Моделирование телекоммуникационных систем и сетей

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

С. А. ХОВАНСКОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ

СИСТЕМ И СЕТЕЙ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог 

Издательство Южного федерального университета

2020

УДК 621.39.001.57(075.8) 
ББК 32.8я73

Х683

Печатается по решению кафедры информационной безопасности 

телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий
и информационной безопасности Южного федерального университета 

(протокол № 12 от 5 февраля 2020 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории

информационных технологий и процессов управления Южного научного 

центра Российской академии наук С. Г. Капустян

кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматизированного 
проектирования Института компьютерных технологий и информационной 

безопасности Южного федерального университета В. А. Литвиненко

Ховансков, С. А.

Х683      Моделирование телекоммуникационных систем и сетей : учебное 

пособие / С. А. Ховансков ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. – 116 с.

ISBN 978-5-9275-3606-1
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 10.05.02.

Целью пособия является ознакомление студентов с принципами моделирования телекоммуникационных систем и сетей. Информация, содержащаяся в 
учебном пособии, позволяет студентам освоить процесс создания моделей, 
исследовать и анализировать результаты процесса моделирования реальных 
телекоммуникационных систем. 

УДК 621.39.001.57(075.8) 

ББК  32.8я73

ISBN 978-5-9275-3606-1

© Южный федеральный университет, 2020
© Ховансков С. А., 2020
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2020

Содержание

3

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………
5

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ 
В GPSS ……………………………………………………………..……
9

2. НАЧАЛО РАБОТЫ C СИСТЕМОЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ GPSS
17

3. СТРУКТУРА И КОМАНДЫ ОКНА МОДЕЛИРОВАНИЯ GPSS
24

3.1. Меню «File» ………………………………….………………….
26

3.2. Меню «Edit» …………………………………………………….
29

3.3. Меню «Search» ………………………………………………….
34

3.4. Меню «View» ………………………………………………
35

3.5. Меню «Command» ……………………………………………...
36

3.6. Меню «Window» ………………………………………………..
38

4. ОКНО  ПРОГРАММЫ  МОДЕЛИ …………………………………
41

4.1. Функциональные клавиши ……………………………………..
41

4.2. Универсальные клавиши ……………………………………….
42

5. ОБЪЕКТЫ …………………………………………………………..
46

5.1. Блоки и Транзакты ……………………………………………...
46

5.2. Типы операторов ………………………………………………..
52

5.3. Часы модельного времени ……………………………………..
54

6. ОКНА  СИСТЕМЫ  GPSS  WORLD ……………………………….
56

6.1. Окно блоков Blocks Window …………………………………...
57

6.2. Окно выражений Expression Window ………………………….
60

6.3. Окно обслуживающих устройств Facilities Window ………….
65

6.4. Окно логических ключей Logicswitches Window ……………..
67

6.5. Окно матриц Matrix Window …………………………………...
69

6.6. Окно графиков Plot Window ……………………………………
72

6.7. Окно очередей Queues Window ………………………………..
76

6.8. Окно сохраняемых величин Savevalues Window ……………..
78

6.9. Окно Storages Window ………………………………………….
79

6.10. Окно гистограмм Table Window ……………………………...
80

6.11. Совместное использование нескольких окон ………………..
82

Содержание

4

7. СОЗДАНИЕ  МОДЕЛИ …………………………………………….
84

7.1. Компиляция модели …………………………………………….
90

7.2. Запуск модели …………………………………………………..
92

7.3. Получение файла-отчета ……………………………………….
93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………..
101

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………….
102

Приложение 1 ………………………………………………………..
102

Приложение 2 ………………………………………………………..
103

Приложение 3 ………………………………………………………..
104

Приложение 4 ………………………………………………………..
106

Приложение 5 ………………………………………………………..
107

Приложение 6 ………………………………………………………..
110

Приложение 7 ………………………………………………………..
112

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………….
114

Введение

5

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее распространенным средством выпол
нения процесса моделирования является персональный компьютер. Во всех 
областях производственной деятельности используется моделирования с 
помощью компьютеров. Особенно эффективно выполняется моделирование при применении компьютеров в таких областях, как технологическое 
моделирование, техническое моделирование, моделирование телекоммуникационных систем, развития общества и вселенной. Моделирование действительности сопровождает человека всю жизнь, давая ему возможность 
изучать и познавать мир. Благодаря компьютерному моделированию появилась возможность не только познавать, изучать сложные системы, но и 
проверять полученные знания о действительной реальности на основе результатов моделирования. При моделировании стало возможным изучать 
любые ситуации, любые режимы функционирования сложных систем, 
даже те, которые в реальной жизни привели бы к разрушению изучаемой 
системы. Это позволяет составлять модели различных чрезвычайных ситуаций и событий, вероятность появления которых очень мала и т.п. Еще одним достоинством компьютерного моделирования является изучение моделей несуществующих объектов и систем, например при разработке новой 
техники. Любая компьютерная игра – это тоже модель, иногда настолько 
точно повторяющая реальные события, что создается впечатление о полной 
реальности происходящего в игре и реального присутствия играющего в 
моделируемом мире [1–9].

