Реконфигурация первичной сети радиосвязи основ ных абонентов асу общего назначения в условиях динамики нагрузки
На правах рукописи
ЗИМИН НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ РЕКОНФИГУРАЦИЯ ПЕРВИЧНОЙ СЕТИ РАДИОСВЯЗИ ОСНОВ НЫХ АБОНЕНТОВ АСУ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ДИНАМИКИ НАГРУЗКИ Специальность: 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир 2011 1
Работа выполнена в МОУ «Институт инженерной физики» (г. Серпухов)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Ковальков Денис Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Полушин Петр Алексеевич кандидат технических наук, доцент Смородов Павел Сергеевич
Ведущая организация: ФГУП «Калужский НИИ телемеханических устройств», г. Калуга.
Защита состоится « » 2011 года в на заседании диссертационного совета ДС 212.025.04 при Владимирском государственном университете по адресу: 600000, г. Вла димир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.
Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д.87, ВлГУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государствен ного университета
Автореферат разослан «_» _ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.025. доктор технических наук, профессор А.Г. Самойлов I.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Современный этап научно-технического прогресса ха рактеризуется возрастанием объема информации, поступающей к руководи телю производства и необходимой для принятия обоснованного управленче ского решения. Повышение эффективности управления в настоящее время невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ), основанных на применении информационных технологий, и прогрес сивных математических моделей управления. При этом в АСУ между ее ос новными абонентами используются обмен данными между специализиро ванными устройствами (звеньями управления (ЗУ)), речевой обмен и меж компьютерный обмен (МКО). ЗУ обладают высшим приоритетом.
Для АСУ производственными объединениями характерны распреде ленные на значительной территории и удаленные от центра управления на сотни километров объекты управления, связь с которыми может осуществ ляться с использованием системы спутниковой связи, сети коротковолновой связи, сети связи метрового диапазона. Для общности АСУ такого типа бу дем именовать АСУ общего назначения (ОН), а также положим (не снижая общности), что ее первичная сеть строится на базе сети связи метрового диа пазона. Сеть АСУ ОН реализует коммутацию пакетов.
Каналы метрового диапазона могут быть подвержены воздействию по мех других радиосредств (РС) вследствие недостаточной координированно сти работы частотно-диспетчерских служб различных министерств, агентств, ведомств и служб. Такие воздействия могут приводить к тому, что отдельные каналы АСУ ОН могут поразиться на некоторое время, зависящее от дли тельности режима работы мешающих РС. Таким образом, топология рас сматриваемой сети в случае воздействия помех динамически изменяется.
Вопросам построения сетей с коммутацией пакетов большое внимание уделено в школах таких ученых как Якубайтис Э.А., Цыбаков Б.С., Лазарев В.Г., Бутрименко А.И., Глушков В.М., Мизин И.А., Самойленко С.И., Шаров А.Н., Олифер В.Г., Присяжнюк С.П., Цимбал В.А., Шиманов С.Н., Клейнрок Л., Дэвис Д., Барбер Д. и другие.
Базовым приемо-передающим комплексом (ППК), на основе которого строится сеть АСУ ОН, является ППК типа «Бутон». Основным принципом построения ППК типа «Бутон», используемых в узловом режиме функциони рования цифровой сети АСУ ОН, является применение незакрепленных раз деляемых во времени и пространстве цифровых потоков (незакрепленных каналов с адаптируемой по помеховой обстановке скоростью передачи ин формации). При этом цифровой поток представляет собой временной кадр, разделенный на некоторое число временных окон, каждое из которых пред ставляет собой единичный цифровой канал (ЕЦК) связи с наименьшей про пускной способностью (1200 бит/с). Пакет, помещаемый во временном окне, для всей сети является стандартизованным и представляет собой коммути руемую единицу информации. Для обеспечения такой коммутации в узлах сети имеется соответствующее коммутационное оборудование. Отметим, что на такой первичной цифровой сети связи осуществляется только коммутация каналов. Реализация функций временного каналообразования и коммутации в ППК обеспечивает гибкое перераспределение коммуникационного ресурса ППК между направлениями связи и, в частности, легко позволяет реализо вать рокадные связи в сети.
