способ распределения ресурсов в системе электросвязи с множественным доступом

Формула изобретения

1. Способ динамического распределения ресурсов в системе электросвязи с множественным доступом, заключающийся в том, что предварительно выделяют часть общего объема ресурса системы для обслуживания N₀ запросов на передачу речевых сообщений, где N₀ < N_max, N_max - максимально допустимое число запросов для передачи речевых сообщений системой, а остальную часть общего объема ресурса системы выделяют для передачи пакетов данных, измеряют в заданном интервале Т₀ число поступивших запросов N_З на передачу речевых сообщений, сравнивают число поступивших N_З и предварительно заданных запросов N₀, по результатам которого перераспределяют общий ресурс системы для передачи речевых сообщений и пакетов данных, отличающийся тем, что количество запросов на передачу речевых сообщений измеряют на L временных интервалах Т₀, после чего прогнозируют на следующий временной отрезок Т₀ число возможных запросов N_прог на передачу речевых сообщений, которое сравнивают с предварительно заданным числом запросов N₀ и при выполнении условия N₀ < N_прог < N_mах на следующий временной интервал работы системы выделяют часть ресурса, необходимую для обслуживания N_прог запросов, а оставшуюся часть для передачи пакетов данных, причем в случае N_прогN_max весь ресурс системы выделяют для обслуживания запросов на передачу речевых сообщений.

2. Способ п.1, отличающийся тем, что число L временных отрезков T₀ выбирают от трех до пяти.

3. Способ п. 1 или 2, отличающийся тем, что прогнозирование числа возможных запросов для передачи речевых сообщений N_прогi для i-го временного интервала Т₀, где i=L+1, L+2, L+3, ... вычисляют по формуле



или по формуле



где - целая часть числа; st_H,n-1 - квантиль стандартизованного распределения Стьюдента с коэффициентом надежности Н и (L-1) степенью свободы; S_L - сумма квадратов отклонений измеренных и прогнозных значений на L временных отрезках.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу, предназначенному для распределения пропускной способности систем электросвязи с множественным доступом и может быть использовано в системах управления телекоммуникационными сетями.

Известен способ управления рабочей нагрузкой в сети подвижной связи (см. , например, патент РФ 2147795, МПК⁷ Н 04 В 7/26, Н 04 Q 7/20, 20.04.00 г.), характеризуемый тем, что в центре коммутации подвижной связи формируют через заданные интервалы времени файл измеренного графика, который передают в систему управления и в дальнейшем обрабатывают для визуального графического представления на изображении карты, по результатам которого принимают решение на управление рабочей нагрузкой.

Однако известный способ имеет недостатки, связанные с возможным плохим использованием пропускной способности системы и ухудшением обслуживания, поскольку для управления используется оценка графика за предыдущий интервал времени.

Известен также способ, реализованный в устройстве управления передачей пакетной информацией по радиоканалу (см. патент РФ 2168282, МПК⁷ Н 04 Е 29/12, 7/00, 27.05.01 г.). В известном аналоге параметры нагрузки оценивают в процессе функционирования системы передачи и по результатам их оценки адаптируют порядок обслуживания пакетов данных.

Недостатком данного способа является также возможное плохое использование пропускной способности системы и ухудшения обслуживания запросов, поскольку для управления используется оценка графика за предыдущий интервал времени. При этом параметры нагрузки других приоритетов для распределения ресурсов не используют.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ динамического распределения пропускной способности радиоканалов в системах с многостанционным доступом с временным разделением каналов (см. патент РФ 2153240, МПК⁷ Н 04 Q 7/34, 20.07.00 г.). Способ-прототип заключается в том, что задают первоначальное количество временных интервалов для передачи речевых сообщений и пакетов данных, при которых обеспечиваются максимальные возможности системы по передаче информации. Подсчитывают количество занятых временных интервалов для передачи речевых сообщений и пакетов данных за фиксированный промежуток времени. Передают по каналам управления полученные значения занятых временных интервалов за период измерения для передачи информации. Сравнивают количество занятых интервалов времени за период измерения с ранее заданным, по результатам сравнения изменяют количество временных интервалов для передачи речевых сообщений и(или) пакетов данных, доводят новое значение количества временных интервалов для передачи речевых сообщений и(или) пакетов данных до базовой станции.

