RU205442U1

RU205442U1 - Устройство минимизации очереди заявок в системах массового обслуживания с пульсирующим входным потоком

Info

Publication number: RU205442U1
Application number: RU2021109839U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Мартьянов; Павел Юрьевич Белов; Александр Юрьевич Шанин
Original assignee: Анатолий Николаевич Мартьянов; Павел Юрьевич Белов; Александр Юрьевич Шанин
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2021-07-14

Abstract

Полезная модель относится к системам связи. Технический результат заключается в минимизации очереди воспроизведения передаваемых сообщений в условиях оптимального сглаживания без потерь за счет того, что устройство позволяет вычислять такой оптимальный размер пакета, на который требуется разбить исходное передаваемое сообщение, при котором обеспечивается минимальная длина очереди воспроизведения, способствующая оптимальному сглаживанию без потерь пульсирующего потока. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к области техники передачи цифровой информации с определением оптимального размера пакета и может быть использована для вычисления оптимального размера пакета по критерию минимума очереди воспроизведения в условиях оптимального сглаживания без потерь в системах массового обслуживания осуществляющих передачу данных в виде потока сообщений или файлов.

В предлагаемой полезной модели заявки на обслуживание в системе массового обслуживания (СМО), ассоциируются с пакетами, формируемыми при передаче пульсирующего потока сообщений через телекоммуникационную сеть, а размер буфера ассоциируется с длиной очереди.

Известны устройства [1, 2], близкие по предназначению предлагаемого устройства. Входящие в состав устройств [1, 2] элементы в основном нацелены на оптимизацию параметров сети связи за счет изменения маршрута или пропускной способности, при этом процесс пакетирования зачастую не описан.

Основным недостатком всех известных устройств, является или полное отсутствие механизма выбора оптимального размера пакета или использование для этого только одного критерия который не в достаточной степени способен отразить особенности функционирования систем передачи данных.

Несостоятельность современных подходов к оптимизации пакетных систем, также обусловлена использованием при этом вероятностных математических моделей, что предполагает знание вида распределения вероятностей, но это не всегда так. Они также не гарантируют границ производительности, работая только с моментами случайной величины. Это не приемлемо в современных условиях, когда к системам связи предъявляются жесткие требования по качеству обслуживания.

В устройстве [1] производят преобразование транспортного потока MPEG в IP-пакеты для широковещания в WLAN, причем данное устройство содержит в своем составе пакетировщик, но состав устройства пакетирования не раскрывается, а лишь оговорено, что формирование пакетов осуществляется в соответствии с некими межсетевыми протоколами и специфической для программ информации. Формирование пакетов, таким образом, не позволяет обеспечить минимальную очередь воспроизведения с учетом оптимального сглаживания без потерь. К тому же функционал данного устройства ограничен, только MPEG потоком.

Устройство [2], которое реализует подход изменяемых длин пакета для передач с высокой скоростью передачи пакетных данных в сети доступа (AN), содержит узел управления скоростью передачи данных (DRC) для приема запросов скорости передачи данных от терминалов доступа, причем каждый запрос скорости передачи данных указывает, по меньшей мере, одну скорость передачи, которую терминал доступа запрашивает у устройства сети доступа для передачи данных терминалу доступа; узел выработки пакета физического уровня (PL), выполненный с возможностью приема запросов скорости передачи данных от DRC-узла на основании запросов скорости передачи, выбора, по меньшей мере, двух терминалов доступа для получения данных из многопользовательского PL-пакета, выбора длины из набора длин для многопользовательского PL-пакета, выбора скорости передачи из набора скоростей передачи для передачи многопользовательского PL-пакета и выработки многопользовательского PL-пакета выбранной длины; и передатчик для передачи многопользовательского PL-пакета терминалам доступа.

Недостатком данного технического решения является выбор размера пакета исходя из запрошенной скорости передачи, причем набор возможных размеров пакета соответствующий конкретной скорости передачи заранее определен, к тому же не обеспечивается оптимальное сглаживание без потерь в условиях пульсирующего информационного потока. Данное устройство не позволяет через размер пакета управлять размером очереди ожидания в конце маршрута.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является устройство [3], которое производит вычисление оптимального размера пакета по критерию минимума общего времени передачи сообщения.

