WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Чакрян Вячеслав Робертович

МНОГОМЕРНЫЕ СТОХАСТИЧЕСКИЕ И ИМИТАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ТЕЛЕТРАФИКА И КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ

ДАННЫХ В УСЛОВИЯХ ПОМЕХ

Специальность: 05.13.18 – Математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Белявский Григорий Исаакович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Соколов Сергей Викторович

кандидат технических наук, доцент

Клименко Владимир Викторович

Ведущая организация

Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

Защита состоится 19 февраля 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.03 при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «__» января 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.03

доктор технических наук, доцент М.А. Бутакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Беспроводные технологии передачи данных распространяются и занимают важное место во всех отраслях промышленности и на транспорте. Тем не менее, данный процесс во многом зависит от радиуса действия и помехоустойчивости развертываемых беспроводных сетей. Снижение качества обслуживания в беспроводных сетях напрямую зависит от случайных явлений – включения несанкционированных источников электромагнитного и радиоизлучения, вносящих помехи в режимы функционирования сетей. Во многом указанные источники помех нельзя отнести к чисто случайным, так как они формируются в соответствии с развертыванием систем, устанавливаемых на предприятиях, использующих технологии беспроводной передачи данных. В связи с этим разработка моделей телетрафика сетей беспроводной передачи данных на основе многомерных вероятностных распределений, а в общем случае – сведение процесса моделирования к разновидностям многомерных случайных процессов, параметры которых могут быть вычислены из наблюдения реально происходящих явлений, выглядит обоснованной.

Свою долю ошибок вносит сам канал связи, в котором могут возникать различные процессы, связанные с физической структурой канала связи, также имеющие в своей основе вероятностную природу. Поэтому актуальность задачи построения стохастической модели источников ошибок в каналах систем беспроводной передачи данных также вытекает из практических задач использования таких систем. Отрицательными факторами являются замирания и пропадания сигналов, что влечет за собой уменьшение информационной составляющей соответствующего трафика сети и снижение качества обслуживания клиентов сети. Кроме этого, характер ошибок, возникающих за счет влияния канала связи, носит дискретный характер, поскольку возникают преобразования «аналог – цифра». Поэтому модели, которые используются для описания телетрафика не подходят по своей непрерывной природе для описания процесса ошибок, возникающих в канале связи.

Рассматриваемые в диссертационной работе математические модели, построенные на основе теории многомерных распределений и случайных процессов с применением модифицированных атрибутных грамматик, могут служить, как доказано теоретически и экспериментально, адекватным описанием процессов, протекающих в сетях беспроводной передачи данных, и могут быть использованы при проектировании помехозащищенных беспроводных сетей связи.

К основным математическим методам исследования процессов передачи информации в телекоммуникационных системах относятся теория вероятностей, математическая статистика, теория случайных процессов, имитационное моделирование.

Большой вклад в развитие теории моделирования компьютерных сетей, на базе которых строятся современные системы телекоммуникаций, внесли
Л. Клейнрок, В.М. Вишневский. В теории телетрафика можно выделить работы В.Е. Леланда, М.С. Такку, В. Виллинджера, В.В. Крылова, В.С. Лагутина,
С.И. Степанова.

При моделировании телекоммуникационных систем важнейшими характеристиками становятся законы распределения случайных величин и случайные процессы, в соответствии с которыми происходит поступление требований в систему и их обслуживание. В этой области следует отметить работы А.Н. Колмогорова, Ю.В. Прохорова, Г. Пойя, П. Леви, В. Феллера, А.Я. Хинчина, Дж. Дуба, М. Лоэва, Е. Лукача, Б. Мандельброта, А.В. Скорохода, А.Н. Ширяева, В.Н. Золотарева, А.В. Булинского, Г.Г. Галустова.

Теории и языкам имитационного моделирования посвящены работы Дж. Гордона, Е. Сейджвика, А. Лоу, В. Кельтона, В.В. Емельянова. Работы Г. Буча, П. Коуда, позволили создавать системы моделирования и программирования с использованием объектно-ориентированных принципов.

Как уже было отмечено, в каналах связи всегда присутствуют помехи, уменьшающие достоверность воспроизведения передаваемых сообщений, нарушающие требования своевременности и качества предоставляемой информации, поэтому в математические модели потоков сообщений с целью адекватности моделирования необходимо включать модели источников ошибок. Методы исследования систем связи в условиях воздействия шумов и помех известны еще с работ В.А. Котельникова и К. Шеннона. Разработкой моделей источников ошибок занимались Э.Н. Гильберт, Е.О. Эллиот, В.И. Петрович, Б.Д. Фричман, В.М. Охорзин, В.Я. Турин, О.В. Попов и другие. Атрибутные грамматики, модификация которых предложена в данной работе для моделирования источников ошибок, были предложены Д. Кнутом.

Таким образом, обозначены проблемы, для решения которых потребовалось привлечение математических методов в сочетании с имитационным моделированием и разработкой программного обеспечения. Отметим, что указанные проблемы в настоящее время далеки от всестороннего и законченного исследования. Поэтому задачи, решению которых посвящена диссертация, относятся к актуальным проблемам проектирования и модернизации телекоммуникационных систем, построенных на базе распределенных компьютерных сетей с пакетной коммутацией данных.

В качестве объекта исследования в работе выступают беспроводные системы телекоммуникаций с пакетной коммутацией данных.

