СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО МАРШРУТА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ Российский патент 2025 года по МПК H04L45/12 H04L12/00 

Изобретение относится к электросвязи, в частности к способам определения оптимального маршрута передачи информации в системе связи на основе обобщенного показателя оценки эффективности информационного обмена (информационной эффективности), и может быть использовано при создании новых и совершенствовании существующих автоматизированных систем управления, сетей связи с коммутацией сообщений, сетей связи с коммутацией пакетов, в том числе с быстрой коммутацией пакетов.

Известен способ определения оптимального маршрута передачи информации в системе связи, реализованный в протоколе маршрутизации IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) и основанный на алгоритме поиска кратчайших путей Дейкстры [RFC 1142] с использованием различных показателей информационного обмена: пропускная способность канала связи, временная задержка пакетов, показатель «стоимости» передачи данных или надежность передачи пакетов.

Недостатком данного способа является то, что в процессе осуществления маршрутизации в системе связи не обеспечивается комплексный учет возможностей системы по использованию ресурсов каналов (пропускной способности) при передаче информации и ресурсов буферных запоминающих устройств (загрузка) при хранении информации.

Известен способ определения оптимального маршрута передачи информации, реализованный в протоколе маршрутизации RIP (Routing Information Protocol) и основанный на алгоритме поиска кратчайших путей Беллмана-Форда [RFC 1058, RFC 2453] с использованием различных параметров: по количеству транзитных участков, по пропускной способности каналов связи, по временной задержке пакетов или надежности передачи пакетов, а также с использованием комбинаций указанных показателей.

Недостатком данного способа является то, что используемые параметры не отражают предельные возможности системы связи по использованию ресурсов при передаче и хранении информации.

Известен также способ определения оптимального маршрута передачи информации, реализованный в протоколе маршрутизации OSPF (Open Shortest Path First), основанный на алгоритме поиска кратчайших путей Дейкстры [RFC 2328] с использованием: пропускной способности канала связи, временной задержки пакетов или надежности передачи пакетов.

Недостатком данного способа является то, что при определении оптимального маршрута передачи информации не используется обобщенный показатель информационной эффективности системы связи, который на сетевом уровне (на маршруте передачи информации) одновременно учитывает возможности системы по передаче и хранению информации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ асинхронного мультиплексирования элементов данных [патент RU №2320092, H04J 3/00, 20.03.2008, Бюл. №8], заключающийся в передаче элементов данных различных информационных потоков по одному каналу связи, отличающийся тем, что в каждом буферном устройстве определяют значение входной информационной мощности; с использованием равенства информационных мощностей определяют необходимую скорость передачи для каждого информационного потока в цикле передачи, исходя из его входной мощности и допустимого времени задержки, вычисляют, в зависимости от допустимого времени задержки, требуемую скорость передачи; затем, с помощью мультиплексора распределяют пропускную способность между буферными устройствами, исходя из максимальных значений требуемых скоростей передачи.

Недостатком данного способа является то, что обобщенный показатель информационной мощности системы связи используется как критерий для распределения пропускной способности между буферными устройствами при передаче различных информационных потоков по одному каналу связи и не используется при определении оптимального маршрута передачи информации.

Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение средней временной задержки и потерь пакетов за счет оптимального распределения информационных потоков в системе связи при передаче информации от узла-отправителя до узла-получателя путем определения оптимального маршрута на основе обобщенного показателя - коэффициента полезного действия (КПД) передачи информации.

Указанный технический результат достигается тем, что для нахождения оптимального маршрута передачи информации в системе связи от узла-отправителя до узла-получателя используют значение КПД передачи информации на маршруте, для чего, согласно изобретению, за заданный интервал времени Δt_зад измеряют: среднее количество информационных пакетов m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи и среднюю скорость передачи информации m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи; емкость m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи и пропускную способность m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи; в результате чего определяют кибернетические мощности и полные кибернетические мощности, соответственно, на каждом m-ом интервале связи, состоящем из m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи и m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи, по полученным значениям находят значения КПД передачи информации на каждом i-ом маршруте от узла-отправителя до узла-получателя, сравнивают полученные значения КПД передачи информации и определяют маршрут с минимальным КПД передачи информации, по которому осуществляют информационный обмен между узлом-отправителем и узлом-получателем, что позволяет снизить среднюю временную задержку [Межуев A.M., Коренной А.В., Стуров Д.Л., Родионов Д.В. Оценка эффективности информационного обмена в цифровых сетях связи наземно-воздушного базирования: алгоритмическое и программное обеспечение. - М: Радиотехника, 2023. - №9. - С. 138-148] и потери пакетов при передаче информации в системе связи [Mezhuev A.M., Pasechnikov I.I., Sturov D.L., Rybakov D.V. Method and the device of an estimation of information efficiency of telecommunication systems taking into account information losses. Applied Mathematics, Computational Science and Mechanics: Current Problems / IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1902 (2021) 012124]. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.

