ALGORITHM OF CHOOSING A PLACE OF ALLOCATION OF NODES OF INFORMATION COMMUNICATION NETWORKS, BASED ON APPLICATION OF THE GENERALIZED QUALITY INDICATOR
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
4.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 71
to 78
Status:
Published
Received:
05.04.2015
Accepted:
28.02.2020
Published:
25.04.2015
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 338.45
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 338.45
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
algorithm, information communications, system, structure, synthesis, multivariant, graph, communication node, information transition
Abstract (English):
The mathematical model to choose the location of the nodes of information and communication network, taking into account the conditions in the region, is developed. It is stated that most models, based on the graph theory, actually do not have information on the reasons of allocation of the nodes in the certain places. During the process of creating the structure of information and communication system, a designer uses his experience and accumulated knowledge base on the construction of communication networks. However, the designer cannot always take into account the effect of the inter-structural relationships of different systems in the region on the information and communication network. The results of multivariate analysis of socio-economic region assisted to formalize the problem of constructing the structure of the modern information and communication systems, taking into account the impact of social and economic factors. It is demonstrated that the complexity of the transition from the functional description of the model to the analysis of the relationships is associated with the need to transition to a unified system of evaluation of the parameters having different dimensions. Within the developed graph model, transition to the unified system of evaluation of the various parameters describing both information and communication system and the region of its introduction is presented. This transition allows to transfer the real characteristics to the generalized indicator of the quality of functioning of the system element. The algorithm of the model functioning, aimed at choosing the location of the nodes of information and communication network, taking into account the conditions of the region, is developed. The application of the proposed calculation of the generalized indicator of quality is possible not only during the process of designing the information and communication system, but also when creating and studying other systems with network structure, which are in interaction with the social and economic systems of the region.
The mathematical model to choose the location of the nodes of information and communication network, taking into account the conditions in the region, is developed. It is stated that most models, based on the graph theory, actually do not have information on the reasons of allocation of the nodes in the certain places. During the process of creating the structure of information and communication system, a designer uses his experience and accumulated knowledge base on the construction of communication networks. However, the designer cannot always take into account the effect of the inter-structural relationships of different systems in the region on the information and communication network. The results of multivariate analysis of socio-economic region assisted to formalize the problem of constructing the structure of the modern information and communication systems, taking into account the impact of social and economic factors. It is demonstrated that the complexity of the transition from the functional description of the model to the analysis of the relationships is associated with the need to transition to a unified system of evaluation of the parameters having different dimensions. Within the developed graph model, transition to the unified system of evaluation of the various parameters describing both information and communication system and the region of its introduction is presented. This transition allows to transfer the real characteristics to the generalized indicator of the quality of functioning of the system element. The algorithm of the model functioning, aimed at choosing the location of the nodes of information and communication network, taking into account the conditions of the region, is developed. The application of the proposed calculation of the generalized indicator of quality is possible not only during the process of designing the information and communication system, but also when creating and studying other systems with network structure, which are in interaction with the social and economic systems of the region.