В области разработки и создания систем связи с незакрепленными ка налами накоплен большой опыт. Организациями, имеющими серьезные раз работки по таким системам связи, являются ОАО «Концерн «Созвездие»», ФГУП НПО «Импульс», ЗАО НИВЦ АС, НПО «Элас» и др.
В иерархии вложенных отношений, реализуемых в сети АСУ ОН, мож но выделить две независимые структуры. Одна из этих структур, называемая первичной сетью связи, охватывает вопросы организации связи магистраль ных направлений сети. Другая структура – вторичная сеть связи, создает од нородную нагрузку на первичную сеть и посредством внутреннего алгоритма работы узлов сети (комплекса управления связью (КУС)) реализует функции сетевого уровня обслуживания разнородных абонентов за счет реализации процедуры маршрутизации пакетов.
В условиях помеховых воздействий на каналы сети АСУ ОН и в усло виях динамики нагрузки е основных абонентов способы использования об ходных каналов, основанные на известных протоколах маршрутизации в си лу изменения пропускных способностей отдельных направлений, являются неоптимальными. Применение известных методов решения такой оптимиза ционной задачи в условиях целочисленности получаемого решения- недо пустимо по причине большой размерности задачи.
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, необходимость выполнения требований по организации сети связи АСУ ОН с заданными показателями качества информационного обмена фор мирует потребность использования обходных (рокадных) каналов, что в ап риори позволит достичь выполнение этих требований, а с другой- не сущест вует эффективного по оперативности и оптимальности метода выбора эф фективного способа маршрутизации, вводимого за счет рокадных связей.
Разрешение этого противоречия заключается в разработке программно математического и методического аппарата, позволяющего решать задачу о рациональной- максимально близкой к оптимальной (в условиях ограничения на оперативность решения) организации связи в АСУ ОН при ее интенсив ном структурном изменении.
Поэтому актуальной является тема диссертационной работы «Ре конфигурация первичной сети радиосвязи основных абонентов АСУ общего назначения в условиях динамики нагрузки».
Объектом исследования является первичная сеть связи метрового диапазона АСУ общего назначения.
Предметом исследования являются методы, способы, алгоритмы опе ративной реконфигурации первичной сети связи.
Целью работы является повышение надежности установления соеди нений абонентов сети радиосвязи метрового диапазона АСУ общего назна чения в условиях динамики нагрузки.
Научной задачей является разработка научно-методического аппарата оперативной рациональной реконфигурации сети радиосвязи метрового диа пазона АСУ ОН в условиях изменения нагрузки и воздействия на сеть.
Для достижения цели работы в ней ставятся и решаются следующие подзадачи:
Анализ особенностей функционирования существующей и перспектив ной первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН и динамики нагрузки в ней.
Разработка процедуры решения задачи динамической реконфигурации первичной сети связи и е реализация посредством использования нейросе тевых технологий.
Анализ эффективности применения и реализуемости нейросетевого контроллера, реконфигурирующего первичную сеть радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН в условиях динамики нагрузки.
В ходе решения этих задач были сформированы следующие результа ты, представляемые к защите:
1. Математическая модель нейросети, распределяющей коммутируе мый коммуникационный ресурс первичной сети радиосвязи метрового диа пазона основных абонентов АСУ ОН.
2. Алгоритм обучения нейросети, распределяющей коммутируемый коммуникационный ресурс первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что:
1. Разработан новый математический аппарат, позволяющий оператив но решать задачу о реконфигурации первичной сети радиосвязи метрового диапазона основных абонентов АСУ ОН, в основе которого лежит ассоциа тивная нейросеть особой структуры. Для обучения такой нейросети исполь зуется новая, неизвестная ранее, оригинальная методика, основанная на раз работанном в диссертации алгоритме, что, в конечном итоге, позволяет по высить надежность установления соединений абонентов сети радиосвязи метрового диапазона АСУ ОН в условиях динамики нагрузки.
2. Впервые предложены схемотехнические решения, позволяющие реа лизовать модифицированную нейросеть Хопфилда, используемую в качестве решателя в процедуре формирования плана связи на коммутируемой первич ной сети в условиях динамики связности и нагрузки.
Достоверность и обоснованность разработанного научно методического аппарата подтверждается корректностью и логической обос нованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории нейрон ных сетей, теории телетрафика, теории случайных процессов, математиче ской статистики и моделирования систем и, кроме того, подтверждается по лучением при определенных условиях и допущениях частного решения, яв ляющегося результатом применения ранее известных методов.