Однако способ - прототип также имеет недостаток - возможное плохое использование пропускной способности системы и ухудшение обслуживания запросов. Это объясняется относительно низкой точностью прогнозирования необходимого ресурса на последующие временные интервалы работы системы. Действительно, решение о перераспределении ресурсов для передачи речевых сообщений и пакетов данных принимают на основании ранее измеренного значения числа поступивших заявок за заданный интервал времени, при этом игнорируется возможная изменчивость графика, что приводит к неадекватному распределению пропускной способности системы. На следующий интервал измерения выделяют ресурс, который соответствует количеству запросов на последнем временном интервале, в то время как реально системе для обеспечения услуг с заданным качеством может требоваться другая часть ресурса. В этих условиях в большинстве случаев происходит неудовлетворительное перераспределение ресурса между речевыми сообщениями и пакетами данных, что ухудшает использование пропускной способности системы электросвязи с множественным доступом и может приводить к неудовлетворительному обслуживанию запросов.

Целью заявляемого технического решения является разработка способа распределения пропускной способности системы электросвязи с множественным доступом, обеспечивающего повышения использования пропускной способности системы и улучшения качества обслуживания запросов за счет более точного, опережающего определения вероятного значения числа запросов на передачу речевых сообщений.

Для достижения указанного технического результата в известном способе динамического распределения ресурсов в системе электросвязи с множественным доступом предварительно выделяют часть общего объема ресурса системы для обслуживания N₀ запросов на передачу речевых сообщений, где N₀<N, N_max - максимально допустимое число запросов для передачи речевых сообщений системой, остальную часть общего объема ресурса системы выделяют для передачи пакетов данных, измеряют в заданном интервале Т₀ число поступивших запросов N_з на передачу речевых сообщений, сравнивают число поступивших N_з и предварительно заданных запросов N₀, по результатам которого перераспределяют общий ресурс системы для передачи речевых сообщений и пакетов данных, дополнительно измеряют на L временных интервалах Т₀ количество запросов на передачу речевых сообщений. После чего прогнозируют на следующий временной отрезок Т₀ число возможных запросов N_прог на передачу речевых сообщений. Затем сравнивают спрогнозированное число запросов N_прог с предварительно заданным N₀. При выполнении условия N₀<N<N на следующий временной интервал работы системы выделяют часть ресурса, необходимую для обслуживания N_прог запросов, а оставшуюся часть для передачи пакетов данных. В случае, если N_прогN_max, весь ресурс системы выделяют для обслуживания запросов на передачу речевых сообщений.

Число L временных отрезков Т₀ выбирают от трех до пяти.

Прогнозирование числа возможных запросов для передачи речевых сообщений.

Число L временных отрезков Т₀ выбирают от трех до пяти.

Прогнозирование числа возможных запросов для передачи речевых сообщений N_прогi для i-го временного интервала Т₀, где i=L+1,L+2,L+3,..., вычисляют по формуле



или по формуле



где - целая часть числа, st_H,n-1 - квантиль стандартизованного распределения Стьюдента с коэффициентом надежности Н и (L-1) степенью свободы; S_L - сумма квадратов отклонений измеренных и прогнозных значений на L временных отрезках.

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет введения этапа более точного прогнозирования вероятного числа запросов на следующий временной интервал работы системы в ней достигается лучшее использование общего ресурса информационных каналов, что обуславливает повышение ее пропускной способности в динамике функционирования при соблюдении заданных требований к качеству передачи речевых сообщений.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется схемами:

фиг.1 - функциональная схема системы электросвязи с множественным доступом и регистрацией запросов пользователей;

фиг. 2 - график изменения реального числа запросов и спрогнозированного по заявляемому способу;

фиг. 3 - график изменения реального числа запросов и спрогнозированного по последнему значению.

Сущность заявляемого способа и возможности его технической реализации объясняется следующим образом.

Известно, что оперативное управление потоками и канальным ресурсом в сетях связи основывается на оценках входной нагрузки, получаемых в результате измерений количества запросов или занятости обслуживающих устройств за определенный период времени (см. Корнышев Ю.Н., Фань Г.Л. Теория распределения информации. - М.: Радио и связь, 1985, с. 45-49). Чаще всего используется управление, которое можно отнести к адаптивному, поскольку распределение канального ресурса осуществляется после изменения параметров входных потоков. При задержках в реакции на изменения, эффективность управления оказывается низкой и часто вообще теряет смысл, поскольку за время реакции оцененные параметры успевают измениться. Это требует введения избыточности в канальной емкости, рассчитываемой на наихудший случай (например, на час наибольшей нагрузки), то есть приводит к плохому использованию возможностей системы.