Технический результат устройства-налога [3] обеспечивается за счет применения блока ввода значения размера сообщения, блока ввода значения скорости потока, блока ввода значения минимального объема наполненности буфера, блока ввода значения пакетной скорости передачи, четырех блоков умножения, пяти блоков деления, блока вычисления квадратного корня, блока округления до ближайшего целого вверх, блока округления до ближайшего целого вниз, трех блоков сложения, блока вычисления минимума, блока ввода размера служебной части пакета, блока отображения результата, причем выход 1 блока 1 ввода значения размера сообщения соединен с входом 1 блока 5 умножения, выход 2 блока 1 ввода значения размера сообщения соединен с входом 1 блока 9 деления, выход 1 блока 2 ввода значения скорости потока соединен с входом 2 блока 5 умножения, выход 2 блока 2 ввода значения скорости потока соединен с входом 2 блока 10 деления, выход 1 блока 3 ввода значения минимального объема наполненности буфера соединен с входом 1 блока 6 умножения, выход 2 блока 3 ввода значения минимального объема наполненности буфера соединен с входом 1 блока 10 деления, выход 1 блока 4 ввода значения пакетной скорости передачи соединен с входом 2 блока 6 умножения и входом 2 блока 9 деления, выход 1 блока 5 умножения соединен с входом 1 блока 7 деления, выход 1 блока 6 умножения соединен с входом 2 блока 7 деления, выход 1 блока 7 деления соединен с входом 1 блока 8 вычисления квадратного корня, выход 1 блока 8 вычисления квадратного корня соединен с входом 1 блока 11 округления до ближайшего целого вверх, выход 2 блока 8 вычисления квадратного корня соединен с входом 1 блока 12 округления до ближайшего целого вниз, выход 1 блока 9 деления соединен с входом 2 блока 14 деления и входом 1 блока 15 деления, выход 1 блока 11 округления до ближайшего целого вверх соединен с входом 2 блока 13 умножения, выход 2 блока 11 округления до ближайшего целого вверх соединен с входом 1 блока 14 деления, выход 1 блока 12 округления до ближайшего целого вниз соединен с входом 2 блока 15 деления, выход 2 блока 12 округления до ближайшего целого вниз соединен с входом 1 блока 16 умножения, выход 1 блока 10 деления соединен с входом 2 блока 16 умножения и входом 1 блока 13 умножения, выход 1 блока 13 умножения соединен с входом 1 блока 17 сложения, выход 1 блока 14 деления соединен с входом 2 блока 17 сложения, выход 1 блока 15 деления соединен с входом 1 блока 18 сложения, выход 1 блока 16 умножения соединен с входом 2 блока 18 сложения, выход 1 блока 17 сложения соединен с входом 1 блока 19 вычисления минимума, выход 1 блока 18 сложения соединен с входом 2 блока 19 вычисления минимума, выход 1 блока 19 вычисления минимума соединен с входом 1 блока 21 сложения, выход блока 20 ввода размера служебной части пакета соединен с входом 2 блока 21 сложения, выход 1 блока 21 сложения соединен с входом блока 22 отображения результата.

Устройство-аналог [3] обладает следующими основными недостатками:

1. Не проводят оптимизацию процесса сглаживания, при котором обеспечивается отсутствие моментов переполнения и опустошения буфера воспроизведения.

2. Производят оптимизацию размера пакета только для одного передаваемого сообщения (файла).

3. Не учитывают при вычислении оптимального размера пакета пульсирующий характер трафика, обусловленный различными размерами поступающих для передачи сообщений.

4. Не минимизируют буфер (очередь) воспроизведения расположенный в конце маршрута передаваемого сообщения.

В предлагаемой полезной модели устраняются отмеченные недостатки.

Цель (технический результат) полезной модели - создание устройства вычисления оптимального размера пакета для различных параметров используемого канала связи и передаваемого трафика сообщений по критерию минимального размера буфера (очереди) воспроизведения в условиях оптимального сглаживания без потерь.