Практическая значимость результатов диссертационных исследова ний обусловлена тем, что они доведены до уровня схемотехнических реше ний и позволяют на стадии проектирования и эксплуатации закладывать в программное обеспечение комплекса управления связью (КУС) АСУ ОН процедуры оперативной корректировки плана (реконфигурации) организации первичной сети связи в условиях динамики связности и нагрузки. Использо вание данных результатов позволяет внедрить в перспективную радиосеть АСУ ОН процедуру оперативной реконфигурации первичной сети радиосвя зи, а также получить выигрыш в надежности установления соединений меж ду абонентами радиосети связи АСУ ОН в условиях динамики топологии и нагрузки в целом до 10% по сравнению с применяемой в настоящее время процедурой динамической маршрутизации.
Результаты работы реализованы:
1. В ЗАО «НИВЦ АС» в рамках ОКР «Отлучка» при разработке алго ритма управления коммуникационным ресурсом в ССС специального назна чения при реализации функции оперативного формирования типовых подсе тей (акт о реализации ЗАО «НИВЦ АС» от 08.09.2010г.).
2. В МОУ «ИИФ» при разработке системотехнических решений под системы перераспределения коммуникационного ресурса автоматизирован ного узла связи сети связи специального назначения в рамках ОКР «Решка ИИФ» (акт о реализации МОУ «ИИФ» от 10.10.2010г.).
3. В СВИ РВ использованы в учебном процессе института по кафедре «Автоматизированные системы управления и связи» (в ходе дипломного проектирования и при изучении дисциплины «Информационные сети и теле коммуникации») (акт о реализации СВИ РВ от 02.09.2010г.).
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докла дывались, обсуждались и были одобрены на: 17 НТК различного уровня, в том числе 8 Международного уровня, 5 Всероссийского уровня, 4 Межрегиональ ного уровня. Опубликованы в 29 работах, из них: 17 статей в научно технических сборниках и журналах, две из которых опубликованы в журнале из перечня ВАК, тезисы 6 докладов, 2 отчета об ОКР, 3 отчета о НИР, 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка научных источников и приложения, изложена на 116 страницах машинописного текста. Список научных источников со держит 97 наименований.
II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформули рована цель, научная задача, объект и предмет диссертационных исследова ний, а так- же основные научные положения, представляемые к защите. По казана научная новизна, практическая значимость и достоверность результа тов исследований.
В первом разделе проведен анализ особенностей функционирования существующей и перспективной первичной сети радиосвязи метрового диа пазона основных абонентов АСУ ОН и динамики нагрузки в ней. В результа те анализа выявлено, что:
Звенья управления (ЗУ) АСУ ОН требуют наличия между собой 1.
постоянно закрепленных каналов со скоростью передачи информации не ме нее 1200 бит/с;
речевые абоненты и абоненты МКО способны вести между собой информационный обмен в режиме предоставления каналов по требо ванию. При этом информационная нагрузка абонентов последних двух типов достаточно неоднородна (нестационарна) в течении суток.
Ключевым направлением создания новых ППК метрового диапа 2.
зона для информационной сети основных абонентов АСУ ОН является при менение метода временного разделения цифрового потока «по передаче» и «приему» с коммутацией каналов (временных тайм-слотов) в узлах сети (УС) полнодоступным способом. Такой подход легко позволит формировать ка налы связи с переменной скоростью передачи. Обеспечение требуемой поме хозащищенности направления радиосвязи ППК к помехам различной приро ды, осуществляется за счет использования сигналов с расширением спектра, в частности, сигналов с ППРЧ.
Анализ динамики нагрузки основных абонентов радиосети мет 3.
рового диапазона АСУ ОН выявил, что минимальный интервал между сооб щениями пользователей равен 20...30 секунд, минимальная длина сообщения составляет около 200- 500 бит, возможна передача длинных (многопакетных) сообщений до 20 Кбит и более.