Более предпочтительным является управление по прогнозируемым оценкам поступающей нагрузки, что обеспечивает запас по времени на реализацию управления. Очевидно, что реализуемость и целесообразность решения данной задачи зависит от характера изменения во времени прогнозируемого процесса.

Реализация заявляемого способа может быть рассмотрена на примере.

В современной сети электросвязи (радио, проводных, оптиковолоконных, волноводных) с множественным доступом, вариант структурной схемы которой показан на фиг.1, наблюдению и регистрации доступны значения числа требований _з, поступающих на центральную станцию множественного доступа за заданный временной интервал Т₀. В общем случае схема такой сети включает:

аппаратуру пользователя 9, состоящую из передатчика 1 с формирователем запросов 2, приемника 3 с приемником запросов 4;

аппаратуру центральной станции, состоящую из передатчика 1 с формирователем запросов 2, приемника 3 с приемником запросов 4, регистрирующего устройства 5 и устройства управления 6;

канала управления 7 и ресурса информационных каналов 8.

На начальном этапе функционирования устройство управления 6 центральной станции 10 выделяет для передачи речевых сообщений количество информационных каналов 8, необходимое для обеспечения среднего числа запросов пользователей N₀, оставшиеся каналы резервируются для передачи пакетов данных. При поступлении в аппаратуру пользователя 9 заявки на передачу информации определенного вида формирователь запросов 2 формирует запрос, в котором указывает время поступления заявки и вид передаваемой информации. Сформированный запрос передается передатчиком 1 аппаратуры пользователя 9 по каналу управления 7 на приемник 3 центральной станции 10 сети электросвязи с множественным доступом. Приемник 3 выделяет принятый запрос и передает его на приемник запросов 4, где происходит выделение информации о заявке пользователя и доведение ее до регистрирующего устройства 5 аппаратуры центральной станции 10. В регистрирующем устройстве информация записывается в таблицу базы данных с указанием времени поступления запроса, номера пользователя, его приоритета (если такие установлены), вида передаваемой информации. Указанная информация передается на управляющее устройство 6, которое в соответствии с текущем состоянием системы принимает решение на выделение информационного канала 8. Принятое решение доводится до формирователя запросов 2 и приемника запросов 4 центральной станции 10. При отсутствии свободных информационных каналов в регистрирующее устройство 5 поступает команда об изменении ранее произведенной записи, к ней добавляется время отказа в обслуживании и причина (отсутствие свободных каналов). При наличии свободного информационного канала в формирователе запросов 2 формируется запрос с указанием номера пользователя, номера выделенного информационного канала 8: если в текущий момент времени весь ресурс информационных каналов оказывается задействованным, то формируется отказ в обслуживании. Сформированный запрос транслируется в передатчик 1 аппаратуры центральной станции 10, который передает его по каналу управления 7 в приемник 3 аппаратуры пользователя 9. Одновременно по поступившей из устройства управления 6 информации в приемнике запросов 4 аппаратуры центральной станции 10 формируется и передается команда в приемник 3 на изменение режима его работы в соответствии с полученной командой.

Принятый приемником 3 аппаратуры пользователя 9 запрос транслируется на приемник запросов 4, где происходит выделение информации о предоставленном информационном канале или отказе в обслуживании. В случае выделения информационного канала в приемник 3 и передатчик 1 поступает команда на изменение режима работы: в случае отказа в обслуживании передается команда на доведение полученной информации пользователю.

После изменения режимов работы передатчиков и приемников по выделенному каналу ведется информационный обмен. Время начала информационного обмена, вид предаваемой информации, номер пользователя, номер выделенного канала передаются приемником запросов 4 аппаратуры центральной станции 10 в регистрирующее устройство 5, где происходит запись в таблицу базы данных перечисленных параметров.