Поставленная цель достигается тем, что данное устройство за счет применения: блока ввода значения размера служебной части пакета; блока ввода значения максимального размера сообщения; блока ввода значения частоты следования сообщений; блока ввода значения скорости работы устройства воспроизведения; блока ввода значения скорости работы передатчика; блока ввода значения скорости работы приемника; восьми блоков умножения; блока генерации единичного уровня сигнала; пяти блоков деления; двух блоков вычисления обратной величины; блока вычисления квадратного корня; блока округления до ближайшего целого вверх; блока округления до ближайшего целого вниз; девяти блоков сложения; блока сравнения; блока инверсии; блока отображения результата, причем: выход 1 блока 1 ввода значения скорости передатчика, соединен с входом 1 блока 5 вычисления обратной величины; выход 1 блока 2 ввода значения скорости приемника, соединен с входом 1 блока 6 вычисления обратной величины; выход 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета, соединен с входом 1 блока 8 деления, с входом 1 блока 15 деления, с входом 2 блока 16 сложения, с входом 1 блока 17 деления, с входом 2 блока 18 сложения и с входом 2 блока 36 сложения; выход 1 блока 4 ввода значения частоты следования сообщений, соединен с входом 2 блока 9 деления, с входом 2 блока 24 умножения и с входом 1 блока 26 умножения; выход 1 блока 5 вычисления обратной величины, соединен с входом 1 блока 7 сложения; выход 1 блока 6 вычисления обратной величины, соединен с входом 2 блока 7 сложения; выход 1 блока 7 сложения, соединен с входом 2 блока 8 деления, с входом 2 блока 20 умножения и с входом 1 блока 22 умножения; выход 1 блока 8 деления, соединен с входом 1 блока 9 деления; выход 1 блока 9 деления, соединен с входом 1 блока 11 вычисления квадратного корня; выход 1 блока 10 ввода значения максимального размера сообщения, соединен с входом 1 блока 19 деления, с входом 2 блока 28 умножения и с входом 2 блока 30 умножения; выход 1 блока 11 вычисления квадратного коря, соединен с входом 1 блока 12 округления верх и с входом 1 блока 13 округления вниз; выход 1 блока 12 округления вверх, соединен с входом 2 блока деления, с входом 1 блока 16 сложения и с входом 1 блока 32 умножения; выход 1 блока 13 округления вниз, соединен с входом 2 блока 17 деления, с входом 1 блока 18 сложения и с входом 2 блока 34 умножения; выход 1 блока 14 ввода скорости устройства воспроизведения, соединен с входом 2 блока 19 деления; выход 1 блока 15 деления, соединен с входом 1 блока 27 сложения; выход 1 блока 16 сложения, соединен с входом 1 блока 20 умножения; выход 1 блока 17 деления, соединен с входом 2 блока 29 сложения; выход 1 блока 18 сложения, соединен с входом 2 блока 2 умножения; выход 1 блока 19 деления, соединен с входом 2 блока 21 сложения и с входом 2 блока 23 сложения; выход 1 блока 20 умножения, соединен с входом 1 блока 21 сложения; выход 1 блока 21 сложения, соединен с входом 1 блока 24 умножения; выход 1 блока 22 умножения, соединен с входом 1 блока 23 сложения; выход 1 блока 23 сложения, соединен с входом 2 блока 26 умножения; выход 1 блока 24 умножения, соединен с входом 2 блока 27 сложения; выход 1 блока 25 генерации единичного уровня сигнала, соединен с входом 3 блока 27 сложения и с входом 1 блока 29 сложения; выход 1 блока 26 умножения, соединен с входом 3 блока 29 сложения; выход 1 блока 27 сложения, соединен с входом 1 блока 28 умножения; выход 1 блока 28 умножения, соединен с входом 1 блока 31 сравнения; выход 1 блока 29 сложения, соединен с входом 1 блока 30 умножения; выход 1 блока 30 умножения, соединен с входом 2 блока 31 сравнения; выход 1 блока 31 сравнения, соединен с входом 2 блока 32 умножения и с входом 1 блока 33 инверсии; выход 1 блока 32 умножения, соединен с входом 1 блока 35 сложения; выход 1 блока 33 инверсии, соединен с входом 1 блока 34 умножения; выход 1 блока 34 умножения, соединен с входом 2 блока 35 сложения; выход 1 блока 35 сложения, соединен с входом 1 блока 36 сложения; выход 1 блока 36 сложения, соединен с входом 1 блока 37 отображения результата.

Благодаря новой совокупности признаков за счет дополнительного введения: блока ввода значения максимального размера сообщения; блока ввода значения частоты следования сообщений; блока ввода значения скорости работы устройства воспроизведения; блока ввода значения скорости работы передатчика; блока ввода значения скорости работы приемника; четырех блоков умножения; шести блоков сложения; одного блока сравнения; двух блоков вычисления обратного значения; одного блока инверсии, за счет удаления: блока ввода значения размера сообщения; блока ввода значения скорости потока; блока ввода значения минимального уровня наполненности буфера; блока ввода значения пакетной скорости передачи и организации связей между ними, производят вычисление оптимального значения размера пакета, при котором обеспечивается минимум длины очереди воспроизведения в условиях оптимального сглаживания пульсирующего потока данных.

Полезная модель может найти широкое применение в системах связи использующих механизмы синхронизации при шифровании или помехоустойчивом кодировании, а также при организации потоковой передачи данных с использованием сглаживающих буферов, в условиях пульсирующего входного потока.

Использование предлагаемого устройства позволяет вычислять такой оптимальный размер пакета, на которые требуется разбить исходное передаваемое сообщение, при котором обеспечивается минимальная длина очереди воспроизведения, способствующая оптимальному сглаживанию без потерь пульсирующего потока.

Устройство реализует следующие теоретические положения.