При этом, постановку задачи о повышении надежности установления соединений абонентов сети радиосвязи метрового диапазона соединения ПГРК в условиях динамики нагрузки и помеховых воздействий может быть представлена следующим образом. Пусть сеть связи задана посредством сле дующих множеств:
- множества УС -{U i }, i 1,..n, где n количество УС, - множества прямых дуплексных каналов связи - {Ksij }, i, j 1,..n меж ду этими УС, составляющих базовую первичную сеть связи, - множества матриц тяготения {Mti }, i 1,..n, Mti Tr1(i ),..,Trn(i ), кото рые отражают потребности каждого УС в общем количестве ЕЦК в направ лении с каждым смежным УС.
Тогда, необходимо найти такой способ организации связи ( Alg ), кото рый бы максимизировал коэффициент готовности установления вторичного соединения внутри сегмента сети связи АСУ ОН за отведенное для принятия решения время:
Alg : K гот. устан. втор. соед ({ X * f ({U },{Ks},{Mt})}) max, * t реш Tзад {X } * где K гот. устан. втор. соед -это коэффициент готовности канала, выделяемого под установление соединения между абонентами вторичной сети (вероят ность того, что для удовлетворения интересов вторичной сети будет выделен канал, организованный первичной сетью), зависящий от выбранного плана проключения каналов первичной сети ({ X *}) ;
{ X *} - множество псевдооп тимальных проключенных маршрутов, каждый элемент которого равен про пускной способности i го маршрута (выраженного в ЕЦК), i 1,..k, k об щее количество маршрутов внутри заданной топологии {{U i }, i 1,..n, {Ks}}.
Исходно сеть связи обеспечивает 100% заявленных потребностей, вы двинутых от абонентов сети, то есть любая заявленная потребность в выде лении канального ресурса удовлетворяется с вероятностью ( K гот. устан.втор.соед мах( 1) ). При деградации сети связи возникает «ущем опт ление» некоторых потребностей абонентов (применяется дифференцирован ный, в зависимости от статуса заявки и статуса абонента, имеющего такую заявку, селективный отказ в предоставлении канального ресурса). Причем такое действие естественным образом уменьшает значение K гот. устан.втор. соед так как он является интегральным показателем качества свя зи всего рассматриваемого сегмента сети связи. Особенностью этого процес са является то, что потеря в запрашиваемом направлении одного и двух ЕЦК не является линейно пропорциональной (т.е. ущерб (2 x) 2 ущерб (1х) ). Это мотивируется тем, что ухудшение помеховой обстановки вынуждает перена значать каналы, выделяемые под ЗУ с целью увеличения вероятности достав ки сообщения. Так, если в обычное время такая связь требует лишь 1 ЕЦК, то в иных условиях, для выполнения требования по надежности доведения со общения, такая связь может задействовать весь предоставляемый направле нию связи коммуникационный ресурс (пропускную способность).
Для организации связи в сегменте сети связи необходимо решить зада чу о нахождении такого плана организации прямых и транзитных каналов связи, который бы максимально удовлетворял потребности участников ин формационного обмена в выделенных каналах с требуемой пропускной спо собностью (выраженной в ЕЦК) с учетом приоритета запрашиваемой связи, и на фоне выполнения этого условия реализовывал бы какой-либо дополни тельный принцип рационального распределения каналов, а именно:
1. Принцип равномерного распределения каналов между узлами связи (при небольшой деградации).
2. Принцип минимизации «ущемления» самого «обделенного» абонен та (при существенной деградации сети связи), что гарантирует реализацию связи абонентам самого высокого приоритета.
В таких условиях целевая функция показателя качества организуемой сети связи может быть представлена в виде:
n n W ( Trj ( i ) X j ( i ) )2 min, i 1 j 1, j i (1) (i) X j 0,i 1..n, j 1..n, (i) X j Trj,i 1..n, j 1..n, j i.
(i) В качестве дополнительного условия рациональности решения можно принять требование минимума вариации ( D ) доли удовлетворенного запроса (т.е. максимально равномерное распределение однородных запросов для слу чая небольшой деградации): D X i j (2) j min( D ), i, j 1,..n Tri {X } или требование минимизации максимальной доли необеспеченности каналь ным ресурсом одного (самого необеспеченного каналами) из всех УС (при существенной деградации сети связи): min(max( X i j / Tri j )) (3) Второй раздел посвящен разработке процедуры решения задачи о рас пределении коммуникационного ресурса системы радиосвязи основных або нентов АСУ ОН, в основе которой лежат нейросетевые технологии построе ния ассоциативных нейросетей.
