный разнос между i-м положением перемещаемого элемента сети связи и j-м положением взаимодействующих с этим элементом сети связи других элементов;
max
R - максимально возможный территориальный разнос;
обсл
t - время своевременности обслуживания абонента (абонентов);
- требуемое время своевременности обслуживания абонента (абонентов).
2
2
тр
В блоке 11 осуществляется измерение времени изменения структуры реальной сети связи. В блоке 12 производится расчет времени изменения структуры моделируемой сети связи. Далее в блоке 13 оценивается разница между временем изменения структуры реальной сети связи и временем изменения структуры моделируемой сети связи. В блоке 14 проверяется условие между измеренной и требуемой разницей времени Δt≤Δt . Если условие не выполняется, то в блоке 23 производится корректировка условий имитации изменения структуры моделируемой сети связи, если условие выполняется, то управление передается блокам 4, 5. Если изменение структуры сети связи не требуется, то управление передается блоку 15, где производится проверка, требуется ли введение резервных средств связи. Если введение резервных средств связи не требуется, то управление передается блоку 24. Если введение резервных средств связи требуется, то управление передается блокам 16 и 17.
1
1
тр
В блоке 16 осуществляется введение резервных средств связи на реальной сети связи, в блоке 17 - имитация введения резервных средств связи на моделируемой сети связи. В блоке 18 производится измерение времени введения резервных средств связи реальной сети связи, в блоке 19 - расчет времени введения резервных средств связи на моделируемой сети связи. Далее в блоке 20 оценивается разница между временем введения резервных средств связи реальной сети связи и временем введения резервных средств связи моделируемой сети связи. В блоке 21 проверяется условие между измеренной и требуемой разницей времени Δt≤Δt . Если условие не выполняется, то в блоке 22 производится корректировка условий имитации введения резервных средств связи на моделируемой сети связи, если да, то управление передается блокам 4, 5.
4
4
тр
В блоке 24 проверяется, требуется ли ремонт средств связи. Если нет, то управление передается блокам 32 и 33. В блоке 32 производится поставка запасных средств связи для реальной сети связи, в блоке 33 - имитация поставки запасных средств связи для моделируемой сети связи. Далее в блоке 34 оценивается разница между временем поставки запасных средств реальной сети связи и временем поставки запасных средств моделируемой сети связи. В блоке 35 проверяется условие между измеренной и требуемой разницей времени Δt≤Δt . Если условие не выполняется, то в блоке 36 производится корректировка условий имитации поставки запасных средств связи для моделируемой сети связи, если да, то управление передается блокам 4, 5.
3
3
тр
Если ремонт средств связи требуется, то управление передается от блока 24 блокам 25 и 26. В блоке 25 производится проведение ремонта средств связи на реальной сети связи, в блоке 26 - имитация проведения ремонта средств связи на моделируемой сети связи. В блоке 27 измеряется время проведения ремонта средств связи на реальной сети связи, в блоке 28 - расчет времени проведения ремонта средств связи на моделируемой сети связи. Далее в блоке 29 оценивается разница между временем ремонта средств связи реальной сети связи и временем ремонта средств связи моделируемой сети связи. В блоке 30 проверяется условие между измеренной и требуемой разницей времени Δt≤Δt . Если условие не выполняется, то в блоке 31 производится корректировка условий имитации проведения ремонта средств связи на моделируемой сети связи, если да, то управление передается блокам 4, 5.
Процесс функционирования сети связи реализован алгоритмом, представленным на фиг.3.
В блоке 1 осуществляется ввод исходных данных: среднее значение времени возникновения отказа (поражения) каждого элемента сети связи, среднее значение времени восстановления каждого элемента сети связи и законы их распределения.
В блоке 2 осуществляется формализация структуры исследуемой сети связи. При этом схема представляется в виде отдельных групп. Тип группы зависит от включения элементов внутри группы. Различаются три типа групп (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992, стр.14):
- простейшая, состоящая из одного элемента;
- параллельная, в которой элементы дублируют друг друга;
- сложная, в которой имеет место параллельно-последовательное включение элементов.
Всем выделенным типам групп присваиваются порядковые номера.
В блоке 3 осуществляется построение матрицы описания элементов сети связи, а также матрицы описания групп элементов.
Для структуры сети связи, указанной на фиг.4, матрица описания элементов будет иметь вид, представленный на фиг.5.
Пример построения матрицы описания групп элементов для структуры сети связи, указанной на фиг.4, представлен на фиг.6.
В блоке 4 производится построение матрицы ПУФ. Пример построения матрицы ПУФ для структуры сети связи (фиг.4) представлен на фиг.7.
В блоке 5 осуществляется нумерация элементов сети связи в порядке возрастания, при этом первому элементу присваивается номер 1.
В блоке 6 имитируется проверка наступления отказа исследуемого элемента сети связи. Если отказ не возник, в блоке 13 фиксируется время работы данного элемента сети связи, а в блоке 14 осуществляется увеличение номера проверяемого элемента на 1. Далее управление передается блоку 22.
Если отказ наступил, то в блоке 7 фиксируется время наступления отказа и управление передается блоку 8. В блоке 8 проверяется, принадлежит ли отказавший элемент сети связи к какому-либо ПУФ. Если нет, то в блоке 15 имитируется процесс восстановления отказавшего элемента и после фиксации времени работы этого элемента (блок 16) управление передается блоку 22.
Если отказавший элемент содержится в ПУФ, то в блоке 9 записываются номера ПУФ. Далее в блоке 10 фиксируются ИНС, в состав которых входит ПУФ с отказавшим элементом СС.
Блок 11 проверяет факт наличия других работоспособных ПУФ в выбранных в блоке 10 ИНС. Если таких ПУФ нет, то в блоке 17 фиксируется время отказа ИНС, если есть, то управление передается блокам 21 и 12. В блоке 12 фиксируется время функционирования выбранных ИНС. В блоке 21 осуществляется имитация процесса восстановления отказавшего элемента сети связи. С блока 17 управление передается блоку 18, где имитируется процесс восстановления восстановленного элемента сети связи. В блоке 19 фиксируется время начала работы отказавшего элемента сети связи. В блоке 20 фиксируется время функционирования ИНС. С блоков 12, 20, 21 управление передается к блоку 22, в котором проводится измерение времени своевременного обслуживания абонентов. Далее управление передается от блока 22 к блоку 6.
Требуемые значения разницы между реальным и имитируемым временем изменения структуры сети связи, введения резервных средств связи, проведения ремонта средств связи, поставки запасных средств связи задаются на основе выбранных заранее точности и достоверности оценки (Имитационное моделирование средств и комплексов связи и автоматизации. Иванов Е.В. СПб.: ВАС, 1992, стр.14).
Точность оценки есть величина
При этом должно выполняться требование:
где  - оценка математического ожидания, полученная в результате эксперимента;
М(x) - математическое ожидание искомого параметра.
Достоверность оценки - это вероятность α того, что выполняется требуемое неравенство:
Таким образом, достигается технический результат заявленного способа.