Рассмотрим решения [4], полученные в общем виде для случая оптимального сглаживания телекоммуникационного трафика, формируемого при передаче пульсирующих данных с файлового сервера.

Принятая в [4] для оптимизации сглаживания простейшая схема передачи данных предполагает, что сеть связи не оказывает никакого влияния на передаваемый трафик. Тем не менее, реальная сеть связи, несомненно, будет существенным образом влиять на показатели качества обслуживания. При этом необходимо анализировать не каждое передаваемое сообщение (файл) в отдельности, а всю совокупность, за рассматриваемый промежуток времени.

На первом этапе оптимизации размера пакета в условиях оптимального сглаживания, необходимо обозначить каким образом переменная, по которой происходит оптимизация, влияет на величину буфера (очереди) воспроизведения.

С этой целью:

Во-первых. Будем рассматривать в качестве входного потока набор сообщений, генерируемых случайными пользователями, которые имеют различный размер.

Во-вторых. По условию задачи при передаче данных по каналу связи необходимо проведение пакетирования, а, следовательно, необходимо учесть возникающие при этом очереди на входе каждого пакетировщика.

В-третьих. Без потери общности будем рассматривать случай однократного добавления служебной части, но на практике, каждый из протоколов уровней модели OSI непременно добавляет свой заголовок.

Входной поток системы передачи представляет собой поток сообщений различного размера, следовательно, функция входного потока будет ступенчатой, как представлено на фигуре 1.

Для распространения результатов, полученных в [4] для побитового потока, на пакетные системы может быть применен алгоритм базовой скорости ячеек (GCRA). Величины Т и τ определенные в качестве его параметров для оптимизируемой сети передачи данных будут иметь следующий физический смысл:

Т - это периодичность следования сообщений;

τ - это возможное дрожание потока сообщений.

Периодичность следования сообщений может быть легко связана с тактовой частотой следования сообщений F_T и определяется из выражения вида

Без потери общности к более сложным сетям, будем считать, что дрожание τ в потоке сообщений отсутствует, и сообщения поступают на вход сети строго через установленные интервалы времени Т.

Таким образом, в соответствии с [4], для потока с пакетами постоянного размера δ, формируемого по алгоритму

справедлива аффинная кривая поступления

где: b - берстность (максимальный всплеск), а r - скорость потока.

При использовании формирователя трафика по алгоритму GCRA, сообщения, которые не соответствуют максимальному профилю, отбрасываются. В результате на вход устройства сглаживания поступают сообщения с частотой, которая не приводит к превышению установленной скорости потока.

С учетом (1) выражение (2) примет вид:

где L_{сообщ_max} - это максимальный размер передаваемого сообщения за рассматриваемый промежуток времени, что относится к исходным данным. Описанный подход позволит при аппроксимации ступенчатой функции поступления (фигура 1) использовать аффинную кривую поступления вида (2), которая будет обеспечивать выполнение гарантий даже при поступлении сообщения с максимальным возможным размером.

С учетом того, что по принятым допущениям задачи τ=0, то выражение (3) упростится до вида

Как известно из [4], максимальная кривая обслуживания пакетировщика может быть смоделирована кривой типа «скорость-задержка», в результате кривые обслуживания пакетировщиков передатчика, приемника и устройства воспроизведения, соответственно, примут вид:

Для учета увеличения объема данных за счет добавления служебной части пакета при условии разбиения большого фрагмента на малые, воспользуемся функцией типа «всплеск-задержка» вида

Таким образом, кривая поступления потока сообщений после разбиения на более мелкие пакеты примет вид

С учетом правила конкатенации обслуживающих устройств выражение (5.30) из [4] для оптимального размера буфера (очереди) воспроизведения примет вид

где: B_min - минимальный буфер (очередь) воспроизведения; υ(⋅) - максимальное вертикальное расстояние между двумя функциями.

Дальнейшим шагом получения целевой функции является, вычисление общей кривой обслуживания, которую может предоставить сеть. В соответствии с [4] общая кривая обслуживания, предлагаемая сетью, примет вид

Так как устройство сглаживания может быть представлено сервером с нулевой задержкой и с учетом выражения (8), выражение (10) примет вид

В соответствии с [4], выражение для минимального буфера (очереди) воспроизведения в явном виде примет вид

Анализ графика функции В_min(l_пл) представленной на фигуре 2 позволяет сделать вывод, что оптимальное решение существует.

На фигуре 2 представлен вид зависимости (13) при передаче потока сообщений в соответствии с параметрами, представленными в таблице 1.

