Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра автоматической электросвязи

Моделирование сетей и систем телекоммуникаций

Методические указания к выполнению лабораторных работ

(для студентов специальностей : 3801- Сети связи и системы коммутации, 3802 – Многоканальные телекоммуникационные системы)

Алматы 2001г.

СОСТАВИТЕЛИ: К.Х.Туманбаева Моделирование сетей и систем телекоммуникации. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальностей 3801 – Сети связи и системы коммутации, 3802 – Многоканальные телекоммуникационные системы) – Алматы, АИЭС, 2001- 25стр.

В методических указаниях изложены вопросы построения имитационных моделей на алгоритмическом языке и на специализированном языке моделирования GPSS/PC, планирования эксперимента. Представлены задания к лабораторным работам.

Табл.-2, библиогр.-7 назв.

Рецензент: д.р .техн.наук, проф. Данилина Г.П.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2000г.

Введение

Курс «Моделирование сетей и систем телекоммуникаций» предназначен для изучения современного метода проектирования и исследования систем и сетей связи – имитационного моделирования.

Цель лабораторных работ – овладение навыками практического моделирования процессов функционирования простейших систем массового обслуживания, многозвенных коммутационных систем и сетей связи.

Первые две лабораторные работы посвящены освоению метода имитационного моделирования систем коммутации на универсальных языках программирования. Третья и четвертая лабораторные работы выполняются с использованием системы моделирования GPSS/ PC.

Лабораторная работа № 1

Планирование машинных экспериментов с имитационными моделями систем коммутации

1.1 Цель работы: изучение методов планирования машинных экспериментов с моделями систем, приобретение навыков решения конкретных задач в режиме диалога с компьютером, проведение имитационных экспериментов в соответствии с построенным планом задания.

1.2 Подготовка к работе

1.1.1 Ознакомиться с алгоритмом и программой, реализующей модель элементарной системы коммутации (программа разрабатывается самостоятельно, РГР №1) [1].

1.1.2 Изучить методы планирования экспериментов на компьютере, в частности метода полного и дробного факторного экспериментов [6].

Задание к работе

Провести анализ зависимости влияния экзогенных переменных модели коммутационной системы, формализованной в виде Q-схемы, на эндогенные переменные с построением плана эксперимента.

В качестве объекта моделирования используется Q-схема (элементарная система коммутации)

1.4 Порядок выполнения работы

а) Получить у преподавателя вариант задания на составление плана машинного эксперимента.

б) Записать формальную постановку задачи в соответствии с полученным заданием.

в) Подготовить исходные данные, необходимые для решения поставленной задачи планирования машинного эксперимента.

г) Провести необходимые расчеты по построению плана эксперимента на компьютере.

д) В соответствии с полученным планом провести машинный эксперимент.

е) Подготовить отчет о работе.

1.5 Варианты лабораторной работы

Вариант	Тип плана	Переменные
		Экзогенные			Эндогенные
		L1	L2	Д1	W	Z	P
1	ДФЭ	+		+	+
2	ДФЭ	+	+			+
3	ПФЭ	+	+	+			+
4	ДФЭ	+	+		+
5	ДФЭ		+	+		+
6	ПФЭ	+		+			+
7	ДФЭ		+	+	+
8	ДФЭ	+	+	+		+
9	ПФЭ	+	+				+
10	ПФЭ	+	+	+	+
11	ДФЭ	+		+		+
12	ПФЭ		+	+			+

Где ПФЭ и ДФЭ - полный и дробный факторный эксперимент соответственно; L1 – интенсивность входящего потока вызовов;

L2 – интенсивность обслуживания вызовов;

Д1 – предельное время ожидания вызова в системе;

W – среднее время ожидания вызова в очереди;

Z - среднее время пребывания вызова в системе;

P – среднее время простоя канала обслуживания.

1.6 Отчет о работе

Отчет должен содержать:

а) задание и исходные данные для выполнения работы;

б) текст программы определения коэффициентов модели планирования эксперимента;

в) блок-схему алгоритма имитационной модели;

г) Результаты обработки экспериментальных данных, анализ полученных результатов и вывода на работе.