По окончании информационного обмена формирователь запросов 2 аппаратуры пользователя 9 формирует команду о завершении использования выделенного канала, которая принимается приемником 3 аппаратуры центральной станции и транслируется в приемник запросов 4, где формируется информация, которая передается для записи в регистрирующее устройство 5. В регистрирующем устройстве полученная информация добавляется в ранее сформированную запись таблицы базы данных с указанием времени окончания использования выделенного канала. Аналогичным образом происходит выделение информационных каналов другим пользователям сети. Информация, накопленная в базе данных регистрирующего устройства 5, передается для анализа с целью определения качества обслуживания в устройство управления 6 центральной станции сети множественного доступа. Поступление указанной информации может происходить как по запросам от устройства управления 5, так и инициативно через заранее определенные интервалы времени Т₀. В случае снижения качества обслуживания, т. е, выявления несоответствия между зарезервированным количеством информационных каналов и реально необходимым для обеспечения поступивших запросов пользователей N_з на передачу речевых сообщений за определенный интервал времени Т₀, устройство управления 5 формирует команду на перераспределение канального ресурса между речевыми сообщениями и пакетами данных.

Информация о количестве запросов N_з на ведение информационного обмена, полученная за заданный интервал времени, может использоваться при принятии решений на изменение количества выделяемых ресурсов информационных каналов системы в целях передачи информации различных видов и переключения незадействованного канального ресурса в интересах обслуживания других видов информационной нагрузки, например пакетов данных. Наблюдения, таким образом, образуют временной ряд. В этом случае речь идет о краткосрочном прогнозировании, поэтому временные интервалы ₀ весьма непродолжительны и могут составлять величину от 15 минут до часа (см. Корнышев Ю.Н., Фань Г.Л. Теория распределения информации. - М.: Радио и связь, 1985, с. 45). Учитывая, что результаты измерений достаточно быстро "устаревают", для принятия решения целесообразно использовать ограниченное их количество, от трех до пяти, например, на интервале последнего часа наблюдений. Окончательный выбор временного интервала Т₀ и количества таких временных интервалов L, зависит от конкретной ситуации, назначения сети, ее структуры.

В заявляемом способе предлагается распределять имеющийся ресурс информационных каналов между передачей речевых сообщений и пакетами данных на основе предварительно спрогнозированного количества информационных каналов для передачи речевых сообщений.

Пример реализации заявляемого способа и реально протекающий процесс поступления запросов на передачу речевых сообщений показан на фиг.2.

Из представленного на фиг.2 графика видно, что перераспределение канального ресурса системы происходит через равные интервалы времени наблюдения за процессом поступления речевых запросов Т₀. При этом на следующий временной интервал Т_0i+1 выделяется количество информационных каналов, необходимое для обслуживания N_0i+1 запросов для передачи речевых сообщений, равное предварительно спрогнозированному количеству каналов, необходимых для обслуживания N_прогi+1 запросов. Для расчета количества N_прогi+1 используются раннее зарегистрированное число запросов на информационные каналы для обеспечения передачи речевых сообщений на L временных интервалах. Количество временных интервалов L выбирают от трех до пяти. Чем больше разброс числа запросов, тем большим следует выбирать указанное число L. В большинстве случаев достаточным оказывается значение L равное трем. В рассматриваемом примере предполагается, что временной интервал Т₀ равен пятнадцати минутам, L равно трем. В качестве примера покажем, как производится вычисление количества каналов на пятый временной интервал Т₀₅. Для этого находится сумма значений количества запросов на четвертом N_з4, третьем N_з3 и втором N_з2 интервале измерения, полученное значение делится на число L, равное трем. Соответственно получаем

,

равное пяти, следовательно, на пятый временной интервал функционирования Т₀₅, системы выделяется необходимое для передачи пяти запросов количество информационных каналов, а для передачи пакетов данных используются оставшиеся информационные каналы. Реальная же потребность системы в информационных каналах для передачи речевых сообщений на пятом временном интервале оказывается меньшей, так как за это время поступило всего три запроса. Аналогично производится прогноз и распределение ресурса информационных каналов для шестого и седьмого интервалов времени. Из приведенных на графике фиг.2 результатов видно, что выделяемого количества информационных каналов достаточно для речевых сообщений с заданным качеством, так как ресурса выделяется больше чем реальные потребности системы, т. е. пропускная способность системы используется неудовлетворительно. Однако следует заметить, что так будет не всегда. При дальнейшем возрастании количества запросов на передачу речевых сообщений использование указанного способа может привести к неоправданному ухудшению обслуживания запросов.

Поэтому оправданным является подход, если прогнозные оценки будут строиться с некоторым запасом, по верхним доверительным границам. Из теории математической статистики известно, что доверительные границы для выборок малого размера рассчитываются с использованием квантилей распределения Стьюдента.

