Исследование и разработка методов расчета пропускной способности цифровых коммутационных станций с учетом способа управления

Актуальность темы

Высокие темпы развития народного хозяйства ГДР, намеченные X съездом СЕПГ на 1981;1985 гг. и на период до 1990 года, требуют от работников почтовой и телефонной связи ГДР поиска новых путей удовлетворения растущих потребностей в средствах связи народного хозяйства и населения ГДР. Перед учеными и инженерами страны поставлена задача в ближайшие годы разработать новое поколение средств связи, соответствующих наиболее передовому уровню науки и техники, и создавать на этой основе интегральные цифровые сети связи /ИЦСС/.

Разработкой интегральных цифровых сетей связи в настоящее время занимаются ученые и инженеры во многих странах мира. Среди комплекса вопросов, которые приходится решить при создании ИЦСС, особое место занимают вопросы, связанные с оптимальным построением узлов и станций сети. Работы по оптимальному построению узлов и станций ЩСС ведутся в основном в двух направлениях. Первое направление связано с исследованием структуры коммутационных систем /КС/ на ЩСС, анализом, синтезом и выбором оптимального варианта построения, а также разработкой аналитических методов расчета вероятности потерь в КС. Второе направление связано с исследованием принципов построения управляющих устройств /УУ/ на ЩСС, выявлением области эффективного использования разных типов УУ и выбором оптимальных алгоритмов управления. О достигнутых результатах в этих направлениях свидетельствует большое количество теоретических исследований и экспериментальных разработок по цифровым системам коммутации [1−20, 47−65].

Важное место в этих работах занимает вопрос об оптимальном построении и функционировании местной ЩСС. Важность этой проблемы обусловлена тем обстоятельством, что затраты на создание местной сети составляют наиболее значительную часть от общих затрат на создание общегосударственной сети связи. Особое значение при создании местной ИЦСС приобретают вопросы, связанные с исследованием пропускной способности ее отдельных коммутационных узлов /КУ/, зависящей в частности от того, каким образом осуществляется управление установлением соединения, т. е. раздельно только в пределах каждого коммутационного узла или по принципу общего управления, при котором функциями управления охватываются коммутационные системы нескольких или всех КУ местной интегральной сети. Функциональное объединение коммутационных систем в единый комплекс позволяет существенно увеличить их пропускную способность, но, с другой стороны, приводит к усложнению функций управления и тем самым к дополнительным требованиям к управляющему устройству, реализующему принцип общего управления, в отношении его производительности. Из сказанного следует важность исследования вопросов, связанных с оптимизацией алгоритмов выбора пути с целью выяснения требований к УУ в отношении их влияния на пропускную способность коммутационных систем. Эти проблемы являются весьма актуальными, так как от их решения во многом зависит не только стоимость местной сети, но и стоимость общегосударственной сети связи в целом. Проведенные к настоящему времени теоретические исследования показывают, что пока еще не существует законченной общей теории по определению оптимального варианта построения ИЦСС, а вопросы структуры КС и принципов управления необходимо исследовать применительно к конкретным типам ИЦСС и условиям их функционирования.

Цель работы. В диссертационной работе исследуется местная ИЦСС, состоящая из опорной телефонной станции /ОПС/ и подключенных к ней линейных телефонных концентраторов /Кц/. Исследования проводятся для двух случаев: для раздельного и для общего способов управления установлением соединения на участке «концентратор — станция» местной ЩСС. Из функций управления, которые должны быть выполнены при установлении соединения, в работе учитывается функция выбора пути, как наиболее важная функция при решении поставленной задачи. С целью ограничения загрузки управляющего устройства особое внимание уделяется дисциплинам обслуживания заявок, которые позволяют ограничивать число попыток поиска пути /попыток установления соединения/.

В диссертации предполагается, что коммутация входов и выходов линейного концентратора осуществляется с помощью полнодоступной неблокирующей пространственно-временной КС. В качестве коммутационной системы ОПС используется неоднородная пространственно-временная коммутационная система. Эта система может рассматриваться как состоящая из двух включенных параллельно однородных подсистем. Первая подсистема /подсистема первого выбора ПС I/ представляет из себя однозвеннуга систему синфазной коммутации каналов. Вторая подсистема /обходная подсистема ПС 2/ представляет из себя трехзвен-нуго пространственно-временную КС. Выбор такой модели системы коммутации позволяет исследовать достаточно общий класс коммутационных систем, который нашел отражение во многих теоретических работах и экспериментальных системах [1−8,49−51) 55−57,66−65], однако ввиду значительной структурной сложности КС этот класс до сих пор еще мало исследован [1−5,7,68] .