Показано, что в основе такой процедуры может быть использована ди намическая система, отражающая в своей структуре принцип разделения об щего распределяемого коммуникационного ресурса.
Так, для трех конкурирующих маршрутов с пропускными способно стями Y1, Y2, Y3 для сегмента сети связи АСУ ОН с тремя направлениями свя зи, каждое из которых состоит из X i ЕЦК, такая динамическая система вы глядит следующим образом (см. рисунок 1).
Так как при выполнении функции вычитания может оказаться, что продуцируемый результат будет отрицательным, то необходимо после бло ков вычитания поставить блоки полулинейной функции, отсекающей отрица тельные значения f ( x ) x, x 0, 0, x 0.
Y Y Y Рисунок 1 – Динамическая система распределения коммутируемого ресурса Пусть ui - вход i ой функции f ( x ), а yi j - е выход на j м шаге эволюции. Тогда справедливо:
u1 X 1 min 3 ( y2i 1), y6i 1) ), ( ( (4)...
u X min ( y ( i 1), y ( i 1) ) 6 3 2 4 В работе найдены и доказано утверждение об условиях сходимости эво люционных процессов такой динамической системы. Так изменение выходов прекратится, если аргументы всех функций «min» равны между собой в рам ках каждой из этих функций.
В работе для перебора устойчивых состояний такой системы предложен начальный долевой принцип участия распределяемого ресурса в каждом из маршрутов. Так, схема, реализующая предлагаемый принцип, представима в следующем виде (см. рисунок 2).
Для случая окончания эволюции в работе доказана сингулярность полу чаемой системы уравнений относительно вводимых весов и предложен спо соб е разрешения через один или несколько неизвестных аргументов. Полу чаемые при этом выражения для wi можно свести к двойным неравенствам относительно верхней и нижней допустимых границ каждого веса. Ключе вым в предложенной методике является условие ограничения допустимого значения любого веса, связанное с долевым вхождением каждого ресурса в каждый маршрут. Так для предлагаемого примера такая система и е реше ния представлены ниже (см. (5) и (6)).
y2 y6, u2 u6, X 1 (1 w1 ) y1 X 3 (1 w3) y4, y1 y3, u1 u3, X 1 w1 y2 X 2 w2 y4, y y ;
u u ;
X 2 (1 w ) y X 3 w y ;
(5) 4 4 2 1 3 5 y1 0 y4 X 3 (1 w3) X 1 (1 w1 ), 0 y2 y4 X 2 w2 X 1 w1, y y 0 X 3 w X 2 (1 w ).
1 2 3 Рисунок 2 - Модификация исходной схемы с учетом весового смещения 2 X 2 w2 X 2 X 1 X 3 2 X 3 w3 2 X 1, w1 1, w1 0,1 w1 0;
2 X 2 w2 X 2 X 1 X 3 2 X 3 w3 0;
(6) X 3 X 2 X1 X 3 X 2 X X w2 w 2 X 2 2 X X Учитывая требования по целочисленности получаемого решения ( Yi ) ог раничение типа (6) дополняется ограничениями:
X 1 X 2 X 3 X 2 w2 y4 2 y1 X 1 X 2 X 3 2 X 2 w2 2 y y Z 2 X 2 w2 Z w X 1, X 2, X 3, y1, y4 Z X 2 0, w2 0, Z [0,1.. ] 2 X 2 (7) y2 X 2 X 1 X 3 X 3 w3 y4 2 y2 2 X 3 w3 2 y4 X 2 X 1 X Z 2 X 3 w3 Z w X 3 0, w3 0, Z [0,1.. ] X 1, X 2, X 3, y2, y4 Z 2 X Для реализации изоляции весового участия в последующих циклах эво люции в работе предложен механизм такой реализации, а система уравнений относительно весов для условий окончания эволюции примет вид (8).
y1(1) min( x1w1, x2 w2 ), y2 min( x2 (1 w2 ), x3 w3 ), (1) y3 min( x1 (1 w1 ), x3 (1 w3 )), (1) min x1 y3i 1), x2 y2i 1), y1( i ) ( ( i min x2 y1( i 1), x3 y3i 1), y2i ) ( ( i min x1 y1( i 1), x3 y2i 1), y3i ) ( ( i x1 y3i ) x2 y2i ) ( (, i (8) x2 y1( i ) x3 y3i ) (, i x1 y1( i ) x3 y2i ) ( ;
i Порядок е решения и нахождения корректных границ для значений весов аналогичны описанным выше и подробно приведен в работе.