Всё это обеспечило популярность компьютерного моделирования, 

которое используется чаще других видов моделирования для принятия решений и разработки стратегии управления или поведения системы для достижения поставленных целей. В связи с широким распространением компьютеров компьютерное моделирование внедрено во все области деятельности человека и позволяет быстрее и с меньшими затратами получать эффективные решения различных проблем [7–9].

Процессы функционирования различных телекоммуникационных 

систем и сетей связи могут быть представлены при моделировании «системой массового обслуживания» (СМО) в различных видах:

Введение

6

−стохастических;
−динамических;
−дискретно-непрерывных;
−математических моделей.

Моделирование применяется с целью исследования основных пара
метров любой системы массового обслуживания. Выполнение моделирования СМО производится в основном средствами имитационного моделирования и аналитическими методами.

Создание модели для имитационного моделирования выполняется в 

моделирующих системах в форме программы на специализированном
языке программирования. Модель создается путем имитации случайных
процессов функционирования СМО и повторяет дискретные состояния реальной СМО в заданном интервале времени.

В процессе моделирования на компьютере выполняются исследова
ния изучаемой системы массового обслуживания. Для исследования и анализа основных характеристик СМО, которые и являются целью моделирования, полученные значения характеристик исследуемой системы накапливаются и изучаются исследователем. Помимо этого определяются статистические атрибуты модели для выбора наиболее оптимального варианта 
реализации системы массового обслуживания. Полученная в результате 
моделирования информация используется для создания новых, более сложных моделей СМО.

Модель, реализующая алгоритм функционирования исследуемой 

системы, может быть реализована с помощью языков программирования 
высокого уровня (Си, Делфи и т.д.). Программная модель, полученная в результате такой реализации, является более гибкой, более функциональной,
поддерживает возможность доработки, привязки к изменяющимся условиям, имеет широкий набор средств отладки и позволяет решать широкий 
круг задач. Недостатком такого подхода к работе с моделью является то, 
что гибкость используемых языков приводит к большим затратам усилий. 
В реальных условиях зачастую приходится работать с весьма сложными 
алгоритмами и большими списками структуры данных. Поэтому в системах имитационного моделирования для создания моделей используют специализированные языки программирования, позволяющие описать очень 
сложные СМО [4–6].

Введение

7

Языки моделирования включают в себя компоненты позволяющие

подробно описывать структуры и процессы функционирования моделируемой системы. Такой подход значительно ускоряет и упрощает программирование имитационных моделей, поскольку при этом подходе основные 
функции моделируемой системы реализуются автоматически.

Программы, в которых модели реализуются на языках имитацион
ного моделирования, повторяют описания моделируемых систем на «человеческом» языке, что позволяет пользователям, не являющимся профессиональными программистами, создавать сложные имитационные модели. 
В настоящее время одним из эффективных и распространенных языков моделирования для телекоммуникационных систем является язык GPSS 
[1; 2; 5]. Наибольшим эффектом обладает использование этого языка для 
моделирования систем, относящихся к системам массового обслуживания. 
При программировании моделирования систем массового обслуживания 
поддерживается использование аналогов таких основных стандартных 
компонентов, как очереди, обслуживающие приборы, заявки и т.п. Этот 
набор компонентов позволяет программировать имитационные модели для 
сложных систем СМО, сохраняя их привычную терминологию. Язык GPSS 
предназначен для использования на ПК.

Система моделирования является многомодульной.
В ее состав входит:

−модуль транслятора с языка системы моделирования GPSS;
−модуль набора и редактирования программы моделирования;
−модуль управления и слежения за выполнением процесса моделиро
вания;

−модуль графических средств для визуализации элементов и струк
туры модели;

−модуль средств сбора результатов процесса моделирования и их об
работки.

В системе предусмотрен модуль, собирающий все результаты моде
лирования и представляющий их в виде отчета в удобном для анализа виде. 
Для обеспечения дополнительной функциональности в систему включены 
дополнительные модули и файлы.