Цель работы заключается в решении следующих задач: выборе критериев для оценки эффективности построения коммутационных систем и управляющих устройстввыборе дисциплин обслуживания заявок для неоднородной КС опорной станции, которые по выбранным критериям являются наиболее эффективными как с точки зрения коммутационной системы так и с точки зрения функции выбора путиразработке методов расчета вероятности потерь в неоднородной КС опорной станции, которые позволяют учитывать выбранные дисциплины обслуживания заявокразработке метода оценки влияния разных принципов управления на сложность функции выбора путиотыскании рационального решения для построения рассматриваемой местной ИЦСС в отношении выбранных критериев.

Метод исследования. Метод исследования основан на использовании теории телетрафика, теории автоматических систем коммутации, статистического моделирования, программных моделей и исследования операций.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем: в системном подходе к исследованию поставленной задачи, при которм дисциплина обслуживания заявок в неоднородной пространственно-временной коммутационной системе с предложенной структурой была выбрана на базе комплексного исследования коммутационной системы и управляющего устройствапоказана целесообразность ограничения максимально допустимого числа попыток поиска пути при обслуживании вызовов в неоднородной КСразработан метод расчета вероятности потерь в неоднородной КС, позволяющий учитывать произвольное число попыток поиска пути при раздельном способе управленияразработан метод расчета вероятности потерь в неоднородной КС, который позволяет учитывать произвольное число попыток поиска пути при общем способе управленияразработаны алгоритмы и программы вычисления вероятности потерь, позволяющие с помощью метода итерации определить на ЭВМ вероятности потерь в неоднородной КС как при раздельном тазе и при общем способах управления и при ограниченном числе попыток поиска путиразработан метод определения среднего времени реализации функции выбора пути, который позволяет определить достаточно точно и быстро этот важный временной показатель независимо от структуры и сложности алгоритма.

Личный вклад. Все результаты, представленные в работе, получены автором лично.

Содержание работы. Первая глава посвящена рассмотрению возможных принципов управления установлением соединения на местной ИЦСС и выбору тех принципов управления, которые должны быть подробно исследованы в диссертационной работе, а также анализу построения УУ и структуры КС интегральных узлов коммутации. Взбираются критерии, по которым в дальнейшем должна быть оценена эффективность принципа раздельного и принципа общего управления на исследуемой местной ИЦСС. В конце первой главы рассматриваются методы исследования, с помощью которых могут быть определены выбранные параметры. Показываются преимущества и недостатки этих методов.

Во второй главе исследуются разные алгоритмы выбора пути для различных принципов управления. Для выбора наиболее эффективных по временным параметрам алгоритмов используется метод, который разрабатывается в первой части главы. Выбор наиболее эффективных алгоритмов осуществляется не только с учетом заданного качества обслуживания заявок, но и также с учетом временных параметров алгоритмов выбора пути и с. учетом объема памяти ЭУМ. В этой же главе проводится сравнение результатов раздельного и общего управления меж.

ДУ собой в отношении их влияния на сложность 77 опорной станции каждого из этих принципов управления.

Третья и четвертая главы посвящены разработке инженерных методов расчета вероятности потерь в неоднородной ПВКС опорной станции, которые позволяют учесть выбранные во второй главе дисциплины обслуживания заявок для раздельного и общего управлений. Предложенные методы отличаются от подобных известных методов в основном тем, что расчет вероятности потерь производится с учетом ограничения числа попыток поиска свободного соединительного пути как во всей коммутационной системе так и в ее обходной подсистеме. Разработка этих методов расчета дополняется исследованием определения отдельных видов потерь и алгоритмов их вычисления. Точность расчета оценивается по степени согласованности теоретических результатов с результатами статистического моделирования. Проводится сравнение объема оборудования КС опорной станции и оценка экономического эффекта в построении КС при переходе от раздельного к общему управлению.

В заключении приводятся основные результаты работы.

В приложениях I и 2 приведены результаты статистического моделирования и аналитического расчета ПВКС с обходными путями для различных способов управления. Приложение 3 содержит программу вычисления вероятности потерь, написанную на языке АЛГАМ.