Keywords:
algorithm, information communications, system, structure, synthesis, multivariant, graph, communication node, information transition
algorithm, information communications, system, structure, synthesis, multivariant, graph, communication node, information transition
Введение Современные системы инфокоммуникации имеют сложную структуру. Сложность структуры заключается в наличии большого количества разнородных элементов в виде провайдерского и абонентского оборудования. С учетом большой разнородности используемого в инфокоммуникационных сетях оборудования необходимо правильно оценивать начальные условия в процессе проектирования (или) модернизации структуры сети в заданном регионе. Спецификой современного рынка телекоммуникаций является неравномерность внедрения технологий в различных странах и регионах, при этом пользователю необходимо предоставлять определенный перечень современных информационных услуг. Уровень развития инфокоммуникационной системы (ИКС) зависит от многих факторов: социальных, экономических, политических, климатических и других особенностей региона. В свою очередь развитие многих социальных, экономических, политических региональных систем тесно связано с уровнем проникновения информационных технологий. Следовательно, в процессе разработки проектов по созданию или модернизации ИКС необходимо учитывать не только технические параметры оборудования, но и принимать во внимание межструктурные взаимосвязи различных систем региона. Разработана математическая модель для выбора расположения узлов ИКС [1-3]. Она позволяет с достаточной степенью точности описать широкий класс систем. Совместное использование математической модели системы с современной вычислительной техникой и средствами обработки информации позволяет всесторонне исследовать взаимодействие системы с внешней средой [3]. Для исследования и описания ИКС широкое распространение получили методы теории графов [4]. На основе теории графов созданы топологические модели различных проводных и беспроводных сетей, систем спутниковой связи, самоорганизующихся сетей ad hoc и сенсорных сетей [5-7]. Исследование графовых моделей ИКС показало, что топологическая структура воспринимается как совокупность технических характеристик узлов и каналов связи. Отмечено, что во многих моделях, основанных на теории графов, в явном виде не представлена информация о причинах расположения узлов в определенном месте. Опыт строительства ИКС и исследования в области выбора наиболее оптимального (по заданным критериям) места расположения оборудования оператора связи [2, 8] показали, что начальные условия, которыми руководствуются проектировщики во время определения точек установки оборудования, играют важную роль в процессе дальнейшей эксплуатации топологической структуры телекоммуникационной сети. Очевидно, что необходимо и в дальнейшем развивать направление исследований, связанное с построением графовых моделей сетевых топологических структур ИКС. В первую очередь следует расширять возможности графовых моделей в области формализации межструктурных взаимосвязей различных систем региона для выявления мест наиболее целесообразного расположения телекоммуникационного оборудования. Цель исследования - расширить функциональные возможности графовых моделей по формированию топологических структур инфокоммуникационных сетей с учетом региональных особенностей. Исследование моделей сетевых топологических структур и формализация задачи разработки алгоритма выбора расположения узлов инфокоммуникационной сети с учетом условий региона В основу топологических моделей систем связи заложена теория графов. Согласно теории графов, система связи представлена в виде графа , где - множество вершин графа, а E - множество ребер графа. Применительно к инфокоммуникационным сетям вершины графа - это телекоммуникационное оборудование в узлах связи, а ребра - каналы передачи информации. Вершинам и ребрам графа соответствует определенный вес - величина, характеризующая параметры оборудования, расположенного в узлах связи, или свойства среды распространения в каналах передачи информации. С учетом параметров узлов и каналов связи рассчитываются матрицы, описывающие состояние топологии инфокоммуникационной сети. Примерами подобных матриц являются матрицы инцидентности, весов каналов связи между вершинами и др. На основании полученных матриц при помощи алгоритмов поиска кратчайших маршрутов, маршрутов максимальной пропускной способности, выбора центральной вершины и т. д. формируются руководства по управлению структурой инфокоммуникационной сети. Например, рассчитывается таблица оптимальных по критерию пропускной способности маршрутов передачи информации между заданными парами узлов сети [7]. С учетом проектирования ИКС, специфики работ узлов и свойств среды распространения сигнала разработаны различные классы графовых моделей, такие как модели дискретного времени [6], которые используются для описания систем космической связи, или модели, основанные