Такая динамическая система представляет собой модифицированную нейронную сеть с Хопфилдовской архитектурой (см. рисунок 3). Специфика этой сети заключается в том, что матрица весов обратных связей является не симметричной, а сами веса в процессе эволюции динамически изменяются.
Слой перераспределения избытка (для исключения случая ПредостiУС jУС ТребiУС jУС ) веса вхождения маршрута в направление связи yM y y W(2) Сеть Хопфилд а,.....
f i(x) количество нейронов f i(x) f i(x) равно вхождений.....
распределяемого ресурса во все маршруты Слой MAXNET mink min реализующий политику..... Слой блоков «mi n» «победитель получает все».....
..... Изолируемый слой сети Хемминга xN W (1) Слой, подлежащий x x изоляции y1 yk.....
xN.....
x x а) б) Рисунок 3 – Известная структура сети Хемминга (а) и предлагаемая структура нейронной сети (б) Для таких условий алгоритма обучения НС, дающего устойчивый ре зультат эволюции, не существует. Кроме того, реализация процедуры изоля ции вектора начального смещения делает предлагаемую НС схожей с Хем минговской архитектурой ассоциативных НС. В работе найден математиче ский аппарат, представляющий собой алгоритм обучения указанной НС (см.
рисунок 4), позволяющий: находить целочисленное решение, находить кор ректное решение с позиций выполнения всех ограничений исходной задачи, в том числе и по требуемому обеспечению коммуникационным ресурсом, выявлять все возможные корректные варианты решения за конечное число итераций, т.к. известен объем такого продуцируемого множества решений.
Количество устойчивых состояний такой сети определяется блоками, реализующими функцию активации. Для предлагаемой НС количество таких решений совпадает с количеством полулинейных функций, каждая из кото рых соответствует элементу составного маршрута. Для типового сегмента се ти связи АСУ ОН количество таких аргументов равно 132. Порядок перебора получаемых решений определяется изменением как начального смещения, так и глубиной анализируемой эволюции сети. При этом уже при глубине эволюции, равной 1 и 2 итерационным процессам, количество найденных решений соответствует 80% всех корректных решений.
Начальная задача о нахождении плана связи в полносвязном сегменте сети связи АСУ ОН с четырьмя УС, приобретает вид комбинаторной задачи, количество приемлемых значений в которой равно: 132 12 Z, где 132 – коли чество вхождений элементарной связи в полный план организации связи для 60 маршрутов (количество полулинейных функций в решателе), 12 – количе ство направлений-участников дележа превосходящего заданный объем ре сурса, Z - максимальный объем распределяемого, превосходящего заданный объем, ресурса.
Синтез предлагаемой двухуровневой (один уровень для решения непо средственно задачи распределения коммуникационного ресурса, второй – для перераспределения избытка отдельных направлений) нейронной сети, каж дый уровень которой представляет собой модифицированную сеть Хеммин га, обученной в рамках описанного подхода, позволяет решать задачу о рас пределении коммуникационного ресурса первичной сети в реальном масшта бе времени!
Для быстродействия в 100 тыс. циклов эволюции существующих мик росхем ассоциативных нейросетей, при значении Z 12 ЕЦК, время получе ния всех базовых решений по критерию (1) составит менее 0.2 сек. Для при мера, одно базовое решение, получаемое в «Excel» на ЭВМ класса «Pentium 4» с помощью встроенного решателя для тех же условий (полносвязная сеть с 4-я УС), составляет 2 часа.
Такой подход позволяет использовать полученное множество базовых решений для применения вторичного критерия оптимальности (2) или (3) в масштабах реального времени цикла управления сегментом сети связи.