Сущность изобретения заключается в том, что через заданный интервал времени Δt_зад находят оптимальный маршрут передачи информации из всех возможных маршрутов от узла-отправителя до узла-получателя L₁,…,L_i,…,L_I (i∈ [1…I], где I - количество возможных маршрутов от узла-отправителя до узла-получателя) и определяют, для нахождения которого определяют значения кибернетической мощности

и полной кибернетической мощности

каждого m-ого интервала связи системы связи (m∈ [1…M], где М - количество интервалов связи системы связи), состоящем из m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи и m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи, где Q_m - измеренное среднее количество информационных пакетов m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи за заданный интервал времени Δt_зад; V_m - измеренная средняя скорость передачи информации m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи за заданный интервал времени Δt_зад; N_m - измеренная емкость m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи; C_m - измеренная пропускная способность m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи, после чего, определяют значения КПД передачи информации каждого i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя

где L_i - множество интервалов связи в составе i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя; сравнивают полученные значения КПД передачи информации каждого i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя и определяют оптимальный маршрут L^opt=opt(L₁,…,L_i,…,L_I) по критерию минимального КПД передачи информации η_mjn=min(η_l,…,η_i,…,η_I), по которому осуществляют информационный обмен между узлом-отправителем и узлом-получателем.

Сущность изобретения поясняется следующим. Использование обобщенного показателя - КПД передачи информации на маршруте, при определении оптимального маршрута передачи информации, обеспечивает учет одновременно загрузки буферов и скорости передачи информации каналов связи каждого интервала связи, что согласно известным источникам [Назаров А.Н., Сычев К.И. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров сетей связи следующего поколения. - Красноярск: Издательство «Поликом», 2010. - С. 112, 123] и проведенным исследованиям [Межуев А.М., Коренной А.В. Оценка эффективности сетевых информационных систем обобщенным показателем. М.: Радиотехника. 2021. №3. С. 65-77], позволяет существенно уменьшить среднюю временную задержку и снизить потери пакетов при передаче информации в системе связи. Это, в свою очередь, позволяет своевременно реагировать на изменения условий функционирования системы связи для поддержания высокой эффективности информационного обмена [Межуев А.М., Пасечников И.И., Коренной А.В. Методологические основы организации многоконтурной адаптации в сетевых информационных системах. - М.: Электромагнитные волны и электронные системы, 2019. №4. С. 35-45], путем реализации процедур комплексной многоконтурной адаптации в реальном масштабе времени. При этом для получения всех возможных маршрутов передачи информации может быть использован один из известных алгоритмов поиска кратчайших путей в графе, например, Дейкстры, Беллмана-Форда и др. [Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер. с англ. М: Мир, 1989. С. 371-379].

При описании системы связи, под которой понимается многоканальная система связи или сеть связи, используется понятие объекта связи 1 (фиг. 1), состоящего из основных блоков:

2 - блок устройств ввода информации в систему связи (БУВИ);

3 - блок запоминающих устройств (БЗУ);

4 - блок устройств передачи информации (БУПИ);

5 - блок устройств вывода информации из системы связи (БУВВИ).

Кроме того, структурная схема реализации предлагаемого способа включает в себя блоки измерителя-вычислителя оптимального маршрута передачи информации (ИВОМ) 6 в системе связи:

7 - блок измерения среднего количества пакетов в буферах БЗУ на интервалах связи (БИКП);

8 - блок измерения скорости передачи информации по каналам связи БУПИ на интервалах связи (БИСПИ);

9 - блок измерения емкостей буферов БЗУ на интервалах связи (БИЕБ);

10 - блок измерения пропускных способностей каналов связи БУПИ на интервалах связи (БИПС);

11 - блок вычисления кибернетической мощности на интервалах связи (БВКМ);

12 - блок вычисления полной кибернетической мощности на интервалах связи (БВПКМ);

13 - блок записи и хранения значений кибернетической мощности на интервалах связи (БЗХКМ);

14 - блок записи и хранения значений полной кибернетической мощности на интервалах связи (БЗХПКМ);

15 - блок хранения информации о возможных маршрутах в системе связи (БХИВМ);

16 - блок вычисления кибернетической мощности на маршрутах (БВКМ);

17 - блок вычисления полной кибернетической мощности на маршрутах (БВПКМ);

18 - блок вычисления КПД передачи информации на маршрутах (БВКПД);

19 - блок распределения КПД передачи информации по маршрутам и выдачи оптимального маршрута (БРВОМ);

20 - блок сравнения, записи и определения минимального КПД передачи информации на маршрутах (БЗСО).