Контрольные вопросы

1 Приведите критерий целесообразности использования при моделировании на ЭВМ метода планирования эксперимента.

2 Объясните процедуру формирования машинных экспериментов.

3 Назовите особенности планирования машинного эксперимента.

4 Сформулируйте требования к модели планирования машинного эксперимента.

Лабораторная работа № 2

Исследование характеристик трехзвенной коммутационной системы на ее имитационной модели

2.1 Цель работы: Знакомство и работа с моделью трехзвенной коммутационной системы, в основу которой положена марковская цепь.

2.2 Подготовка к работе

2.2.1 Ознакомится с алгоритмов и программой, реализующей модель трехзвенной системы коммутации (программа разрабатывается самостоятельно).

2.2.2 Изучить характеристики качества обслуживания многозвенных систем коммутации[2].

2.3 Задание к работе

Изучить алгоритм и реализующую программу имитационной модели трехзвенной коммутационной системы. Провести серию имитационных экспериментов, обеспечивающих получение полных и достоверных результатов. Исследовать зависимость между эндогенными и экзогенными переменными модели.

ния работы

а) Получить у преподавателя вариант задания

б) Записать формальную постановку задачи

в) Подготовить исходные данные.

г) Провести необходимые расчеты по построению плана эксперимента на компьютере.

д) В соответствии с полученным планом провести эксперимент.

е) Подготовить отчет о работе.

2.5 Варианты лабораторной работы

Вариант
Вариант	H	V	N	T	P1	P2	P3
1	+	+	+		+
2	+	+	+			+
3	+	+	+				+
4		+	+	+	+
5		+	+	+		+
6		+	+	+			+
7	+		+	+	+
8	+		+	+		+
9	+		+	+			+
10	+	+		+	+
11	+	+		+		+
12	+	+		+			+

Где – H – число направлений;

V – число линий в направлении;

N – число попыток на установление соединения;

T – число занятых источников;

P1 – вероятность потерь из-за занятости всех линий требуемого направления;

P2 – вероятность потерь из-за внутренних блокировок;

P3 – общая вероятность потерь.

2.6 Отчет о работе

Отчет должен содержать:

а) задание и исходные данные для выполнения работы;

б) блок-схему алгоритма имитационной модели трехзвенной коммутационной системы;

в) результаты обработки экспериментальных данных, анализ полученных результатов;

2.7 Контрольные вопросы

1 Как в модели определяется направление, на которое поступил вызов?

2 Как определяется коммутатор первого звена, ан который поступил вызов?

3 Как в модели организован поиск свободного соединительного пути?

Лабораторная работа №3

Имитационное моделирование процессов массового обслуживания

3.1 Цель работы: приобретение навыков моделирования систем, формализованных в виде массового обслуживания, изучение особенностей применения языка GPSS.

3.2 Задание для подготовки

3.2.1 Изучите основные элементы Q-схемы и особенности их структурного представления [6].

3.2.2 Изучите основные операторы системы GPSS, необходимые для моделирования Q-схем [7].

3.3 Объект моделирования

Система, состоящая из обслуживающего прибора, заявки, находящейся на обслуживании, и ожидающих обслуживания заявок, называется системой массового обслуживания (СМО). Системы массового обслуживания являются классом математических схем для моделирования, и называются Q=схемами.

Характерным для работы таких схем является случайное появление заявок в виде требований на обслуживание, и завершение обслуживания в случайные моменты времени.

Таким образом, СМО характеризуется двумя независимыми переменными:

Интервалом времени между последовательными моментами прибытия заявок в систему и временем, требуемым для обслуживания.

Структурно Q-схема представляется в следующем виде:

И Н К

l=….. l=… μ=….

где И – источник заявок; Н-накопитель заявок, К- канал обслуживания; λ - интенсивность поступающего потока заявок, μ - интенсивность обслуживания, l - емкость накопителя.