Основные положения, выносимые на защиту.

Метод расчета вероятности потерь в неоднородной КС, позволяющий учитывать число попыток поиска пути при раздельном способе управления.

Метод расчета вероятности потерь в неоднородной КС, позволяющий учитывать число попыток поиска пути при общем способе управления.

Метод определения среднего времени реализации функции выбора пути для алгоритмов выбора пути с произвольной структурой и сложностью.

Результаты исследования алгоритмов выбора свободного соединительного пути.

Практическая ценность. Проведенные в диссертации исследования способов управления на местной сети показали, что переход к общему управлению позволяет резко снизить при заданных нагрузках вероятность потерь или повысить при заданном качестве обслуживания пропускную способность местной сети связи, что снизит затраты и уменьшит расход кабеля на линейные сооружения между концентраторами и станцией.

Методы расчета вероятности потерь в коммутационных системах для раздельного и общего способов управления на сети представляют самостоятельный интерес и могут быть использованы для расчета вероятности потерь не только в рассмотренных в диссертации коммутационных системах, а также, с некоторыми изменениями, в коммутационных системах с отличной от исследованной структуры, как однородных так и неоднородных. Эти методы также позволяют при заданной норме потерь в системе коммутации определить оптимальное число попыток поиска пути.

Разработанный метод определения среднего времени реализации функции выбора пути может быть использован для оценки быстродействия не только этой функции управления, а также для оценки других функций управления независимо от структуры их алгоритмов и применим не только для анализа алгоритмов управления электронных, но и квазиэлектронных станций.

Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы для использования в научно-исследовательских и проектных организациях СССР и ГДР, занимающихся проблемами построения интегральных цифровых сетей связи.

Использование результатов работы. Результаты работы были использованы научно-исследовательским Институтом техники связи г. Берлин при разработке эскизного проекта интегральной оконечно-узловой телефонной станции. Предложенный в диссертационной работе метод определения среднего времени реализации функции выбора пути был применен для выбора оптимального алгоритма поиска пути.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на ряде рабочих совещаний в Институте техники связи г. Берлин и в Техническом ВУЗ г. Ильменау в ГДР, а также на заседаниях профес-соро-преподавательского состава кафедры АЭС МЭИС.

Публикации. По материалам диссертационной работы автором опубликованы самостоятельно две работы [69,70] и одна работа в соавторстве [71].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа содержит 136 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 3 таблицы. В списке литературы 104 наименования.

Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1. Показана на основе программных моделей для выбранной ЭУМ необходимость и целесообразность ограничения числа попыток поиска пути ввиду больших значений максимального времени Т^д^ занятия управляющего устройства при обслуживании вызова.

2. Показана на основе статистического моделирования допустимость ограничения числа попыток поиска пути в исследованной ПВКС с обходными путями без существенного ухудшения качества обслуживания заявок. При этом результаты статистического моделирования показали, что при раздельном управлении для нахождения свободного соединительного пути между заданным входящим временным каналом и асинфазным временным каналом в исходящем направлении достаточно осуществить 3+5 попыток поиска свободного соединительного пути в асинфазной трехзвенной подсистеме коммутации.

3. Сходная зависимость вероятности общих потерь в неоднородной коммутационной системе от числа попыток поиска пути имеет место и при способе общего управления. Однако, в этом случае скорость уменьшения вероятности общих потерь здесь существенно зависит от числа обходных путей в системе коммутации.

Введение

ограниченного числа попыток установления соединения при этом способе управления сказывается более критичным в отношении вероятности потерь и должно осуществляться на основе компромисса между объемом коммутаци-онногфборудования и временем занятия управляющего устройства.

4. Разработан метод определения среднего времени Тср занятия 77 для реализации некоторой функции по заданному алгоритму управления.

Данный метод позволяет получить достаточно точную и быструю оценку важного временного показателя ТСр. При этом алгоритм управления может иметь любую структуру. Исходными данными для оценки вероятностей перехода между отдельными операторами алгоритма управления являются непосредственно результаты статистического моделирования.

5. Предложены как для принципа раздельного так и для принципа общего управлений на рассмотренной местной ИЦСС алгоритмы выбора свободного соединительного пути, которые по выбранным критериям для оценки их эффективности оказались оптимальными.