Для подтверждения существования экстремума функции B_min(l_пл) найдем первую производную целевой функции (13) по переменной l_пл:

Существование первой производной позволяет сделать вывод о дифференцируемости функции (13), а, следовательно, о ее непрерывности. Таким образом, может существовать экстремум.

Для определения вида экстремума найдем вторую производную целевой функции (13)

Анализ выражения (16) и ограничений l_сл, L_{соо6щ_max}, l_пл>0, позволяет сделать вывод, что вторая производная существует и является положительной. Следовательно, имеет место минимум функции (13) в точке перегиба.

Для нахождения значения минимума найдем точку, в которой первая производная (15) меняет свой знак, через решение уравнения

После элементарных преобразований решение примет вид

Так как по физическому смыслу задачи размер пакета всегда больше 0, то одно решение можно исключить, в результате получим

С учетом (19) явный вид решения сформулированной оптимизационной задачи примет вид

Для исходных данных, представленных в таблице 1 оптимальный размер пакета равен

Для уменьшения вычислительной избыточности проведем эквивалентные элементарные преобразования выражения 14, в результате получим выражение вида

Устройство, реализующее указанные теоретические положения, представлено на фигуре 3.

Устройство минимизации очереди заявок в системах массового обслуживания с пульсирующим входным потоком содержит: блок 1 ввода значения скорости работы передатчика; блок 2 ввода значения скорости работы приемника; блок 3 ввода значения размера служебной части пакета; блок 4 ввода значения частоты следования сообщений; блоки 5, 6 вычисления обратной величины; блоки 7, 16, 18, 21, 23, 27, 29, 35, 36 сложения; блоки 8, 9, 15, 17, 19, деления; блок 10 ввода значения максимального размера сообщения; блок 11 вычисления квадратного корня; блок 12 округления до ближайшего целого вверх; блок 13 округления до ближайшего целого вниз; блок 14 ввода значения скорости работы устройства воспроизведения; блоки 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 умножения; блок 25 сравнения; блок 31 сравнения; блок 33 инверсии; блок 37 отображения результата.

Функционирование устройства осуществляется следующим образом.

В блок 1 вводят сигнал, эквивалентный значению скорости передатчика.

В блок 2 вводят сигнал, эквивалентный значению скорости приемника.

В блок 3 вводят сигнал, эквивалентный значению размера служебной части пакета.

В блок 4 вводят сигнал, эквивалентный значению частоты следования сообщений.

На вход 1 блока 5 вычисления обратной величины с выхода 1 блока 1 ввода значения скорости работы передатчика подают сигнал, эквивалентный R_пep, и на выходе 1 блока 5 вычисления обратной величины, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 6 вычисления обратной величины с выхода 1 блока 2 ввода значения скорости работы приемника подают сигнал, эквивалентный R_пр, и на выходе 1 блока 6 вычисления обратной величины, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 7 сложения с выхода 1 блока 5 вычисления обратной величины и на вход 2 блока 7 сложения с выхода 1 блока 6 вычисления обратной величины, подают сигналы, эквивалентные

и

соответственно, и на выходе 1 блока 7 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 8 деления с выхода 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета и на вход 2 блока 8 деления с выхода 1 блока 7 сложения, подают сигналы, эквивалентные l_сл и

соответственно, и на выходе 1 блока 8 деления, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 9 деления с выхода 1 блока 8 деления и на вход 2 блока 9 деления с выхода 1 блока 4 ввода значения частоты следования сообщений, подают сигналы, эквивалентные

и F_T соответственно, и на выходе 1 блока 9 деления, формируется сигнал, эквивалентный

В блок 10 вводят сигнал, эквивалентный значению максимального размера сообщения.

На вход 1 блока 1 вычисления квадратного корня с выхода 1 блока 9 деления подают сигнал, эквивалентный

и на выходе 1 блока 9 вычисления квадратного корня, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 12 округления вверх, с выхода 1 блока 11 вычисления квадратного корня, подают сигнал, эквивалентный

и на выходе 1 блока 12 округления вверх, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 13 округления вниз, с выхода 1 блока 11 вычисления квадратного корня, подают сигнал, эквивалентный

и на выходе 1 блока 13 округления вниз, формируется сигнал, эквивалентный

В блок 14 вводят сигнал, эквивалентный значению скорости работы устройства воспроизведения.

На вход 1 блока 15 деления с выхода 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета и на вход 2 блока 15 деления с выхода 1 блока 12 округления вверх, подают сигналы, эквивалентные l_сл и ⎡l_{пл_опт}⎤ соответственно, и на выходе 1 блока 9 деления, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 16 сложения с выхода 1 блока 12 округления вверх и на вход 2 блока 16 сложения с выхода 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета, подают сигналы, эквивалентные ⎡l_{пл_опт}⎤ и l_сл соответственно, и на выходе 1 блока 16 сложения, формируется сигнал, эквивалентный l_сл+⎡l_{пл_опт}⎤.