3.4 Задание к работе

Постройте модель варианта Q-схемы и обеспечьте сбор статистических данных о процессе функционирования системы. Сделайте анализ полученных результатов. Смоделируйте процесс функционирования Q-схемы на языке GPSS на интервале (О,Т), где Т =1000 единиц времени.

l=10       μ₂=20                 μ₂= μ₃=10          μ₄=0,3

8)     И            К₁                              К₂             К₄

К₃

μ₁=0,2

l₁=l₂=5   l₁= l₂=12    μ₁=3,3      μ₂=10

7)     И₁        Н₂          К₂

К₃

μ₁=0,2

6)     И          Н₁           К₁Н₂          К₂

    l=10       l ₁=5       μ₁ =9     l ₂=7       μ₂ =0,2

l₁=l₂=0,1    l₁= l₂=10       μ=0,3

5)     И         Н

К₁

μ₁=0,5

l=…       l=10                 μ₂=0,2

4)     И            Н                             К₁

К₂

μ₁=0,2

    И            Н             К

l=0,1       μ₁=0,1    μ₂=0,4

3)

И            К ₁         Н            К₂

l=0,1       μ₁=0,1    l₁=10      μ₂=0,1

2)

l=0,1       l=10       μ=0,3

1)     И            Н             К

Варианты заданий:

9)     И              К₁              К₂          Н              К₃

l=3           μ₁=0,3      μ₂=0,3    l=12       μ₃=0,1

l₁=l₂=1,3 μ₁= μ₂=0,2

11)     И₁       К₁

Н             К₃

   l=10      μ₁=0,2

       И₂       К₂

10)     И            Н            К₁            К₂

l=0,2       l=5       μ₁=1,3      μ₂=1,5

l₁=l₂=1,4    l=5       μ₁=1,2

12)     И₁          Н

К₂

Μ₂=0,3

3.5 Порядок выполнения работы

3.5.1 Ознакомиться со структурным представлением Q-схемы.

3.5.2 Получить вариант задания у преподавателя.

3.5.3 Составить по заданному варианту программу на языке GPSS.

3.5.4 Отладить программу, получить результаты.

3.5.5. Сделать анализ полученных результатов, составить отчет.

3.6 Отчет о работе

Отчет должен содержать:

3.6.1 Задание и исходные данные по варианту.

3.6.2 Листинг программы.

3.6.3 Результаты работы программы.

3.6.4 Анализ полученных результатов.

3.7 Контрольные вопросы

3.7.1 Приведите элементы Q-схем, используемые для представления процессов массового обслуживания

3.7.2 Какая система называется СМО?

3.7.3 Какие характеристики Q-схемы можно получить в результате имитационного моделирования?

3.7.4 Назовите основные операторы языка SPSS, используемых при моделировании Q- схемы?

Лабораторная работа № 4

Исследование на имитационной модели процесса функционирования концентратора сети интегрального обслуживания

4.1 Цель работы: исследование возможностей и приобретение навыков использования имитационных моделей, реализованных на языке GPSS, для получения вероятностно-временных характеристик процесса функционирования концентратора системы передачи цифровой информации в сети интегрального обслуживания.

4.2 Задание для подготовки:

4.2.1 Ознакомтесь с терминологией в области сетей

интегрального обслуживания.

4.2.2 Изучите особенности работы концентратора сети интегрального обслуживания.

4.2.3 Рассмотрите особенности формализации процесса работы концентратора.

4.2.4 Изучите основные операторы системы GPSS, необходимые для моделирования работы концентратора [7].

4.3 Объект моделирования

Сети ISDN доставляют различные виды информации (оперативные данные и файлы ЭВМ, речь в цифровой форме, факсимильная информация и т.д.) . В данной лабораторной работе рассматривается фрагмент такой сети в виде системы передачи цифровой информации, обеспечивающей процесс взаимодействия цифровых телефонных аппаратов (ЦТА) с цифровым концентратором (ЦК), который представляет собой устройство, обеспечивающее сопряжение входных низкосортных цифровых каналов связи от каждого ЦТА с выходным высокоскоростным цифровым трактом (ЦТ).

В общем случае имеется N цифровых телефонных аппаратов, подключенных к цифровому концентратору, который осуществляет мультиплексирование входящего потока цифровой информации и его дальнейшую передачу по цифровому тракту (рисунок 4.1). Каждый цифровой тракт состоит из шести уплотняемых каналов (кадров). При нормальных условиях функционирования (когда загрузка цифрового тракта меньше 80%) используются пять каналов, в случае временного увеличения загрузки цифрового тракта больше 80% подключается дополнительный канал на время пика нагрузки.