Способ определения оптимального маршрута передачи информации в системе связи, может быть осуществлен следующим образом (фиг. 1). Через заданный интервал времени измерений Δt_зад, определяемый условиями информационного обмена в системе связи (1) [Пасечников И.И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей: Монография. - М.: Машиностроение-1, 2004. - С. 136-141] для каждого m-го интервала связи, состоящего из m-го буфера БЗУ (3) и m-го канала связи БУПИ (4), по информации из БЗУ и БУПИ системы связи, например, с помощью счетчиков измеряют: в БИКП (7) и в БИСПИ (8), соответственно, среднее количество информационных пакетов m-го буфера БЗУ Q_m и среднюю скорость передачи информации m-го канала связи БУПИ V_m системы связи за заданный интервал времени Δt_зад; в БИЕБ (9) и в БИПС (10), соответственно, емкость m-го буфера БЗУ N_m и пропускную способность m-го канала связи БУПИ системы связи C_m. Полученные значения Q_m из БИКП и V_m из БИСПИ подают, соответственно, на входы 1 и 2 БВКМ (11), где, например, с использованием перемножителя, по формуле (1) вычисляют кибернетическую мощность m-го интервала связи КW_m. Полученные значения N_m из БИЕБ и C_m из БИПС подают, соответственно, на входы 1 и 2 БВПКМ (12), где, например, с использованием перемножителя, по формуле (2) вычисляют полную кибернетическую мощность m-го интервала связи . Определенные значения КW_m и направляют, соответственно, на входы 1 БЗХКМ (13) и БЗХПКМ (14), выполненные, например, с помощью регистров и запоминающих устройств, для записи и хранения полученных значений. Описанные операции повторяют для каждого m-го интервала связи, входящего в состав системы связи. После чего, в БХИВМ (15) по данным, поступающим на входы 1 и 2, соответственно из БЗУ (3) и БУПИ (4), например, с использованием микроконтроллера, формируют и сохраняют информацию о всех возможных маршрутах передачи информации от узла-отправителя до узла-получателя L₁,…,L_i,…,L_I (i∈ [1,I], где I - количество возможных маршрутов от узла-отправителя до узла-получателя), содержащих m-ые интервалы связи. Далее, из БХИВМ подают на входы 2, соответственно, БЗХКМ и БЗХПКМ управляющие сигналы для выборки значений кибернетической мощности КW_m и m-ых интервалов связи, составляющих каждый i-ый маршрут передачи информации от узла-отправителя до узла-получателя. Выбранные значения КW_m и направляют, соответственно, на входы БВКМ (16) и БВПКМ (17). Затем в БВКМ для каждого i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя последовательно вычисляют значения кибернетической мощности i-го маршрута, а в БВПКМ - значения полной кибернетической мощности i-го маршрута, например, с помощью сумматоров. Полученные в БВКМ и БВПКМ значения KW_i и , соответственно, направляют на 1 и 2 входы БВКПД (18), выполненного, например, на базе делителя, где согласно выражению (3) определяют значения КПД передачи информации η_i каждого i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя. Вычисленные значения η_i одновременно подают на выходы 1 и 2 БВКПД и далее на вход 1 БРВОМ (19) и вход БЗСО (20), соответственно. В БРВОМ, например, с помощью микроконтроллера, по сигналу на его входе 2 с выхода 3 БХИВМ осуществляют распределение значений КПД передачи информации по маршрутам от узла-отправителя до узла-получателя на основе определения однозначного соответствия каждого значения η_i каждому i-му маршруту L_i от узла-отправителя до узла-получателя. При последовательном поступлении значений КПД передачи информации η_i в БЗСО, реализованный, например, на базе запоминающего устройства, компаратора и управляющего коммутатора, осуществляют операции попарного сравнения значений КПД (η_i-1 и η_i) и записи меньшего из двух сравниваемых значений, в результате последовательного выполнения которых определяют наименьшее значение КПД передачи информации η_min=min(η₁,…,η_i,…,η_I). Полученное значение η_min выдают на выход БЗСО и направляют на вход 3 БРВОМ, где по этому значению осуществляют выборку из значений КПД передачи информации. По выбранному значению КПД передачи информации определяют и выдают на выход БРВОМ, являющийся выходом ИВОМ (6), соответствующий маршрут, являющийся оптимальным L^opt =opt(L₁,…,L_i,…,L_I) по критерию минимума значений КПД передачи информации маршрута. Данный маршрут L^opt выдают в БУВИ, БЗУ и БУПИ системы связи и осуществляют по нему информационный обмен между узлом-отправителем и узлом-получателем. Подобный цикл измерений и вычислений через Δt_зад повторяют в процессе функционирования системы связи, чем обеспечивают оптимальную маршрутизацию с одновременным учетом загрузки буферов БЗУ и скорости передачи информации по каналам связи БУПИ на маршруте. Таким образом, способ определения оптимального маршрута передачи информации в системе связи осуществлен в полном объеме.