На вход 1 блока 17 деления с выхода 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета и на вход 2 блока 17 деления с выхода 1 блока 13 округления вниз, подают сигналы, эквивалентные l_сл и ⎣l_{пл_опт}⎦ соответственно, и на выходе 1 блока 17 деления, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 18 сложения с выхода 1 блока 13 округления вниз и на вход 2 блока 18 сложения с выхода 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета, подают сигналы, эквивалентные ⎣l_{пл_опт}⎦ и l_сл соответственно, и на выходе 1 блока 18 сложения, формируется сигнал, эквивалентный l_сл+⎣l_{пл_опт}⎦.

На вход 1 блока 19 деления с выхода 1 блока 10 ввода значения максимального размера сообщения и на вход 2 блока 19 деления с выхода 1 блока 14 ввода значения скорости работы устройства воспроизведения, подают сигналы, эквивалентные L_{coo6щ_max} и R_воспр соответственно, и на выходе 1 блока 19 деления, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 20 умножения с выхода 1 блока 16 сложения и на вход 2 блока 20 умножения с выхода 1 блока 7 сложения, подают сигналы, эквивалентные

соответственно, и на выходе 1 блока 20 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 21 сложения с выхода 1 блока 20 умножения и на вход 2 блока 21 сложения с выхода 1 блока 19 деления, подают сигналы, эквивалентные

соответственно, и на выходе 1 блока 21 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 22 умножения с выхода 1 блока 7 сложения и на вход 2 блока 22 умножения с выхода 1 блока 18 сложения, подают сигналы, эквивалентные

соответственно, и на выходе 1 блока 22 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 23 сложения с выхода 1 блока 22 умножения и на вход 2 блока 23 сложения с выхода 1 блока 19 деления, подают сигналы, эквивалентные

соответственно, и на выходе 1 блока 23 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 24 умножения с выхода 1 блока 21 сложения и на вход 2 блока 24 умножения с выхода 1 блока 4 ввода значения частоты следования сообщений, подают сигналы, эквивалентные

и F_T соответственно, и на выходе 1 блока 22 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

В блок 25 генерации единичного уровня сигнала вводят сигнал, эквивалентный единичному значению уровня.

На вход 1 блока 26 умножения с выхода 1 блока 4 ввода значения частоты следования сообщений и на вход 2 блока 26 умножения с выхода 1 блока 23 сложения, подают сигналы, эквивалентные F_T и

соответственно, и на выходе 1 блока 26 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 27 сложения с выхода 1 блока 15 деления, на вход 2 блока 27 сложения с выхода 1 блока 24 умножения и на вход 3 блока 27 сложения с выхода 1 блока 25 генерации единичного уровня сигнала, подают сигналы, эквивалентные

и 1 соответственно, и на выходе 1 блока 27 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 28 умножения с выхода 1 блока 27 сложения и на вход 2 блока 28 умножения с выхода 1 блока 10 ввода значения максимального размера сообщения, подают сигналы, эквивалентные

и L_{сообщ_max} соответственно, и на выходе 1 блока 28 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 29 сложения с выхода 1 блока 25 генерации единичного уровня сигнала, на вход 2 блока 29 сложения с выхода 1 блока 17 деления и на вход 3 блока 29 сложения с выхода 1 блока 26 умножения, подают сигналы, эквивалентные 1,

и

соответственно, и на выходе 1 блока 29 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 30 умножения с выхода 1 блока 29 сложения и на вход 2 блока 30 умножения с выхода 1 блока 10 ввода значения максимального размера сообщения, подают сигналы, эквивалентные

и L_{сообщ_max} соответственно, и на выходе 1 блока 30 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 31 сравнения с выхода 1 блока 28 умножения и на вход 2 блока 31 сравнения с выхода 1 блока 30 умножения, подают сигналы, эквивалентные В_min(⎡l_{пл_опт}⎤) и В_min(⎣l_{пл_опт}⎦) соответственно, и на выходе 1 блока 31 сравнения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 32 умножения с выхода 1 блока 12 округления вверх и на вход 2 блока 32 умножения с выхода 1 блока 31 сравнения, подают сигналы, эквивалентные ⎡l_{пл_опт}⎤ и

соответственно, и на выходе 1 блока 32 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 33 инверсии с выхода 1 блока 31 сравнения, подают сигнал, эквивалентный

и на выходе 1 блока 33 инверсии, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 34 умножения с выхода 1 блока 33 инверсии и на вход 2 блока 34 умножения с выхода 1 блока 13 округления вниз, подают сигналы, эквивалентные