Нагрузка по вызовам, создаваемая одним цифровым телефонным аппаратом, составляет 0,1 Эрланг, а вероятность обслуживания любого вызова равна 0,4. Необслуживание вызова может произойти в результате занятости абонента (время прослушивания сигнала «Занято» равно 15 с) или его отсутствия с равной вероятностью. При отсутствии свободного канала вновь поступивший вызов блокируется. Неoбслуженный вызов становится источником повторных вызовов.

На рисунке 4.2 приведена блок-диаграмма имитационной модели функционирования концентратора.

Поясним алгоритм модели.

Перед началом прогона модели создадим многоканальное устройство определенной емкости. В нашем случае под многоканальным устройством будем

Рисунок 4.1

понимать цифровой тракт, а под емкостью многоканального устройства – число кадров в цифровом тракте.

Зададим все необходимые начальные значения (средняя длительность разговора, вероятность обслуживания, средняя длительность установления связи…), которые будут характеризовать качество связи, а также влиять на получаемые значения статистических данных. Также зададим все необходимые функции распределения случайных чисел.

Блок 1. Введем транзакт в модель.

Блок 2. Создадим необходимое количество копий данного транзакта. Они будут являться абонентами виртуальной сети связи.

Блок 4. Получаем сообщение (транзакт) и задерживаем его на определенный период между вызовами. Таким образом, вызова у нас будут поступать с определенной задержкой.

Блок 7. Проверяем наличие свободного кадра в цифровом тракте. Если свободный кадр есть, то переходим к блоку 8. Если же свободного кадра нет, то

транзакт (сообщение) задерживается до тех пор, пока не появится свободный кадр.

Блок 8. Генерируем случайное число и сравниваем его с вероятностью обслуживания. Если полученное число меньше, то переходим к блоку 9. Если больше – к блоку 18.

Блок 9-13. Позволяем вошедшему сообщению использовать многоканальное устройство. Ставим его в очередь, задерживаем на время обслуживания, потом освобождаем очередь и многоканальное устройство. Т.о. сообщение было обслужено.

Блок 15-16. Проверяем, все ли вызовы были обслужены. Если все вызовы уже обслужены, то переходим к блоку 46. В противном случае создаем еще одну копию входящего сообщения и переходим к блоку 4.

Блок 18. Генерируем случайное число и сравниваем его с процентом не ответов. Если полученное число меньше, то переходим к блоку 31, в противном случае (т.е. процент не ответов выше заданного уровня и мы не можем обслужить сообщение) – к блоку 19.

Блок 19-24. Позволяем вошедшему сообщению использовать многоканальное устройство. Ставим его в очередь, задерживаем на среднее время прослушивания сигнала «занято», потом освобождаем очередь и многоканальное устройство. Т.о. сообщение не было обслужено и пробыло в блоке ровно столько времени, сколько нужно на прослушивание сигнала «занято».

Блок 26. Генерируем случайное число и сравниваем его с функцией настойчивости. Если число меньше или равно функции, то переходим к блоку 27, в противном случае – к блоку 42.

Блок 27-30. Итак, наше сообщение не было обслужено по причине занятости абонента. Задерживаем его на время, равное интервалу между ПВ при занятости абонента и отправляем к блоку 7.

Блок 31-36. Процент не ответов в нашей сети связи ниже заданного уровня. Таким образом, мы можем обслужить еще одно сообщение. Устанавливаем связь. Позволяем вошедшему сообщению использовать многоканальное устройство. Ставим его в очередь, задерживаем его (на среднее время установления связи), потом освобождаем очередь и многоканальное устройство.

Блок 37. Имитируем отсутствие абонента. Генерируем случайное число и сравниваем его с функцией настойчивости при отсутствии абонента. Если полученное число меньше или равно функции, то переходим к блоку 38, в противном случае – к блоку 42.