начало ввод k - глубины эволюции НС Составление системы уравнений относительно (w1,..,wn):
y1(1) min( x1w1, x2 w2 ),...
y (1) min( x (1 w ), x (1 w )), 3 1 1 3 (i ) min x1 y3i 1), x2 y 2i 1), ( ( y i [2, k ]...
min x1 y1( i 1), x3 y 2i 1), y3i ) ( ( i [2, k ] x y (i ) x y (i ), 1 i [2, k ] 3 2...
x y (i ) x y (i ) ;
1 i [2, k ] 1 3 Преобразование полученной системы к алгебраической системе уравнений и е решение относительно wi Выражение wi через найденные комбинации базовых wi и нахождение условий их корректности Поиск максимально и минимально допустимых значений для wi (аналогично (6) Поиск допустимых значений wi исходя из требований по целочисленности y (аналогично (7)) конец Рисунок 4 - Алгоритм обучения разработанной нейронной сети В третьем разделе проведен численно-графический анализ эффектив ности предлагаемого математического аппарата.
В качестве альтернативы предлагаемому способу фиксированной мар шрутизации выступал алгоритм поиска кратчайшего пути – алгоритм Дейк стры и алгоритм Флойда. Были введены следующие ограничения: p1 - веро ятность поражения помехами ЕЦК в прямом направлении, p 2 - вероятность поражения помехами ЕЦК в рокадном направлении.
Тогда варианты частичной или полной деградации отдельных элемен тов радиосети АСУ ОН, для которых предлагаемый способ дает выигрыш, представимы следующим множеством (см. рисунок 5).
При анализе учитывался факт изменения пропускных способностей на правлений связи для обеспечения оперативности доставки сообщений в ин тересах ЗУ АСУ Анализ отношения значения коэффициента готовности канала имею щейся методики реконфигурации сети радиосвязи, в основе которой лежит алгоритм наименьшего пути (Флойда и Дейкстры) и предлагаемой представ лен на рисунке 6 (рассматривается вариант обеспечения лишь сети ЗУ АСУ за счет жертвования сетями речевых абонентов и абонентов МКО).
Рисунок 5 – Рассматриваемые варианты деградации отдельных элементов радиосети АСУ ОН K гстар / K гнов P P Рисунок 6 – Отношение коэффициента готовности сети ЗУ АСУ при жертвовании каналами сетей МКО и речи имеющегося метода реконфигурации сети и предлагаемого Истинное значение коэффициента готовности, полученное с учетом предлагаемой методики реконфигурации сети радиосвязи метрового диапа зона АСУ ОН для случая обеспечения связи в интересах ЗУ за счет жертво вания каналами речи и МКО представлен на рисунке 7.
` K P P Рисунок 7 – Получаемое абсолютное значение коэффициента готовности канала, выделяемого под установление соединения между абонентами вторичной сети Анализ полученных зависимостей показывает низкую информатив ность такого качественного показателя, как относительное превосходство.
Поэтому в качестве меры превосходства в работе предлагается использовать выигрыш по вероятности ошибки первого рода:
1 K гстар Y 100 100, [%] (9) 1 K гнов Для случая готовности «жертвования» и каналами речи и МКО для обеспечения связи в интересах ЗУ получается следующий результат (см. ри сунок 8). Для случая готовности «жертвования» лишь МКО для обеспечения связи в интересах ЗУ с сохранением речи получается следующий результат (см. рисунок 9).
При расчете последнего показателя брались средние арифметические значения коэффициента готовности, для направлений речи и ЗУ.
P P Рисунок 8 – Выигрыш по вероятности при жертвовании речи и МКО в интересах ЗУ P P Рисунок 9 – Средний выигрыш по вероятности при жертвовании каналами МКО в инте ресах сетей ЗУ и речи III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения работы была решена актуальной научная задача, связанная с разработкой научно-методического аппарата оперативной рацио нальной реконфигурации сети радиосвязи метрового диапазона АСУ ОН в условиях изменения нагрузки и воздействия на сеть.
Дальнейшие исследования в рамках сформулированной в диссертации научной задачи следует продолжить в таких направлениях:
а) поиск обобщающих алгоритмов свертки комбинаторных задач, связанных с задачей об укладке ящика;
б) обоснование рациональной топологии первичной сети связи при условии известных потребностей и нахождение е характеристик;
в) вовлечение в решение аппарата, учитывающего стохастичность процесса вхождения в связь при перераспределении коммуникационного ресурса.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации:
1 Зимин Н.Г., Цимбал В.А., Калинин В.А. Нахождение характеристик конечных Марковских цепей на основе метода фиктивных состояний. // Из вестия Института инженерной физики - №4, 2008г. С. 56-58.