и ⎣l_{пл_опт}⎦ соответственно, и на выходе 1 блока 34 умножения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 35 сложения с выхода 1 блока 32 умножения и на вход 2 блока 35 сложения с выхода 1 блока 34 умножения, подают сигналы, эквивалентные

и

соответственно, и на выходе 1 блока 35 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 36 сложения с выхода 1 блока 35 сложения и на вход 2 блока 36 сложения с выхода 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета, подают сигналы, эквивалентные

и l_сл соответственно, и на выходе 1 блока 36 сложения, формируется сигнал, эквивалентный

На вход 1 блока 37 отображения результата с выхода 1 блока 36 сложения подается сигнал, эквивалентный

и производится его отображение на экране оператора.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволит вычислять такой оптимальный размер пакета, при котором обеспечивается минимальная очередь воспроизведения в условиях оптимального сглаживания без потерь. Это может быть полезно как при проектировании новых систем связи, так и при оптимизации параметров функционирования уже существующих систем.

При этом устраняются недостатки, присутствующие в прототипе [3], а именно:

1. Проводят оптимизацию процесса сглаживания, при котором обеспечивается отсутствие моментов переполнения и опустошения буфера воспроизведения.

2. Производят оптимизацию размера пакета для всего передаваемого потока сообщений.

3. Учитывают при вычислении оптимального размера пакета пульсирующий характер трафика, обусловленный различными размерами поступающих для передачи сообщений (файлов).

4. Минимизируют буфер (очередь) воспроизведения расположенный в конце маршрута передаваемого сообщения.

В описании полезной модели представлена функциональная схема устройства, которое содержит: блок ввода значения размера служебной части пакета; блок ввода значения максимального размера сообщения; блок ввода значения частоты следования сообщений; блок ввода значения скорости работы устройства воспроизведения; блок ввода значения скорости работы передатчика; блок ввода значения скорости работы приемника; восемь блоков умножения; блок генерации единичного уровня сигнала; пять блоков деления; два блока вычисления обратной величины; блок вычисления квадратного корня; блок округления до ближайшего целого вверх; блок округления до ближайшего целого вниз; девять блоков сложения; блок сравнения; блок инверсии; блок отображения результата с организацией связей между ними.

Каждый из этих блоков, выполнен конструктивно в составе FPGA (Field-Programmable Gate Array, Программируемая Пользователем Вентильная Матрица, ППBM). Как известно FPGA - это устройство, изначально содержащее в своем составе множество логических или арифметических блоков с возможностью гибкой коммутации, при этом изменение коммутации в соответствии с фигурой 3 приводит к формированию нового устройства, которое используется для достижения технического результата, который состоит в создании устройства вычисления оптимального размера пакета для различных параметров используемого канала связи и передаваемого трафика сообщений по критерию минимального размера буфера (очереди) воспроизведения в условиях оптимального сглаживания без потерь.

Для конструктивного выполнения устройства минимизации очереди заявок в системах массового обслуживания с пульсирующим входным потоком, используется FPGA Xilinx серий Kintex-7. Формирование заявленного устройства осуществляется с использованием среды проектирования Quartus II, где создается графическая схема устройства в полном соответствии с фигурой 3. При этом каждый из используемых в устройстве блоков реализуется соответственно делителем, умножителем, вычитателем, сумматором, компаратором, инвертором и т.д. Все входящие в состав заявленного устройства функциональные блоки имеют реализацию в среде Quartus II, в виде элементарных арифметико-логических устройств, которые размещаются при проектировании на рабочей форме с организацией связей между ними в соответствии с фигурой 3.

После прошивки FPGA Kintex-7 получается новое устройство, в котором, каждый из входящих в его состав блоков (фигура 3) выполнен конструктивно в составе вентильной матрицы.

Ввод исходных данных осуществляется посредством передачи сигнала соответствующего десятичному представлению значения входного параметра, а отображение результата работы устройства производится в десятичном формате на TFT дисплее, подключенном к плате Kintex-7.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. RU 2370907, 2004.

2. RU 2341903, 2004.

3. RU 202244 U1, 2021.

4. Jean-Yves Le Boudec and Patrick Thiran. Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Online Version, December 13, 2019.

Авторы:

1. Профессор кафедры ВА РВСН им. Петра Великого Мартьянов Анатолий Николаевич, адрес: 105264, г. Москва, ул. Верхняя Первомайская, д. 6, к. 3, кв. 79.

2. Докторант ВА РВСН им. Петра Великого Белов Павел Юрьевич, адрес: 143900, г. Балашиха, мкр. Авиаторов, ул. Летная, д. 8/7, кв. 455.

