МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА» (СПбГУТ)
Кафедра программной инженерии и вычислительной техники (ПИиВТ) Факультет информационных технологий и программной инженерии (ИТПИ)
Курсовой проект по теме: “Моделирование в MATLAB системы массового обслуживания видеотрафика в сети связи”
По дисциплине «Разработка имитационных моделей инфокоммуникационных сетей и систем»
Автор работы: Студент 3 курса очной формы обучения Яковлев М. А.
Подпись____________
Научный руководитель: Старший преподаватель Дмитриева В. В.
Подпись____________
Санкт-Петербург
2026 г.
Содержание
1. |
|
Введение.......................................................................................................................... |
3 |
2. |
Теоретические основы моделирования СМО..................................................................... |
3 |
|
|
2.1 |
Пуассоновский поток и экспоненциальное распределение ............................................. |
3 |
|
2.2 |
Приоритетные очереди в сетях связи............................................................................. |
4 |
3. |
|
Основная часть ................................................................................................................ |
5 |
|
3.1 |
Цель и задачи моделирования ....................................................................................... |
5 |
|
3.2 |
Архитектура имитационной модели в Simulink ............................................................. |
5 |
|
3.3 |
Настройка генератора пуассоновского потока и задание приоритетов............................. |
7 |
|
3.4 |
Сбор статистики и визуализация результатов ................................................................ |
9 |
4. |
|
Заключение.................................................................................................................... |
12 |
5. |
|
Список использованных источников ............................................................................... |
13 |
2
1. Введение
Современные телекоммуникационные сети обрабатывают огромные объёмы трафика с различными требованиями к качеству обслуживания (QoS). Видеотрафик, передаваемый по сетям связи, предъявляет жёсткие требования к задержкам и потерям пакетов. Одним из эффективных механизмов управления очередями является приоритезация – разделение трафика на классы с разной важностью. При этом высокоприоритетные пакеты (например, управляющие сигналы) должны обслуживаться быстрее, чем низкоприоритетные.
Актуальность работы заключается в необходимости исследования характеристик системы массового обслуживания (СМО) с приоритетами и неоднородными каналами. Такие модели позволяют оценить задержки, загрузку оборудования и вероятность потерь ещё до внедрения реального оборудования.
Целью курсовой работы является разработка имитационной модели в среде
MATLAB/Simulink.
2. Теоретические основы моделирования СМО
Система массового обслуживания (СМО) – это математическая модель, описывающая процессы обработки заявок (требований), поступающих в случайные моменты времени. Типичными примерами СМО являются: узел коммутации пакетов в сети передачи данных, колл-центр, очередь в магазине, сервер обработки запросов. Любая СМО включает три основных элемента:
1.входной поток заявок;
2.очередь (буфер) для временного хранения заявок;
3.обслуживающие приборы (каналы, серверы), которые обрабатывают заявки.
Взависимости от числа каналов различают одноканальные и многоканальные СМО. По дисциплине очереди выделяют системы с FIFO (первым пришёл – первым обслужен), LIFO (последним пришёл – первым обслужен), приоритетным обслуживанием, а также системы с разделением времени и т. д. Для оценки качества функционирования СМО используются следующие показатели:
1.коэффициент загрузки канала (utilization) – доля времени, в течение которого сервер занят обработкой;
2.среднее время ожидания в очереди w;
3.средняя длина очереди l;
4.вероятность потери заявки (если буфер ограничен).
2.1Пуассоновский поток и экспоненциальное распределение
Пуассоновский поток событий (пуассоновский процесс) — это последовательность независимых событий, происходящих со средней интенсивностью λ. Чем больше λ, тем чаще в среднем происходят события.
При моделировании телекоммуникационного трафика широко используется пуассоновский поток (простейший поток). Он обладает тремя свойствами: стационарностью, ординарностью и отсутствием последействия. Интервалы времени
3
между соседними заявками в таком потоке распределены по экспоненциальному закону с плотностью:
( ) = −, |
≥ 0 |
Математическое ожидание интервала равно 1/, а дисперсия – 1/2. Экспоненциальное распределение обладает свойством отсутствия памяти, что значительно упрощает аналитический расчёт СМО и облегчает имитационное моделирование.
Аналогично, время обслуживания заявки часто моделируют экспоненциально распределённой величиной с параметром (интенсивность обслуживания). Среднее время обслуживания составляет 1/. Классическая одноканальная СМО с пуассоновским входным потоком и экспоненциальным обслуживанием обозначается M/M/1.
2.2Приоритетные очереди в сетях связи
В мультисервисных сетях (например, при передаче видео, голоса и данных) трафик неоднороден и требует разного качества обслуживания (QoS). Приоритетное обслуживание
– это дисциплина, при которой заявки делятся на классы важности, и заявки более высокого приоритета обрабатываются раньше, чем заявки низкого приоритета. В зависимости от того, может ли высокоприоритетная заявка прервать обслуживание низкоприоритетной, различают:
1.Невытесняющий (относительный) приоритет – высокоприоритетная заявка не прерывает текущее обслуживание, но становится в начало очереди. Такая дисциплина проще в реализации и часто используется в моделях видеотрафика, где недопустимы разрывы пакетов.
2.Вытесняющий (абсолютный) приоритет – высокоприоритетная заявка немедленно занимает сервер, прерывая обслуживание низкоприоритетной. Прерванная заявка может либо возвращаться в очередь, либо теряться.
В большинстве стандартных сред имитационного моделирования (включая SimEvents MATLAB) реализован невытесняющий приоритет в блоке Entity Queue при выборе типа Priority. При этом заявки в очереди сортируются по значению атрибута приоритета (например, 1 – наивысший), а сервер всегда выбирает заявку из головы очереди.
SimEvents – это пакет расширения MATLAB/Simulink, предназначенный для дискретнособытийного моделирования систем, в которых состояние изменяется в моменты наступления событий (поступление заявки, начало обслуживания, завершение обслуживания).
4