на теории случайных графов [5], которые применяются для описания топологических изменений структур ad hoc и сенсорных сетей. Вопросами формирования топологической структуры ИКС занимается лицо, принимающее решение (ЛПР), т. е. проектировщик, инженер или специалист в области установки и наладки оборудования. В процессе формирования топологии сети ИКС проектировщик использует свой практический опыт и базу знаний в виде готовых программных средств, методик и рекомендаций по проектированию, монтажу и последующей эксплуатации структурного элемента системы. После завершения работы над проектом структуры ИКС выносится решение, которое оптимально по определенным критериям, установленным техническим заданием на проектирование, или критериям, выбранным на усмотрение ЛПР, в соответствии с определенными нормативными требованиями. Однако особенности региона, его социальный и экономический климат в явном виде достаточно слабо формализуются как в техническом задании, так и в процессе начальных предпроектных работ. Одной из наиболее успешных попыток формализовать процесс формирования топологической структуры ИКС является постановка задачи на проектирование компьютерной сети, приведенная в [9]. Данная задача сводится к выбору топологической структуры минимальной стоимости, которая отвечает установленным нормам качества и относится к числу технически реализуемых решений, а также включает учет характеристик технической (аппаратной) и логической (протокольной) структур сети, при этом социально-экономические особенности среды, где будет развертываться система, в явном виде не учитываются. В ходе исследований [2], направленных на проведение социально-экономического анализа потенциального места развертывания современной ИКС, для более полного учета внешних факторов, влияющих на развитие телекоммуникационной сети, было решено модернизировать задачу проектирования компьютерной сети, представленной в [9], к следующему виду: (1) (2) (3) где U - характеристики трафика в ИКС; Ω - параметры аппаратной части структуры ИКС; Y - характеристики логической (протокольной) составляющей, используемой для управления аппаратной части; E - параметр, учитывающий свойства системы энергообеспечения региона; T - параметр, характеризующий доступность транспортных средств в точке установки телекоммуникационного оборудования; D - дополнительные затраты для компенсации и (или) устранения влияния деструктивных факторов. К числу деструктивных факторов относят климатические и социальные особенности региона в плане политической стабильности и наличия фактов вандализма в регионе. В целом функционалы (1)-(3) аналогичны функционалам постановки задач проектирования компьютерной сети [9] и отличаются лишь тем, что учитывают большее количество начальных факторов. Функционал (1) - требует поиска структуры инфокоммуникационной сети минимальной стоимости и формализует общую задачу проектирования. Функционал (2) - устанавливает ограничения на соответствие структуры множеству установленных норм и показывает необходимость требований, которым должна отвечать структура. Функционал (3) - определяет условия достаточной принадлежности проектируемой структуры к множеству технически реализуемых структур с тем, чтобы система использовалась на практике. Несмотря на более полный учет условий в функционалах (1)-(3), экономический фактор в них учитывается только со стороны затрат, при этом объемы потенциальной прибыли от реализации проекта формально не упоминаются, а, как известно, именно инвестиционная привлекательность проекта играет ключевую роль в выделении средств на его реализацию. Кроме того, в функционалах (1)-(3) указано фактически только направление, по которому должно двигаться ЛПР, при этом конкретных рекомендаций по разработке новой или модернизации существующей структуры ИКС в явном виде данные функционалы не обеспечивают. Следовательно, необходимо дальнейшее развитие формального аппарата, расширяющего возможности топологических графовых моделей в области проектирования и исследования инфокоммуникационных сетей. Новые топологические модели должны учитывать не только технические, но и другие факторы межструктурного взаимодействия с различными системами региона. Разработка алгоритма, расширяющего возможности графовых моделей в области выбора расположения узлов инфокоммуникационных сетей с учетом условий региона По результатам анализа методов формального описания топологии систем телекоммуникаций при помощи теории графов, многофакторного исследования потенциальной зоны развертывания современной инфокоммуникационной сети [2] и постановки задачи проектирования новой сетевой топологической структуры с учетом особенностей региона предлагается провести модернизацию графовой модели. В модернизируемой графовой модели вес вершин и ребер графа целесообразно представить в виде комплексного параметра, учитывающего, помимо технических характеристик сети телекоммуникаций, еще и факторы, связанные с социальными, экономическими, политическими