2 Зимин Н.Г., Чистопрудов Д.А. Шиманов С.Н. Применение ассоциа тивных нейронных сетей Хемминга специального вида для решения задачи организации связи в реальном времени. Известия Института инженерной фи зики - №1, 2010г. С. 47-56.
3 Зимин Н.Г., Людоговский А.С. Выбор алгоритма управления пото ками для применения в протоколе децентрализованной маршрутизации.
Сборник трудов Международная НПК – Серпухов, ч.2, 2010 г. С. 237-239.
V 4 Зимин Н.Г. Эффективность использования нейросетевого способа реконфигурации сети для сегмента сети связи. Труды 65-й Научной сессии, посвященной Дню радио. – М.: РНТОРЭС, 2010 г. С. 218-220.
5 Зимин Н.Г., Чистопрудов Д.А. Влияние процедуры организации плана связи первичной сети на надежность установления связи вторичными абонентами. Труды IX Российской НТК. – Калуга: КНИИ ТМУ, 2010г. С. 252 255.
6 Зимин Н.Г. Процедура определения коэффициента готовности уста новления соединения между вторичными абонентами сегмента сети связи в условиях изменения ее топологии. Сборник трудов XXIX Всероссийская НТК – Серпухов, 2010 г. С. 172-176.
7 Зимин Н.Г. Учет реальных ограничений на запрашиваемый комму никационный ресурс в ассоциативном решателе с сигмоидальной функцией активации. Труды 64-й Научной сессии, посвященной Дню радио. – М.:
РНТОРЭС, 2009 г. С.153-155.
8 Зимин Н.Г. Методологические вопросы моделирования разнородной корпоративной сети связи с целью определения ее характеристик. Сборник трудов III I еждународная НПК – Серпухов, ч.2, 2009 г. С. 223-224.
М 9 Зимин Н.Г., Чистопрудов Д.А. Применение нейронной сети для ре шения задачи организации первичной сети связи. Сборник трудов III I еждународная НПК – Серпухов, ч.2, 2009 г. С. 255-257.
М 10 Зимин Н.Г. Способ получения целочисленных результатов распре деления коммуникационного ресурса посредством рекуррентной нейросети.
Труды VIII Российской НТК. – Калуга: КНИИ ТМУ, 2009г. С. 228-230.
11 Зимин Н.Г. Учет реальных ограничений на запрашиваемый комму никационный ресурс в ассоциативном решателе с сигмоидальной функцией активацией. Труды VIII Российской НТК. – Калуга: КНИИ ТМУ, 2009г. С.
231-233.
12 Зимин Н.Г. Уменьшение размерности целочисленной задачи по рас пределению коммуникационного ресурса. Сборник трудов XXVIII Межре гиональная НТК – Серпухов, №5, 2009 г. С. 84-87.
13 Зимин Н.Г., Шиманов C.Н., Чистопрудов Д.А. Задача управления коммуникационным ресурсом цифровой сети радиосвязи на базе нейронной сети и ее решение. Сборник трудов ПТСПИ 2008 - Владимир-Суздаль, 2008г.
С. 77-79.
14 Зимин Н.Г., Девятияров В.Б. Особенности взаимодействия КАУС смежных узлов автоматизированной системы связи. Труды VII Российской НТК. – Калуга: КНИИ ТМУ, 2008г. С.66- 15 Зимин Н.Г., Чистопрудов Д.А. Решение задачи перераспределения маршрутов первичной сети связи. Сборник трудов XXVII Межрегиональная НТК – Серпухов, №6, 2008 г. С. 21-23.
16 Зимин Н.Г., Чистопрудов Д.А., Ковальков Д.А. Снижение размерно сти общей задачи формирования рационального плана проключения маршру тов первичной сети связи. Сборник трудов XXVII Межрегиональная НТК – Серпухов, №6, 2008 г. С. 24-28.
17 Патент № 94737 на полезную модель РФ, МПК Н04В 7/00. Генератор двадцатиразрядной последовательности вида «10011100011111111100» / Заяви тель и патентообладатель СВИ РВ. – № 2010102174;
заявл. 25.01.2010. Цимбал В.А., Попов М.Ю., Вилков С.В., Зимин Н.Г.
18 Отчет об ОКР «Решка». - Серпухов МОУ «ИИФ», 2009. С. 104-117.