Рассматриваемые значения количества интервалов наблюдения лежат в пределах от трех до пяти, что является выборкой малого размера. Для расчета верхней доверительной границы указанной выборки необходимо задаться требуемым коэффициентом надежности Н и определить количество степеней свободы, которое в соответствии с теорией математической статистики должно быть на единицу меньше объема выборки, то есть L-1.

Прогноз количества заявок на передачу речевых сообщений производится по формуле:



где - целая часть числа, i=L+1, L+2, L+3,...

st_H,n-1 - квантиль стандартизованного распределения Стьюдента с коэффициентом надежности Н и (L -1) степенью свободы; S_L - сумма квадратов отклонений измеренных и прогнозных значений на L временных интервалах измерения Т₀. Приведенная формула описана, например, в книге Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. - М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1964, с.324-327. Значения квантилей стандартизованного распределения Стьюдента для различного числа степеней свободы и коэффициентов надежности известны и представлены в виде таблиц, например, в книге Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. - М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1964, с. 568-569.

Применение указанного способа показано на графике фиг.2. Покажем распределение ресурса с использованием верхней доверительной границы на примере прогнозирования количества запросов на восьмой интервал времени Т₀₈. В соответствии с приведенной формулой первое слагаемое будет рассчитываться следующим образом:



подставив значения указанных величин получим, что математическое ожидание количества заявок на восьмой интервал времени равно четырем. Второе слагаемое определяется следующим образом:



приняв коэффициент надежности равным 95%, получим, округлив до ближайшего целого, три заявки. Следовательно, на восьмой временной интервал необходимо выделить информационных каналов для передачи семи заявок речевых сообщений и оставшиеся каналы использовать для передачи пакетов данных. Реально N_з8 на восьмом временном интервале наблюдения Т₀₈ в соответствии с графиком фиг.2 составляет шесть запросов.

Для сравнения приведем пример распределения пропускной способности системы электросвязи множественным доступом, используя способ-прототип.

В указанном способе для определения количества запросов пользователей, используется последнее из наблюдений N_з. Пример такого прогнозирования и реально протекающий процесс поступления запросов на передачу речевых сообщений показан на фиг.3. Из представленного на фиг.3 графика видно, что перераспределение канального ресурса системы происходит через равные интервалы времени наблюдения за процессом поступления речевых запросов T₀. При этом на следующий временной интервал T_0i+1 выделяется количество информационных каналов, необходимое для передачи N_0i+1 запросов речевых сообщений, равное количеству запросов N_зi, поступивших на предшествующем интервале наблюдения, а оставшаяся часть канального ресурса используется для передачи пакетов данных.

Так на пятый временной интервал Т₀₅ , для передачи речевых сообщений выделяют количество информационных каналов, необходимое для обслуживания N₀₅ запросов равное N_з4, поступивших за четвертый временной интервал Т₀₄. В рассмотренном случае выделенного числа информационных каналов оказывается более чем достаточным для обеспечения передачи речевой информации с требуемым качеством, так как для обслуживания поступивших за пятый временной интервал Т₀₅ речевых сообщений необходимо меньшее количество информационных каналов. Было выделено из расчета, что поступит восемь запросов на передачу речевых сообщений и оставшееся каналы будут использованы, для передачи пакетов данных, а реально за указанное время поступило три запроса на передачу речевых сообщений. При медленном увеличении запросов на передачу речевых сообщений системой будет постоянно выделяться меньшее количество ресурса информационных каналов для передачи речевых сообщений, вследствие чего произойдет ухудшение качества обслуживания абонентов, а при медленном уменьшении - всегда будет наблюдаться избыток выделяемых каналов.

Данный факт может быть проиллюстрирован на примере выделения канального ресурса для передачи речевых сообщений на шестом временном интервале Т₀₆. В соответствии с изложенным выше принципом на шестой временной интервал Т₀₆ необходимо выделить количество информационных каналов, необходимое для передачи N₀₆ запросов речевых сообщений, равное N_з5 - количеству, необходимому для обслуживания речевых сообщений, поступивших во время пятого временного интервала ₀₅ (три запроса), а оставшееся каналы использовать для передачи пакетов данных. Фактически же во время шестого интервала Т₀₆ поступило четыре запроса вместо предполагаемых трех, что приведет к отказу в обслуживании части речевых сообщений.

Реализация заявляемого способа в современных системах электросвязи не представляется технически сложной задачей, так как большинство современных систем управления такими сетями строятся на базе вычислительной техники со специализированным программным обеспечением.