Блок 38-41. Сообщение не было обслужено по причине отсутствия абонента. Задерживаем сообщение на время, равное среднему интервалу между повторными вызовами и отправляем его к блоку 7. Т.о. мы повторяем попытку.

Блок 42-45. Проверяем, все ли вызовы были обслужены. Если все вызовы уже обслужены, то переходим к блоку 46, в противном случае создаем еще одну копию входящего сообщения и переходим к блоку 4.

Блок 46-50. Записываем в память все статистические данные.

Блок 51-54. Проверяем коэффициент использования многоканального устройства. Если он ниже требуемого уровня, тогда увеличим коэффициент адаптации с тем, чтобы как можно большему числу сообщений предоставлялся свободный кадр в цифровом тракте. Тем самым мы повысим коэффициент использования многоканального устройства. Если же коэффициент выше требуемого уровня, тогда переходим к блоку 55.

Блок 55. Уничтожаем все транзакты и прогоняем модель еще раз.

4.5 Задание к работе

Внести в текст исходной программы изменения, обеспечивающие выполнение индивидуального задания:

4.5.1 определение функции распределения числа повторных вызовов для завершенных разговоров;

4.5.2 получение графика вероятности прекращения вызова в зависимости от числа абонентов в подсети;

4.5.3 получение графика среднего числа попыток на вызов для приближенной функции настойчивости в зависимости от числа абонента в подсети;

4.5.4 получение графика вероятности успешного разговора в зависимости от числа абонентов в подсети;

4.5.5 определение функции распределения числа повторных вызовов для незавершенных разговоров:

4.5.6 определение вероятности блокировки в абонентской подсети для приближенной функции настойчивости;

4.5.7 получение графика среднего числа попыток на один вызов для точной функции настойчивости в зависимости от числа абонентов в подсети;

4.5.8 получение графика вероятности блокировки в абонентской подсети для точной функции настойчивости в зависимости от числа абонентов в подсети.

4.6 Порядок выполнения работы

а) Ознакомиться с методическими указаниями по выполнению данной лабораторной работы.

б) Получить вариант задания у преподавателя.

в) Составить по заданному варианту программу на языке GPSS.

г) Провести имитационный эксперимент с моделью процесса функционирования цифрового концентратора.

Рисунок 4.2 – Алгоритм имитационной модели функционирования

Продолжение рисунка 4.2

Программа имитационной модели функционирования концентратора

В соответствии с блок-диаграммой составим GPSS-программу модели функционирования концентратора цифровой сети связи.