Все представленные выше операции для осуществления способа, могут быть реализованы, например, с использованием быстродействующих микроконтроллеров [Белов А.В. Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR. - С. - Пб.: Наука и Техника, 2008. - 544 с.].

Отличие предложенного способа от прототипа состоит в том, что он обеспечивает уменьшение средней временной задержки и потерь пакетов за счет оптимального распределения информационных потоков в системе связи при передаче информации от узла-отправителя до узла-получателя путем определения оптимального маршрута на основе значений КПД передачи информации маршрута, который отражает использование ресурсов при передаче и хранении информации по отношению к потенциальным возможностям системы связи с одновременным учетом скоростных характеристик (пропускных способностей) каналов связи и загрузки (емкости) буферов на маршруте передачи информации. При этом определяют конкретное значение КПД передачи информации η_min=min(η_1,…,η_i,…,η_I) и соответствующий ему оптимальный маршрут L^opt=opt(L₁,…,L_i,…,L_I), обеспечивающий наибольший резерв по пропускной способности каналов связи и емкости буферов среди всех (возможных) маршрутов между узлом-отправителем и узлом-получателем, по которому осуществляют информационный обмен. Наглядная иллюстрация работы способа представлена на фиг. 2-4, отражающих варианты передачи трафика между узлами коммутации (УК) системы связи от узла-отправителя (УК 1) до узла-получателя (УК 5).

Доказательством технической реализуемости способа определения оптимального маршрута передачи информации в системе связи, является то, что для его осуществления требуются стандартные элементы микроэлектроники, существующие средства измерительной и вычислительной техники, например, такие как: счетчики, перемножители, микроконтроллеры, делители, регистры, коммутаторы, запоминающие устройства, компараторы, и т.д., а также программное обеспечение, основой которого являются элементарные математические операции.

Изобретение относится к области электросвязи, в частности к способам определения оптимального маршрута в системе связи. Технический результат заключается в уменьшении средней временной задержки и потерь пакетов и достигается за счет распределения информационных потоков в системе связи при передаче информации от узла-отправителя до узла-получателя путем определения оптимального маршрута. Для нахождения оптимального маршрута передачи используют значение КПД передачи информации на маршруте, которое определяется отношением суммы кибернетических мощностей к сумме полных кибернетических мощностей на каждом интервале связи. Кибернетическую мощность определяют на основе среднего количества информационных пакетов буфера блока запоминающих устройств системы связи и средней скорости передачи информации канала связи блока устройств передачи информации системы связи за заданный интервал времени, а полную кибернетическую мощность на основе емкости буфера и измеренной пропускной способности канала связи. Полученные значения КПД передачи информации сравнивают и определяют маршрут с минимальным КПД. 4 ил.

Способ определения оптимального маршрута передачи информации в системе связи, заключающийся в том, что через заданный интервал времени Δt_зад находят оптимальный маршрут передачи информации из всех возможных маршрутов от узла-отправителя узла-получателя L₁,…,L_i,…,L_I (i∈[1…I], где I - количество возможных маршрутов от узла-отправителя до узла-получателя), отличающийся тем, что для нахождения оптимального маршрута передачи информации определяют значения кибернетической мощности

и полной кибернетической мощности

каждого m-ого интервала связи системы связи (m∈[1…M], где М - количество интервалов связи системы связи), состоящего из m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи и m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи, где Q_m - измеренное среднее количество информационных пакетов m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи за заданный интервал времени Δt_зад; V_m - измеренная средняя скорость передачи информации m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи за заданный интервал времени Δt_зад; N_m - измеренная емкость m-го буфера блока запоминающих устройств системы связи; C_m - измеренная пропускная способность m-го канала связи блока устройств передачи информации системы связи, после чего определяют значения КПД передачи информации каждого i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя

где L₁ - множество интервалов связи в составе i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя; сравнивают полученные значения КПД передачи информации каждого i-го маршрута от узла-отправителя до узла-получателя и определяют оптимальный маршрут L^opt=opt(L₁,…,L_i,…,L_I) по критерию минимального КПД передачи информации η_min=min(η₁,…,η_i,…,η_I), по которому осуществляют информационный обмен между узлом-отправителем и узлом-получателем.