и климатическими особенностями региона. Таким образом, граф сети можно описать в виде , где Vm, Em - вершины и ребра графа, вес которых оценивается при помощи комплексной характеристики. Данный вес описывает не только параметры аппаратной части телекоммуникационной системы, но и место расположения оборудования в регионе, где происходит создание или модернизация ИКС. Параметры , удобно представить в виде некоторого множества характеристик: (4) (5) где на начальном этапе формирования модели значения переменных аналогичны значению переменных в функционалах (1)-(3), но в процессе развития модели данный набор может расширяться и изменяться в зависимости от региональных особенностей и целей создания ИКС. Результатом работы данной модели (аналогии с другими моделями, основанным на теории графов) является матрица, при помощи которой описывается состояние топологии сети. При помощи полученной матрицы формируется база данных, содержащая рекомендации по поддержке принятия решений в процессе строительства и управлению в ходе эксплуатации сети. Например, при помощи данной матрицы определяются места рекомендованной установки элементов подсистемы доступа, управления и транспортной сети региональной телекоммуникационной инфраструктуры. Аналитически вес вершин и ребер графа при помощи функционалов (4, 5) определяется как сумма веса параметров, характеризующих данную вершину. С позиции перехода от функционального описания модели к определению аналитических зависимостей данная задача вызывает наибольшую сложность в формировании модели, т. к. связана с необходимостью перехода к единой системе оценки как качественных, так и количественных характеристик как самой ИКС, так и территории развертывания системы в регионе. Более того, дополнительную сложность создают различные единицы измерений, которые описывают количественные характеристики сети в регионе. В рамках разрабатываемой графовой модели переход к единой системе оценки различных параметров ИКС предлагается осуществить при помощи перехода от реальных (физических или экономических) характеристик к обобщенному показателю качества функционирования элементов системы. Данный переход на начальном этапе развития модели предлагается проводить при помощи следующей последовательности операций. 1. Определяется множество характеристик узлов или ребер , которые описывают качество работы проектируемых элементов системы (срок окупаемости, быстродействие, отказоустойчивость, готовность и др.). 2. При помощи балльной системы оценивается, насколько качественно обеспечивается поддержание данных характеристик в системе. Это численные значения и , соответственно. 3. Определяется условный эталонный элемент топологической структуры, т. е. элемент, представляющий хорошо проверенное в эксплуатации оборудование. С ним сопоставляется аналогичное по перечню множество характеристик узлов или ребер , описывающих качество его работы. 4. При помощи балльной системы оценивается, насколько качественно характеристики выдаются эталонной системой. Это численные значения и , соответственно. 5. Определяются уровни значимости (удельное значение) характеристик для узлов и ребер в эффективности работы структурного элемента. 6. Определяется показатель качества работы структурного элемента для вершины и ребер графа ИКС, соответственно: , (6) (7) Подобные показатели эффективности рассчитываются для каждого из возможных вариантов мест установки узла или организации канала связи. Побеждает то решение, которое набрало максимальный балл. 7. Определяется вес ребра или вершины. В зависимости от критериев оптимальности выбора места расположения узла сети или построения маршрута передачи информации вес ребра или вершины определяется как и , или как и . Например, выбор может быть связан с особенностью работы алгоритмов определения кратчайшего маршрута, где лучшим считается минимальный вес, или особенностью алгоритма определения маршрута с максимальной пропускной способностью, где лучшим считается максимальный вес. Для удобства дальнейшего использования последовательности всех операций и функционалов (1)-(3) разработан алгоритм работы модели, заключающийся в выборе расположения узлов ИКС с учетом условий региона. Блок-схема алгоритма приведена на рисунке. Алгоритм работы модели для выбора расположения узлов ИКС с учетом условий региона На начальном этапе работы модели операции 1-5 должны осуществляться усилиями группы экспертов. В состав группы экспертов должны входить специалисты в области проектирования, экономики и менеджмента систем телекоммуникаций, специалисты в области обеспечения безопасности и управления экономикой региона. Усилия специалистов должны быть направлены на формирование базы знаний модели. В процессе развития модели база знаний используется для оценки характеристик мест расположения структурных элементов ИКС, а работа экспертов при необходимости направляется на уточнение базы знаний и корректировки исходной модели в случае необходимости повышения адекватности