Появление языка GPSS World оказало значительное влияние на фор
мирование многих других языков моделирования. Выполняемые с их 

Введение

8

помощью процессы во многом опираются на понятия, сформированные в 
системе моделирования GPSS World. В настоящее время за счет того, что 
компьютеры стали более доступными и пользовательский интерфейс компьютерных систем стал более дружественным по отношению к пользователю, повысилась популярность системы моделирования GPSS World во 
всем мире. Благодаря использованию системы отмечены значительные 
успехи в обслуживании реальных систем.

Основной целью создания системы GPSS World было расширение 

возможностей пользователя. GPSS World использует все примитивы моделирования пользовательского интерфейса в упрощенном виде. Поэтому 
упрощается процесс визуализации и управления моделированием. Применение системы GPSS World обеспечило возможность более быстрой разработки, тестирования и понимания моделей. Считается, что система GPSS 
World представляет собой не просто язык GPSS. Она предоставляет новые 
возможности и является многофункциональной интерактивной имитационной средой.

1. Моделирование телекоммуникационных систем в GPSS

9

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ В GPSS

Телекоммуникационными системами называют системы, предна
значенные для выполнения различных операций над информацией. Телекоммуникационные системы выполняют операции хранения, передачи, получения, уничтожения и обработки информации.

Необходимость в моделировании телекоммуникационных систем 

возникла при появлении телефонной связи. Для обеспечения качественного обслуживания абонентов телефонной сети требовалось правильно 
определить количество оборудования системы. Отличительной особенностью телефонных сетей являлось то, что количество абонентов, устанавливающих соединения в любой момент времени, всегда меньше общего количества абонентов, подключенных к этой сети.

Существует проблема определения необходимого количества обо
рудования телефонной сети. Если будет использоваться максимальное количество оборудования, позволяющее одновременно соединять всех абонентов друг с другом, то это приведет к тому, что какая-то часть оборудования будет все время простаивать. А если количество оборудования будет 
минимальным, то может возникнуть ситуация, когда вызовы, поступающие 
от абонентов, не будут обслужены из-за занятости оборудования. В этом 
случае абонентам придётся посылать повторные вызовы для установления 
соединения с другими абонентами либо ждать, когда освободится нужное 
количество оборудования.

Поэтому, с одной стороны, должно обеспечиваться условие произ
водительного использования оборудования, т.е. его количество должно 
быть меньше, чем общее количество абонентов, с другой стороны, должно 
обеспечиваться требуемое качество обслуживания абонентов, т.е. время 
ожидания установления соединения и вероятность повторных вызовов 
должны быть минимальными.

С появлением телефонной связи возникла проблема качества обслу
живания абонентов, использующих телефонную связь. Качество обслуживания абонентов зависит от величины потерянных вызовов и от времени 
ожидания обслуживания поступающих вызовов. Величина потерянных 

1. Моделирование телекоммуникационных систем в GPSS

10

вызовов определяется количеством не обслуженных вызовов, а время ожидания обслуживания определяется временем соединения абонентов в телекоммуникационной системе.

Для решения проблемы определения оптимального количества обо
рудования, в зависимости от параметров телекоммуникационной системы, 
стали создаваться математические модели, позволяющие определять оптимальное количество оборудования в зависимости от параметров конкретной телекоммуникационной системы.

Поскольку телекоммуникационные системы относятся к системам 

массового обслуживания, то для создания математических моделей телекоммуникационных систем, учитывающих особенности функционирования систем, был разработан новый раздел теории массового обслуживания – теория телетрафика.

В процессе создания любой телекоммуникационной системы все 

начинается с формулирования к ней функциональных требований и параметров. Для обеспечения выполнения требований и исследования проблем, возникающих при разработке ТКС, используют компьютерное моделирование.

Поскольку ТКС относятся к системам массового обслуживания, то 

для ее моделирования используются методы, разработанные для СМО и 
ориентированные на использование в качестве моделирующего устройства 
компьютер. К таким методам относится имитационное моделирование, 
позволяющее за приемлемое время определять с достаточной точностью 
основные параметры разрабатываемой ТКС в ходе выполнения исследования модели.

В современном мире телекоммуникационные системы передачи ин
формации включают в себя различные системы передачи информации, такие как радиосвязь, компьютерные сети, телефонные сети. Они в основном 
представляют собой цифровые сети. Можно передавать любую информацию, будь это голосовая информация, данные, видеоданные. В современных телекоммуникационных системах любая передаваемая информация 
представляется в виде пакетов данных. Поэтому телекоммуникационные 
сети чаще называют широкополосными мультисервисными сетями, выполняющими передачу информации путём коммутации пакетов.

В зависимости от протяжённости цифровые сети классифициру
ются на локальные, региональные и глобальные сети. Локальными