В качестве критериев были выбраны качество обслуживания заявок, минимальное Тиин, среднее ТСр и максимальное Тмакс время реализации алгоритмов выбора пути с привязкой к структурным и нагрузочным параметрам исследованных коммутационных систем и объем памяти ЭУМ, требуемый для запоминания отдельных программ выбора пути и для запоминания необходимых данных.

Оптимальным алгоритмом для принципа раздельного управления оказался алгоритм, а для принципа общего управления — в зависимости от числа обходных путей — алгоритмы 013 или СН^.

6. На примере местной ИЦСС емкостью 8000 абонентов показана возможность перехода от раздельного к общему управлению без существенного увеличения значений временных параметров функции выбора пути при сохранении заданного качества обслуживания заявок.

7. Разработан метод расчета вероятности потерь в 11ВКС с обходными путями, который позволяет учитывать дисциплину обслуживания заявок для принципа раздельного управления /входящий в КС опорной станции временный канал задан/.

Данный аналитический метод отличается от существующих методов расчета вероятности потерь в КС с идентичной структурой в основном тем, что в нем учитывается ограничение числа попыток поиска в трехзвенной обходной КС /попытки поиска ПА/. Результаты, полученные по данному методу, хорошо согласуются с результатами статистического моделирования.

8. Разработан метод расчета вероятности потерь в ПВКС с обходными путями, когда входящий в КС опорной станции временный канал не является фиксированным /принцип общего управления/.

Предложенный аналитический метод позволяет учитывать дисциплину обслуживания заявок, которая предусматривает ограничение числа временных каналов во входящем направлении, для которых в случае их свободности предпринимается попытка синфазной или асинфазной коммутации с одним из свободных временных каналов в исходящем направлении /ограничение числа попыток поиска ПВ/, а также ограничение числа попыток поиска пути ПА. Результаты, полученные по предложенному аналитическому методу, хорошо согласуются с результатами статистического моделирования.

9. Показан на основе результатов статистического моделирования и аналитического расчета значительный экономический эффект в отношении объема коммутационного оборудования местной ИЦСС, который возможно получить при переходе от раздельного к общему способу управления. Этот экономический эффект обусловлен значительным сокращением объема блоков асинфазной коммутации в случае общего управления, при котором общий объем оборудования КС опорной станции может быть сокращен в две и более раз.

Предложенный метод определения среднего времени реализации функции выбора пути нашел применение в научно-исследовательском Институте техники связи г. Берлин при разработке эскизного проекта интегральной оконечно-узловой телефонной станции /см. акт о внедрении/.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях СССР и ГДР, занимающихся вопросами построения интегральных цифровых сетей связи.

ЗЖПЮЧЕНИЕ.

Рассмотренная в диссертационной работе проблема выбора оптимального варианта построения местной ИЦСС с учетом двух ее основных составляющих, т. е. коммутационных систем и управляющих устройств, является типичным случаем часто возникающей технико-экономической проблемы выбора экономически оптимальной границы между аппаратной частью и программной частью современных коммутационных узлов. Перемещение этой границы, как правило, приводит к тому, что выигрыш по стоимости одной части влечет за собой такой рост стоимости второй части, так что суммарная стоимость обеих частей системы увеличивается. Однако, эта экономически оптимальная граница не является неизменной. Она может меняться с появлением новых элементов, которые будут использованы для построения той или другой из рассмотренных составляющих, и поэтому должна быть каждый раз заново определяться с учетом конкретных технических и экономических условий. При этом необходимым средством для оценки коммутационных возможностей рассмотренного класса КС являются предложенные в диссертационной работе методы расчета вероятности потерь, а для оценки сложности функции выбора пути — метод определения среднего времени реализации некоторого заданного алгоритма.

Предложенные аналитические методы расчета вероятности потерь в ПВКС с обходными путями позволяют получить оценку коммутационных возможностей данного класса КС. Эти методы являются достаточно точными и могут быть использованы для выбора структуры КС. Для выбора принципа управления может быть использован предложенный в диссертационной работе метод оценки эффективности алгоритмов выбора пути. Этот метод в случае априорно заданных вероятностей перехода позволяет отказаться от статистического моделирования алгоритмов и использовать для определения среднего времени ТСр занятия УУ результаты аналитического расчета. Для более точной оценки алгоритмов, особенно алгоритмов со сложной структурой, целесообразно пользоваться методом статистического моделирования и в сочетании с методом, предложенному во второй главе диссертационной работы, определить все необходимые временные параметры функции управления.

ЕЬгводы: