Устройство для расчета функций распределения потоков сообщений на основе оценочных данных параметров систем информационного обмена

Заявленное решение относится к вычислительной технике и телекоммуникационным сетям, может быть использовано для параметрической оценки закона распределения потоков многопакетных сообщений, циркулирующих в инфокоммуникационных сетях, с целью оптимизации процесса управления распределением ресурсов пропускной способности. Устройство для расчета функций распределения потоков сообщений на основе оценочных данных параметров систем информационного обмена содержит: входной усилитель, на вход которого подается бинарная импульсная последовательность, блок формирования оценок интенсивности потока сообщений, блок вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, блок определения типа распределения, вычислитель распределений, блок управления. При этом выход входного усилителя подключен к первому входу блока формирования оценок интенсивности потока сообщений и первому входу блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, второй вход которого соединен со вторым выходом блока формирования оценок интенсивности потока сообщений, второй выход которого соединен со вторым входом вычислителя распределений, второй, третий, четвертый и пятый входы блока формирования оценок интенсивности потока сообщений соединены со вторым, третьим, четвертым и пятым выходами блока управления соответственно, при этом пятый выход блока управления параллельно соединен с третьим входом блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений. Первый выход блока управления соединен с шестым входом вычислителя распределений, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, который параллельно соединен со входом блока определения типа распределений, первый, второй и третий выходы которого соединены с третьим, четвертым и пятым входами вычислителя распределений, выход которого является выходом устройства для расчета функций распределений потоков сообщений на основе оценочных данных параметров систем информационного обмена. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Техническое решение относится к вычислительной технике и телекоммуникационным сетям, может быть использовано для параметрической оценки закона распределения потоков многопакетных сообщений, циркулирующих в инфокоммуникационных сетях, с целью оптимизации процесса управления распределением ресурсов пропускной способности.

Известно устройство для параметрической оценки закона распределения [1], которое содержит входной усилитель, вход которого является входом устройства, блок памяти, блок проверки согласия, блок управления, синтезатор функции распределения, информационный вход которого подключен к второму входу усилителя, а выход подключен к первому входу блока проверки согласия, второй вход блока проверки согласия подключен к выходу блока памяти и управляющему входу анализатора функций распределения, третий выход блока управления соединен с управляющим входом памяти, а четвертый выход блока управления подключен к третьему входу блока проверки согласия.

Это устройство является надежным инструментом для измерения вероятностных характеристик случайных процессов и позволяет определить тип распределения и определять его параметры.

Недостатком аналога является низкое быстродействие, при его использовании для оценки распределения потоков многопакетных сообщений, обусловленный необходимостью перебора М сочетаний параметров распределений.

В качестве прототипа выбрано устройство для параметрической оценки закона распределения [2], состоящий из входного усилителя, блок вычисления параметров, блок вычисления средних арифметических значений, блок определения типа распределений, вычислитель распределения, блок управления. При этом выход входного усилителя подключен к первому входу блока вычисления параметров, второй и третий входы которого соединены соответственно со вторым и третьим выходами блока управления. Первый выход блока управления подключен к шестому входу вычислителя распределений. Первый и второй выходы блока вычисления параметров соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычисления средних арифметических значений, первый выход которого подключен к первому входа блока вычисления распределений и к входу блока определения типа распределения. Второй выход блока вычисления средних арифметических значений подключен к второму входу вычислителя распределений. Три выхода блока определения типа распределения соединены с третьим, четвертым и пятым входами вычислителя распределения, выход которого является выходом устройства.

К недостаткам прототипа является низкая точность определения интенсивности потока сообщений, вычисляемого, как среднее арифметическое за интервал наблюдения, границы которого строго не определены.

Целью изобретения является повышение точности оценки интенсивности потока сообщений за минимальное необходимое количество шагов наблюдения, по критерию минимума среднего апостериорного байесовского риска за счет реализации оптимального правила остановки последовательных наблюдений за процессом поступления сообщений в систему информационного обмена.

Поставленная цель достигается тем, что из известного устройства для параметрической оценки закона распределения, содержащего входной усилитель, на вход которого подана бинарная импульсная последовательность, блок вычисления параметров и определения средних арифметических значений, блок определения типа распределений, вычислитель распределения, блок управления, исключен блок вычисления параметров и определения средних арифметических значений и дополнительно введены блок формирования оценок интенсивности потока сообщений и блок вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, а в блок управления добавлены четвертый и пятый выходы соединенные со вторым, третьим и четвертым входами блока формирования оценок интенсивности потока сообщений, второй выход блока управления соединен с третьим входом блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений. При этом выход входного усилителя подключен к первому входу блока формирования оценок интенсивности потока сообщений и первому входу блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений. Первый и второй выходы блока формирования оценок интенсивности потока сообщений соединены соответственно со вторым входом блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, и вторым входом вычислителя распределений. Второй, третий, четвертый и пятый входы блока формирования оценок интенсивности потока сообщений соединены соответственно с пятым, четвертым, третьим и вторым выходами блока управления. Первый выход блока управления подключен к шестому входу вычислителя распределений. Первый и второй выходы блока формирования оценок интенсивности потока сообщений соединены соответственно со вторым входом вычислителя соотношений и вторым входом блока вычисления распределений. Выход блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений подключен к первому входу вычислителя распределений и входу блока определения типа распределения три выхода которого соединены с третьим, четвертым и пятым входами вычислителя распределения, выход которого является выходом устройства.

Принцип создания предлагаемого устройства основан на возможности определения закона распределения с использованием оценочных значений параметров различных разновидностей потоков многопакетных сообщений (МПС), определяемых путем оценки характеристик этих потоков по критерию минимума апостериорного среднего риска. Наиболее полное описание разновидностей потоков МПС пользователей системы информационного обмена (СИО) может быть дано рассмотрением следующих распределений [3]:

1. Простой поток информационных сообщений (количество элементов в информационной части пакетов сообщения равно количеству элементов, содержащихся в информационной части ИС, то есть m_п=m_с и ξ=m_п/m_с=1), распределение числа пакетов которого определяется выражением:

2. Сложный поток МПС (m_п<m_с и ξ<1) с распределением:

3. Прореженный поток ИС (m_п>m_с и ξ>1) с распределением:

Анализ выражений позволяет сделать вывод о том, что значения функции плотности распределения потока МПС можно получить на основе формирования несмещенных, состоятельных и эффективных оценочных значений интенсивности потока λ_с и вычислении усредненных значений ξ. Использование в этих целях устройства [2] является не вполне корректным в силу того, что расчет значений распределений выполняется по значениям λ_с, полученным в ходе вычисления среднеарифметических значений интенсивности потока МПС, при этом объем выборочных значений определяется субъективно, что не гарантирует выполнение условий достаточности статистик и существенно снижает точность вычислений значений функций.

Между тем, из теории последовательного оценивания известно [4], что оптимальная по критерию минимума среднего риска оценка интенсивности потока сообщений в информационной сети может быть сформирована по результатам наблюдения интервалов времени между событиями х_n, n≥1, имеющими, в общем случае, гамма- распределения с плотностями

В этом случае, выражение для оптимальной (в байесовском решении) оценки интенсивности поступления информационных сообщений λ_c, при функция потерь вида

где С (n)- стоимость n-наблюдений, а выражения для формирования оценочного значения λ_с, порога остановки наблюдений и оптимальное правило остановки могут быть представлены следующим образом [4]

- где , а параметр гамма-распределения выбирается из условия α≤1, что позволяет уменьшить количество шагов наблюдения до 50% [4].

Таким образом, устройство, построенное на таком принципе работы, в отличии от прототипа, в котором происходит вычисление значений функций плотностей распределения входящих потоков по среднеарифметическим значениям их интенсивности и размеры требуемых выборок строго не определены, позволяет существенно уточнить расчеты за минимально возможное количество шагов наблюдения, обеспечивающее выполнение байесовского критерия.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного устройства, на фиг. 2 функциональная схема блока формирования оценок интенсивности потока сообщений, на фиг. 3 представлена функциональная схема блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, на фиг. 4 представлена функциональная схема блока управления.

Функциональные схемы блока вычисления распределений и блока определения типа распределения аналогичны схемам представленным в устройстве-прототипе.

Устройство для расчета функций распределения потоков сообщений на основе оценочных данных параметров систем информационного обмена (фиг. 1) содержит: входной усилитель 1, на вход которого подается бинарная импульсная последовательность, блока формирования оценок интенсивности потока сообщений 2, блок вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений 3, блок определения типа распределения 4, вычислитель распределений 5, блок управления 6. При этом выход входного усилителя 1 подключен к первому входу 21 блока формирования оценок интенсивности потока сообщений и первому входу 31 блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, второй вход которого 32 соединен со вторым выходом 26 блока формирования оценок интенсивности потока сообщений, второй выход которого 27 соединен со вторым 52 входом вычислителя распределений, второй 22, третий 23, четвертый 24 и пятый 25 входы блока формирования оценок интенсивности потока сообщений соединены со вторым 62, третьим 63, четвертым 64 и пятым 65 выходами блока управления соответственно, при этом пятый 65 выход блока управления параллельно соединен с третьим 33 входом блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений. Первый выход блока управления 61 соединен с шестым 56 входом вычислителя распределений, первый вход 51 которого подключен к выходу 34 блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, который параллельно соединен со входом 40 блока определения типа распределений, первый 41, второй 42 и третий выходы которого соединены с третьим 53, четвертым 54 и пятым входом вычислителя распределений 5, выход 57 которого является выходом устройства для расчета функций распределений потоков сообщений на основе оценочных данных параметров систем информационного обмена.

Блок формирования оценок интенсивности потока сообщений (фиг. 2) состоит из суммирующего счетчика 2.1 временных интервалов между приходами МПС, счетчика сообщений 2.2, делителей 2.4 и 2.8, сумматоров 2.3 и 2.5, вычитателя 2.7, компаратора 2.6, умножителя 2.9, устройства извлечения квадратного корня 2.10. Бинарная импульсная последовательность с выхода усилителя 1 в параллельном коде поступает на входы 2.1.1 и 2.2.1 счетчика временных интервалов 2.1 и счетчика сообщений 2.2 соответственно, вторые входы 2.1.2 и 2.2.2 счетчиков 2.1 и 2.2 соответственно соединены с выходом компаратора 2.6, первый вход которого соединен с выходом 2.1.3 счетчика временных интервалов 2.1, второй вход компаратора 2.6.3 соединен с выходом 2.10.2 устройства извлечения квадратного корня 2.10, третий вход 2.2.3 счетчика сообщений 2.2 соединен с пятым выходом 65 блока управления 6, второй выход 2.2.4 соединен с первым входом 2.3.1 сумматора 2.3, третий выход 2.2.5 подключен к первому входу 2.5.1 сумматора 2.5. Второй вход 2.3.3 сумматора 2.3 соединен с выходом 64 блока управления 6, выход 2.3.2 сумматора 2.3 подключен ко второму входу 2.4.3 делителя 2.4, первый вход которого 2.4.1 подключен к выходу 2.1.3 счетчика временных интервалов 2.1, второй вход которого 2.1.2 соединен с выходом 2.6.2 компаратора 2.6, к этому же выходу подключены второй вход 2.2.2 счетчика сообщений 2.2, второй вход 2.4.2 делителя 2.4 и второй вход 32 блока 3. Второй вход 2.5.2 сумматора 2.5 соединен с выходом 64 блока управления, выход сумматора 2.5.3 подключен ко входу 2.7.1 вычитателя 2.7, второй вход которого соединен с выходом 63 блока управления, выход которого 2.7.3 соединен со входом 2.9.1 умножителя 2.9 и входом 2.8.1 делителя 2.8. Второй вход 2.9.2 умножителя 2.9 подключен к выходу 62 блока управления 6, выход умножителя 2.9 соединен со вторым входом делителя 2.8, выход 2.8.3 которого соединен со входом 2.10.1 устройства извлечения квадратного корня 2.10, выход которого 2. 10.2 соединен со вторым входом компаратора 2.6.3. Выходом блока формирования оценок интенсивности потока сообщений является выход 2.4.4 делителя 2.4.

На фиг. 3 представлена функциональная схема блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений. Схема содержит дешифратор заголовков пакетов 3.1, счетчик информационной длины многопакетных сообщений 3.2, вычислитель соотношений информационных длин пакетов и сообщений 3.3. При этом вход 3.1.1 дешифратора заголовков пакетов, являющийся входом блока, параллелью подключен к первому входу 3.2.1 счетчик информационной длины многопакетных сообщений 3.2 второй вход которого 3.2.2 соединен с выходом 3.1.2 дешифратора заголовков пакетов, выход 3.2.3 которого соединен со входом 3.3.1 вычислителя соотношений информационных длин пакетов и сообщений 3.3, вторым входом 3.3.2 которого является выход 26 блока 2, третьим входом вычислителя соотношений информационных длин пакетов и сообщений 3.3, является выход 65 блока управления 6, выход вычислителя 3.3.4 является выходом блока 3 вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений.

На фиг. 4 представлена функциональная схема блока управления 6, состоящего из генератора тактовых импульсов 6.1 и пяти делителей с переменным коэффициентом деления 6.2 - 6.6. Выход 6.1.1 генератора тактовых импульсов 6.1 соединен со входами 6.2.1, 6.3.1, 6.4.1, 6.5.1, 6.6.1 делителей с переменным коэффициентом деления 6.2 - 6.6 соответственно, выходы делителей 62-65 являются выходами блока управления.

Заявленное устройство работает следующим образом. Исследуемый входящий поток МПС пользователей СИО в виде бинарной импульсной последовательности, пронормированной по амплитуде и длительности усилителем 1, поступает на вход 21 блока 2 формирования оценок интенсивности потока сообщений и на вход 31 блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений. Блок 2 аппаратно реализует выражения 6-8, вычисляя пороговое значение (7) на основе счетчика сообщения 2.2, сумматоров 2.3 и 2.5, вычитателя 2.7, делителя 2.8, умножителя 2.9 устройства для извлечения корня 2.10, реализация оптимального правила остановки наблюдений х⁰_N (8) за интервалами x⁰_N времени между поступлением МПС и формирования оценки интенсивности потока (6) производится посредством суммирующего счетчика временных интервалов 2.1, счетчика сообщений 2.2, сумматора 2.3 и делителя 2.4, выход 27 которого является информационным выходом блока 2 формирования оценок интенсивности потока сообщений. Второй (26) выход блока, является выходом компаратора и служит для передачи сигнала обнуления вычислителя соотношений информационных длин пакетов и сообщений 3.3 после остановки наблюдений при условии удовлетворения оценочным значением интенсивности МПС критерию минимума апостериорного байесовского среднего риска. Кроме того, по сигналу с выхода компаратора происходит обнуление счетчика сообщений 2.2, суммирующего счетчика временных интервалов 2.1 и делителя 2.4. Для обеспечения вычислений в соответствии с выражениями 6-8 с выходов делителей с переменным коэффициентом деления (ДПКД) блока управления 6 в блок формирования оценок интенсивности потока сообщений 2 поступают значения параметра гамма-распределения α≤1 (выход 65), значение принятой на данный момент в СИО информационной длины пакета сообщения m_n (выход 64), логическая единица (выход 63), принятая в системе цена наблюдения с_n (выход 62). Формирование управляющих импульсных последовательностей осуществляется установкой в элементах группы ДПКД соответствующих коэффициентов деления импульсной последовательности, поступающей с выхода генератора 6.1

В блоке 3 вычисления соотношений информационных длин пакетов, посредством дешифратора заголовков пакетов 3.1, счетчика информационной длины многопакетных сообщений 3.2 и вычислителя соотношений информационных длин пакетов и сообщений 3.3 (делителя) производится расчет соотношения ξ=m_n/m_с, по которому в блоке 4 определения типа распределения производится выбор одного из типов распределения (выражения 1-3).

Схема блока 5 реализуется аналогично одноименному блоку в устройстве-прототипе. На входы 51, 52 блока 5 вычислителя распределений в параллельном двоичном коде поступают из блока 3 значения ξ и из блока 2 значения по которым производится численный расчет значений распределения, полученные данные хранятся в запоминающем устройстве, которое обнуляется по сигналу из блока управления (выход 61), после чего происходит загрузка расчетных данных основанных на новом цикле наблюдения за интервалами времени между поступлением МПС и их информационными параметрами.

Входящие в состав устройства счетчики, умножители, делители, сумматоры, вычитатель и компаратор могут быть реализованы аналогично устройствам, описанным в [5-7], Вычислитель распределения 5 и устройство извлечения квадратного корня 2.10, могут быть реализованы на основе арифметико-логического устройства, аналогичного устройствам, представленным в [8]

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР N 1024935, кл. G06F 15/36, G06G 7/52, 1983, Бюл. N24.

2. RU 2094844 1997 (прототип)

3. Советов Б.Я. Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания. Л. Машиностроение, 1990, с. 113-115.