3. Адъюнкт ВА РВСН им. Петра Великого Шанин Александр Юрьевич, адрес: 143909, г. Балашиха, мкр. Авиаторов, ул. Кожедуба 8, кв. 60.

Claims

Устройство минимизации очереди заявок в системах массового обслуживания с пульсирующим входным потоком, содержащее блок ввода значения размера служебной части пакета; блок ввода значения максимального размера сообщения; блок ввода значения частоты следования сообщений; блок ввода значения скорости работы устройства воспроизведения; блок ввода значения скорости работы передатчика; блок ввода значения скорости работы приемника; восемь блоков умножения; блок генерации единичного уровня сигнала; пять блоков деления; два блока вычисления обратной величины; блок вычисления квадратного корня; блок округления до ближайшего целого вверх; блок округления до ближайшего целого вниз; девять блоков сложения; блок сравнения; блок инверсии; блок отображения результата, причем: выход 1 блока 1 ввода значения скорости передатчика соединен с входом 1 блока 5 вычисления обратной величины; выход 1 блока 2 ввода значения скорости приемника соединен с входом 1 блока 6 вычисления обратной величины; выход 1 блока 3 ввода значения размера служебной части пакета соединен с входом 1 блока 8 деления, с входом 1 блока 15 деления, с входом 2 блока 16 сложения, с входом 1 блока 17 деления, с входом 2 блока 18 сложения и с входом 2 блока 36 сложения; выход 1 блока 4 ввода значения частоты следования сообщений соединен с входом 2 блока 9 деления, с входом 2 блока 24 умножения и с входом 1 блока 26 умножения; выход 1 блока 5 вычисления обратной величины соединен с входом 1 блока 7 сложения; выход 1 блока 6 вычисления обратной величины соединен с входом 2 блока 7 сложения; выход 1 блока 7 сложения соединен с входом 2 блока 8 деления, с входом 2 блока 20 умножения и с входом 1 блока 22 умножения; выход 1 блока 8 деления соединен с входом 1 блока 9 деления; выход 1 блока 9 деления соединен с входом 1 блока 11 вычисления квадратного корня; выход 1 блока 10 ввода значения максимального размера сообщения соединен с входом 1 блока 19 деления, с входом 2 блока 28 умножения и с входом 2 блока 30 умножения; выход 1 блока 11 вычисления квадратного коря соединен с входом 1 блока 12 округления верх и с входом 1 блока 13 округления вниз; выход 1 блока 12 округления вверх соединен с входом 2 блока деления, с входом 1 блока 16 сложения и с входом 1 блока 32 умножения; выход 1 блока 13 округления вниз соединен с входом 2 блока 17 деления, с входом 1 блока 18 сложения и с входом 2 блока 34 умножения; выход 1 блока 14 ввода скорости устройства воспроизведения соединен с входом 2 блока 19 деления; выход 1 блока 15 деления соединен с входом 1 блока 27 сложения; выход 1 блока 16 сложения соединен с входом 1 блока 20 умножения; выход 1 блока 17 деления соединен с входом 2 блока 29 сложения; выход 1 блока 18 сложения соединен с входом 2 блока 2 умножения; выход 1 блока 19 деления соединен с входом 2 блока 21 сложения и с входом 2 блока 23 сложения; выход 1 блока 20 умножения соединен с входом 1 блока 21 сложения; выход 1 блока 21 сложения соединен с входом 1 блока 24 умножения; выход 1 блока 22 умножения соединен с входом 1 блока 23 сложения; выход 1 блока 23 сложения соединен с входом 2 блока 26 умножения; выход 1 блока 24 умножения соединен с входом 2 блока 27 сложения; выход 1 блока 25 генерации единичного уровня сигнала соединен с входом 3 блока 27 сложения и с входом 1 блока 29 сложения; выход 1 блока 26 умножения соединен с входом 3 блока 29 сложения; выход 1 блока 27 сложения соединен с входом 1 блока 28 умножения; выход 1 блока 28 умножения соединен с входом 1 блока 31 сравнения; выход 1 блока 29 сложения соединен с входом 1 блока 30 умножения; выход 1 блока 30 умножения соединен с входом 2 блока 31 сравнения; выход 1 блока 31 сравнения соединен с входом 2 блока 32 умножения и с входом 1 блока 33 инверсии; выход 1 блока 32 умножения соединен с входом 1 блока 35 сложения; выход 1 блока 33 инверсии соединен с входом 1 блока 34 умножения; выход 1 блока 34 умножения соединен с входом 2 блока 35 сложения; выход 1 блока 35 сложения соединен с входом 1 блока 36 сложения; выход 1 блока 36 сложения соединен с входом 1 блока 37 отображения результата.