Основной целью исследования является развитие и применение математического аппарата теории случайных процессов к задачам моделирования телетрафика в беспроводных сетях пакетной передачи данных и разработка новых моделей телекоммуникационных каналов, включающих генераторы источников ошибок.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Разработка адекватных стохастических моделей информационных потоков, отражающих реальные процессы и возникающие в беспроводных сетях передачи данных. Разработка стохастических моделей источника ошибок в физическом канале связи.

2. Разработка методов исследования моделей, отмеченных в п.1 моделей.

3. На основе теоретических результатов (п. 2) разработка численных методов и алгоритмов для анализа телекоммуникационных каналов и телетрафика.

4. Разработка методов оценки параметров моделей с использованием средств современной математической статистики.

5. Разработка эффективных генераторов данных для исследуемого класса стохастических моделей.

6. Развитие методов имитационного моделирования и создание программного комплекса для оценки качества обслуживания систем связи на основе объектно-ориентированного подхода.

7. Экспериментальная проверка разработанных теоретических подходов и положений на адекватность в практических задачах.

Методы исследования основываются на использовании фундаментальных результатов в области случайных процессов, математической статистики, теории моделирования дискретных систем. При разработке моделей информационных потоков использовались методы генерации данных, описываемых многомерными вероятностными распределениями, и генерации случайных процессов.

Практическая проверка разработанных моделей и методов осуществлялась путем программной эмуляции, проведения имитационных экспериментов на модельных и на реальных объектах телекоммуникаций.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обобщении и решении научно-технической проблемы, связанной с разработкой нового подхода к моделированию потоков информационного обмена в телекоммуникационных системах и сетях. К наиболее существенным научным результатам работы относятся следующие.

  1. Разработана общая конструкция случайного процесса, отражающего процессы передачи сообщений в беспроводных сетях, позволяющая учесть особенности телетрафика в таких сетях, а также помехи, оказывающие существенное влияние.
  2. Предложена на основе теории кумулятивного анализа (в отличие от ранее использовавшегося для таких целей аппарата характеристических функций) модель составного эллиптического процесса, в котором сохранены полезные свойства нормального процесса.
  3. Разработаны алгоритмы генерации сообщений от нескольких источников, территориально распределенных случайным образом в зоне действия беспроводной сети с использованием в качестве ядра модели составного эллиптического процесса.
  4. Получены новые типы моделей, использующих сочетание известных линейных моделей с нейросетевой моделью. Для этих моделей построена теория, позволяющая исследовать статистические свойства канала связи. Для класса хорошо себя зарекомендовавших моделей было предложено общее описание этих моделей в виде скрытой марковской цепи, что позволило для этого класса моделей аналитически вычислить основные характеристики канала связи.

5. Предложена максимально общая структура генератора шума, которая позволяет получать генераторы для разнообразных квазипериодических процессов. Для достижения этой цели предложена оригинальная модификация атрибутной грамматики Д. Кнута.

Практическая ценность. Предложенные теоретические подходы к формальному описанию случайных процессов в беспроводных компьютерных сетях используются в системах телекоммуникаций для оценки качества их функционирования, снижения количества ошибок и искажений сообщений, а также могут быть использованы при проектировании и модернизации современных систем связи. Практическую ценность представляют следующие результаты.

1. Разработан, внедрен и адаптирован комплекс программ для моделирования работы систем телекоммуникаций. Внедрение этого комплекса позволило определить «узкие места» в системах связи и предложить обоснованные рекомендации по их устранению.

2. Проведены экспериментальные исследования статистических характеристик случайных процессов, протекающих в беспроводных системах телекоммуникаций, в частности, в системах сотовой связи. Исследованы и измерены потоки данных, на основе чего выявлены особенности беспроводных сетей с IP-трафиком, выполнена оценка производительности беспроводных сетей, построены модели пространства сообщений в таких сетях, подробно исследованы ошибки и помехи, возникающие в беспроводных сетях связи, и предложены соответствующие математические и имитационные модели.

3. Разработаны и внедрены в Ростовской сети сотовой связи методы моделирования и оценки потоков данных, позволяющие повысить эффективность и качество функционирования действующих систем передачи информации.

Реализация результатов работы. Результаты работы прошли успешную апробацию, внедрены и используются при проектировании сложных структурных решений и модернизации средств обеспечения телекоммуникаций: в работах ЗАО «Ростовский сотовый телефон» «Скай Линк – Ростов»; ООО «Центр цифровой обработки сигналов» (г. Ростов-на-Дону); ООО «ПромСвязь» (г. Ростов-на-Дону). Акты внедрения и использования научных результатов приведены в приложении к диссертации.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (2007 г., Сочи); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатики и информационных технологий» (2007 г., Тамбов); на международных научно-практических конференциях «Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем» и «Моделирование. Теория, методы и средства» (2007, 2008 г.г., Новочеркасск); на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2008 г.), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Ростовского государственного университета путей сообщения (2007–2008 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения, списка литературных источников из 131 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, формулируются цели и задачи исследований, приводятся основные научные и практические результаты, а также кратко рассматривается содержание диссертации по главам.

В первой главе выполнен анализ современного состояния проблем в области математического моделирования телетрафика и каналов связи в системах телекоммуникаций, построенных на базе компьютерных сетей с пакетной передачей данных. Дана характеристика объектов исследования и предложены принципы моделирования пространства сообщений в беспроводных сетях.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»