4. А.Г. Тартаковский, Последовательное оценивание параметров и фильтрация случайных процессов, Пробл. передачи информ., 1982, том 18, выпуск 4, 62-65

5. Мальцев Е.А. Фромберг Э.М. Ямпольский B.C. Основы цифровой техники. -М. Радио и связь, 1986, с. 41, рас. 34, 35.

6. Аналоговые, цифровые интегральные микросхемы, Под ред. Якубовского С.В. - М. Радио и связь, 1984, с. 348-357.

7. Лебедев О.И. Сидоров A.M. Импульсные цифровые устройства. Цифровые узлы и их проектирование на микросхемах. -Л. ВАС, 1980, с. 123, рис. 4.15, 4.23.

8. Дроздов Е.А. Комарницкий В.А. Пятибратов А.П. Электронно-вычислительные машины Единой системы. - М. Машиностроение, 1981 с. 158-170.

1. Устройство для расчета функций распределения потоков сообщений на основе оценочных данных параметров систем информационного обмена, содержащее входной усилитель, блок определения типа распределения, вычислитель распределений, блок управления, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок формирования оценок интенсивности потока сообщений и блок вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, а в блок управления добавлены четвертый и пятый выходы, при этом выход входного усилителя подключен к первому входу блока формирования оценок интенсивности потока сообщений и первому входу блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, второй вход которого соединен со вторым выходом блока формирования оценок интенсивности потока сообщений, второй выход которого соединен со вторым входом вычислителя распределений, второй, третий, четвертый и пятый входы блока формирования оценок интенсивности потока сообщений соединены со вторым, третьим, четвертым и пятым выходами блока управления соответственно, при этом пятый выход блока управления параллельно соединен с третьим входом блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, далее первый выход блока управления соединен с шестым входом вычислителя распределений, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, который параллельно соединен со входом блока определения типа распределений, первый, второй и третий выходы которого соединены с третьим, четвертым и пятым входами вычислителя распределений, выход которого является выходом устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формирования оценок интенсивности потока сообщений состоит из суммирующего счетчика временных интервалов между приходами МПС, счетчика сообщений, первого и второго делителей, первого и второго сумматоров, вычитателя, компаратора, умножителя, устройства извлечения квадратного корня, а так как бинарная импульсная последовательность с выхода усилителя в параллельном коде поступает на входы и счетчика временных интервалов, и счетчика сообщений соответственно, вторые входы счетчиков соответственно соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом счетчика временных интервалов, второй вход компаратора соединен с выходом устройства извлечения квадратного корня, третий вход счетчика сообщений соединен с пятым выходом блока управления, второй выход соединен с первым входом первого сумматора, третий выход подключен к первому входу второго сумматора, второй вход первого сумматора соединен с четвертым выходом блока управления, выход первого сумматора подключен ко второму входу первого делителя, первый вход которого подключен к выходу счетчика временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом компаратора, к этому же выходу подключены второй вход счетчика сообщений, второй вход первого делителя и второй вход блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений, второй вход второго сумматора соединен с четвертым выходом блока управления, выход первого сумматора подключен к первому входу вычитателя, второй вход которого соединен с третьим выходом блока управления, выход вычитателя соединен с первым входом умножителя и первым входом второго делителя, второй вход умножителя подключен ко второму выходу блока управления, выход умножителя соединен со вторым входом второго делителя, выход которого соединен со входом устройства извлечения квадратного корня, выход которого соединен со вторым входом компаратора, выходом блока формирования оценок интенсивности потока сообщений является выход первого делителя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений содержит дешифратор заголовков пакетов, счетчик информационной длины многопакетных сообщений, вычислитель соотношений информационных длин пакетов и сообщений, при этом вход дешифратора заголовков пакетов, являющийся входом блока, параллелью подключен к первому входу счетчика информационной длины многопакетных сообщений, второй вход которого соединен с выходом дешифратора заголовков пакетов, выход которого соединен со входом вычислителя соотношений информационных длин пакетов и сообщений, вторым входом которого является выход компаратора блока формирования оценок интенсивности потока сообщений, третьим входом вычислителя соотношений информационных длин пакетов и сообщений является пятый выход блока управления, выход вычислителя является выходом блока вычисления соотношений информационных длин пакетов и сообщений.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления состоит из генератора тактовых импульсов и пяти делителей с переменным коэффициентом деления, и выход генератора тактовых импульсов соединен со входами первого, второго, третьего, четвертого и пятого делителей с переменным коэффициентом деления, выходы делителей являются выходами блока управления.