SIMULATE

0001 SVE1 EQU 1

0005 SVE1 STORAGE 6

0010 INITIAL X$ABON,30

0015 INITIAL X$INTER,12000

0020 INITIAL X$RAZG,1200

0025 INITIAL X$PROSL,150

0030 INITIAL X$POFT,600

0035 INITIAL X$OBSL,400

0040 INITIAL X$NEOT,500

0045 INITIAL X$UST,40

0050 INITIAL X$ADAP,5

0055 PER1 FVARIABLE 100000#N$EX1/X$POTER

0060 PER2 FVARIABLE 100000#N$DL1/X$POTER

0065 PER3 FVARIABLE 100000#X$SRED/(N$DL1+N$EX1)

0070 BER1 FVARIABLE X$BLO1+N$ZAN-X$BLO2

0071 BER2 FVARIABLE X$POTER+X$BLO3+X$BLO4

0072 PER4 FVARIABLE 100000#(V$BER1/V$BER2)

0110 EXP FUNCTION RN4,C24

0,0/.100,.104/.200,.222/.300,.355/.400,.509/.500,.690/

.600,.915/.700,1.200/.750,1.380/.800,1.600/.840,1.830/

.880,2.120/.900,2.300/.920,2.520/.940,2.810/.950,2.990/

.960,3.200/.970,3.500/.980,3.900/.990,4.600/.995,5.300/

.998,6.200/.999,7/1,8/

0120 TOCH FUNCTION P3,C7

1,600/2,700/3,750/4,790/5,820/6,850/7,880

0123 OTS FUNCTION P3,C3

1,300/2,400/3,500

0125 GENERATE 1,,,1

0130 SPLIT X$ABON,ACT

0135 TERMINATE

0140 ACT ADVANCE X$INTER,FN$EXP

0145 ASSIGN 3,1

0150 SAVEVALUE POTER+,1

0155 VHO TEST LE S1,X$ADAP

0160 TEST L RN6,X$OBSL,IPV

0161 ENTER 1

0162 QUEUE 1

0163 ADVANCE X$RAZG,FN$EXP

0164 DEPART 1

0165 LEAVE 1

0170 DL1 SAVEVALUE SRED+,P3

0175 TEST NE TG1,1,ED1

0180 SPLIT 1,ACT

0185 TERMINATE 1

0190 IPV TEST G RN7,X$NEOT,NOT

0195 SAVEVALUE BLO2+,1

0196 ENTER 1

0197 QUEUE 1

0198 ZAN ADVANCE X$PROSL,FN$EXP

0199 DEPART 1

0200 LEAVE 1

0205 OTK SAVEVALUE BLO1+,1

0210 TEST LE RN5,FN$TOCH,EX1

0215 SAVEVALUE BLO3+,1

0220 ASSIGN 3+,1

0225 ADVANCE X$POFT,FN$EXP

0230 TRANSFER ,VHO

0235 NOT SAVEVALUE ADR+,1

0236 ENTER 1

0237 QUEUE 1

0238 ADVANCE X$UST,FN$EXP

0239 DEPART 1

0240 LEAVE 1

0245 TEST LE RN6,FN$OTS,EX1

0250 SAVEVALUE BLO4+,1

0255 ASSIGN 3+,1

0260 ADVANCE X$POFT,FN$EXP

0265 TRANSFER ,VHO

0270 EX1 SAVEVALUE SRED+,P3

0275 TEST NE TG1,1,ED1

0280 SPLIT 1,ACT

0285 TERMINATE 1

0290 ED1 SAVEVALUE RES1,V$PER1

0295 SAVEVALUE RES2,V$PER2

0300 SAVEVALUE RES3,V$PER3

0305 SAVEVALUE RES4,V$PER4

0310 TERMINATE 1

0315 GENERATE 1000

0320 SAVEVALUE ADAP,5

0325 TEST G SR1,800,KON

0330 SAVEVALUE ADAP,6

0335 KON TERMINATE

0340 START 500

0341 REPORT REPORT.GPS

0450 END

4.7 Отчет о работе

Отчет долен содержать:

4.7.1 задание и исходные данные по заданному варианту работы;

4.7.2 описание результирующей программы;

4.7.3 результаты решения поставленной задачи.

Контрольные вопросы

1 Перечислите параметры абонентской подсети, определяющие вероятность блокировки поступающего вызова.

2 Назовите характеристики абонентской подсети, зависящие от числа абонентов.

3 Поясните вид функции распределения потока вызовов на выходе цифрового тракта.

4 Назовите параметры подсети, определяющие среднее число

повторных попыток.

Список литературы

1. Лившиц А.Л., Мальц Э.А. Статистическое моделирование систем массового обслуживания. –М.: Сов.радио, 1987.

2. Теория телетрафика: Учебник для вузов / Ю.Н. Корнышев, А.П. Пшеничников, А.Д. Харкевич.- М: Радио и связь, 1996.

3. Ионин Г.Л, Седол Я.Я. Статистическое моделирование систем телетрафика – М.: Радио и связь, 1982.

4. Полляк Ю.Г., Филимонов В.А. Статистическое машинное моделирование средств связи.- М: Радио и связь, 1988.

5. Чагаев Н.С. Моделирование процессов управления в узлах коммутации. М.: Радио и связь, 1984.

6. Советов Б.Я., Яковлев С.А.Моделирование систем. – М.: Высшая школа,1998.

7. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS.-M. Машиностроение, 1980.

Содержание

Введение

1. Лабораторная работа № 1 …………………………………………………..

2. Лабораторная работа № 2 …………………………………………………..

3. Лабораторная работа № 3 …………………………………………………..

4. Лабораторная работа № 4 …………………………………………………..

Список литературы ……………………………………………………………..

Св.план 2000г., поз 84.