результатов. Подводя итог, можно установить, что показатели качества работы структурного элемента и при наличии достаточного количества параметров описывают место расположения оборудования не только с позиции его технических характеристик, но и позволяют, при достаточной полноте набора параметров, изучить результат системных взаимосвязей социальных, экономических, а также технических систем региона. Показана возможность применения предложенного расчета обобщенного показателя качества не только в процессе проектирования ИКС, но и при создании и исследовании других систем с сетевой структурой, которые в процессе работы находятся во взаимодействии с социальными и экономическими системами региона. Примерами подобных систем являются сетевые магазины, места парковки автомобилей, организации по предоставлению бытовых и других видов услуг населению. Для подобных систем отличия в моделях по определению расположения элементов сетевой топологической структурой заключаются в различии компонентов множества характеристик узлов и ребер графа, выбора условного эталонного элемента, и оценки уровня влияния определенных характеристик на качество работы системы. Для формирования различных моделей по определению расположения элементов системы с сетевой топологической структурой потребуется привлечение различных групп экспертов. Заключение Проведенный анализ моделей топологических структур ИКС показал, что большая их часть ориентирована на исследование сформировавшихся топологических структур и на описание результатов их взаимодействия с внешней средой в виде изменения весов вершин и ребер графа ИКС. Отмечено, что в подобных моделях основанных на теории графов, в явном виде не представлена информация о причинах расположения узлов в определенном месте. В результате решением задачи формирования топологии сети занимается проектировщик. Однако проектировщик не всегда может учесть влияние межструктурных взаимосвязей различных социальных и технических систем региона, влияющих на эффективность работы ИКС. Результаты многофакторного социально-экономического анализа региона позволили формализовать задачу построения структуры современной ИКС с учетом влияния социальных и экономических факторов. Показано, что сложность перехода от функционального описания модели к получению аналитических зависимостей связана с необходимостью перехода к единой системе оценки параметров, имеющих разную размерность. В рамках разрабатываемого алгоритма для выбора места расположения узлов и каналов связи в структуре инфокоммуникационной сети предложен переход к единой системе оценки различных параметров, описывающих как саму систему передачи информации, так и регион ее внедрения, что позволяет перейти от реальных характеристик к обобщенному показателю качества функционирования элемента системы. Показана возможность использования предложенного расчета обобщенного показателя качества не только в процессе проектирования сетей инфокоммуникаций, но и при создании и исследовании других систем с сетевой структурой, которые в процессе работы находятся во взаимодействии с региональными социальными и экономическими системами. Таким образом, разработанный алгоритм открывает возможности более полного исследования взаимного влияния различных региональных систем, имеющих сетевую топологическую структуру.
1. Vishnevskiy V. M. Shirokopolosnye besprovodnye seti peredachi informacii / V. M. Vishnevskiy, A. I. Lyahov, S. L. Portnoy, I. V. Shahnovich. M.: Tehnosfera, 2005. 592 s.
2. Dmitriev V. N. Mnogofaktornyy analiz social'no-ekonomicheskogo sostoyaniya Respubliki Chad dlya sozdaniya sovremennoy infokommunikacionnoy infrastruktury / V. N. Dmitriev, Yusuf Ahmat, A. A. Sorokin.// Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vychislitel'naya tehnika i informatika. 2015. № 1. S. 56-65.
3. Antonov A. V. Sistemnyy analiz / A. V. Antonov. M.: Vyssh. shk., 2004. 454 s.
4. Maynika E. Algoritmy optimizacii na setyah i grafah / E. Maynika. M.: Mir, 1981. 324 s.
5. Ramin Hekmat. Ad-hoc networks: Fundamental properties and network topologies: Technology, The Netherlands and Rhyzen Information and Consulting Services. Netherlands, 2006. 256 p.
6. Werner M. A dynamic routing concept for ATM-based satellite personal communication networks / A. Werner//IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1997. No. 15 (8). P. 1636-1648.
7. Komashinskiy V. I. Sistemy podvizhnoy radiosvyazi s paketnoy peredachey informaciey / V. I. Komashinskiy, A. V. Maksimov // Osnovy modelirovaniya. M.: Goryachaya liniya-Telekom, 2007. 176 s.
8. Kapembe D. K. Sostoyanie i razvitie telekommunikaciy v Zambii s uchetom diversifikacii ekonomiki / D. K. Kapembe, V. N. Dmitriev // Trudy Severo-Kavkazskogo filiala Moskovskogo tehnicheskogo universiteta svyazi i informatiki. Rostov n/D: PC «Universitet» SKF MTUSI, 2011. C. 266-270.
9. Vishnevskiy V. M. Teoreticheskie osnovy proektirovaniya komp'yuternyh setey / V. M. Vishnevskiy. M.: Tehnosfera, 2003. 512 s.
