• Анализ и синтез систем обработки информации и управления

  Руководитель направления Кузнецов Николай Александрович Советник РАН, д.т.н, профессор, академик РАН эл. почта: kuznetsov@cplire.ru тел.: +7 (495) 629-30-05

  
  

   
  Рассматриваются задачи из области теории управления сложными техническими системами: системы управления с переменным критерием оптимальности, задачи совместного управления наблюдениями и динамическими объектами, алгоритмы оценивания траекторий подвижных объектов на основе условных марковских процессов, стохастические системы управления, управление наблюдениями в автоматических системах, асинхронные дискретные системы, модульные информационные системы, безопасность информационных систем, инфокоммуникации, оперативное управление в мультиагентных системах, рассинхронизованные системы и сети, обработка биомедицинской информации.

• Методы оценивания координат и параметров в системах обработки информации и управления

  Руководитель направления Семенихин Константин Владимирович с.н.с., д.ф.-м.н, профессор эл. почта: siemenkv@gmail.com тел.: +7 (495) 629-30-05

  
  

   
  Синтез и идентификация моделей частично наблюдаемых управляемых инфокоммуникационных сетей. Разработка алгоритмов оптимальной фильтрации состояний и оценивания параметров указанных сетей на основе модели марковских скачкообразных процессов. Определение показателей качества функционирования сети, т.е. выделение в выбранной управляемой стохастической системе наблюдения целевых функционалов, подлежащих оптимизации. Синтез алгоритмов оптимального и субоптимального управления при заданном способе фильтрации ненаблюдаемого состояния по критерию минимума линейной комбинации целевых функционалов.

• Построение и анализ математических моделей действующих и перспективных систем и сетей связи

  Руководитель направления Степанов Сергей Николаевич в.н.с., д.т.н, профессор эл. почта: stpnvsrg@gmail.com тел.: +7 (495) 629-30-05

  
  

   
  Разработка и математический анализ моделей и алгоритмов дифференцированного обслуживания гетерогенного трафика в узлах доступа беспроводной сети связи, основанных на фильтрации поступающих информационных потоков, и обеспечивающих заданные показатели QoS.

• Методы передачи и обработки информации в сетях связи

  Руководитель направления Антонова Вероника Михайловна н.с., к.т.н, доцент эл. почта: xarti@mail.ru тел.: +7 (495) 629-30-05

  
  

   
  Разработка методов передачи и обработки информации в сетях 5G, разработка новых методов управления трафиком в сетях SDN.

• Разработана комплексная система мониторинга и управления конфигурациями телекоммуникационного оборудования сети связи SDN. Система основана на стандартизированной модели данных YANG, протоколе взаимодействия NETCONF, основанного на механизме удаленного вызова процедур (RPC). Система в двустороннем порядке обменивается информацией с инфраструктурой сети связи: оконечными устройствами, виртуализированной инфраструктурой (виртуальными машинами, контейнерами, виртуальными сетевыми устройствами), физическим телекоммуникационным оборудованием (маршрутизаторами, коммутаторами, межсетевыми экранами и т.д.), системами инвентаризации аппаратной части телекоммуникационного оборудования. Система мониторинга и управления с помощью драйверов устройств принимает/передает сообщения RPC от/к сетевой инфраструктуры. Внутри сообщений RPC данные организованы с помощью модели YANG, которая определяет иерархическую структуру данных, используемая для операций NETCONF. Собранная телеметрия устройств хранится в базе данных, причем информация о топологической связности устройств в графовой базе данных. На основании информации о телеметрии возможно обнаружение нештатных ситуаций, в этом случае посылается запрос на переконфигурирование устройств. Конфигурационная информация на основе YANG моделей хранится в базе данных, что позволяет оптимизировать доступ нескольких приложений к общим конфигурационным данным. Доступ к системе возможен через командную строку, веб-интерфейс и через API. Данная система позволяет централизованно управлять различными физическими устройствами и виртуальными функциями, имеет централизованный механизм мониторинга состояния сети, что упрощает и ускоряет поиск и устранение проблем, а также не зависит от конкретных производителей сетевых устройств, что упрощает процесс интеграции и управления сетевой инфраструктурой. Система позволяет сократить затраты на управление и конфигурацию сетевой инфраструктуры благодаря ее автоматизации и централизованному управлению.
  Комплексная система мониторинга и управления конфигурациями телекоммуникационного оборудования сети связи используется в практической деятельности ООО "Булат" с целью мониторинга сетевых устройств и виртуализированных функций, а также с целью доставки конфигурационных файлов на данные устройства. Также комплексная система мониторинга и управления конфигурациями телекоммуникационного оборудования сети связи используется в учебном процессе РУНЦ «Безопасность» МГТУ им. Н.Э. Баумана для осуществления мониторинга сетевых устройств и управления их конфигурациями, используемых в учебных лабораториях.

• Множество взаимодействующих технических объектов (роботы, беспилотные летающие аппараты, множество взаимодействующих компьютерных и телекоммуникационных сетей) может рассматриваться как мультиагентная система, каждый элемент которой описывается системой разностных уравнений. Для анализа устойчивости линейных мультиагентных систем, в которых не накладывается никаких ограничений на “временной” характер взаимодействия отдельных агентов (компонент) систем, (рассинхронизованных по фазе и рассинхронизованных по частоте), в настоящее время принято использовать достаточно полно разработанную в последние 30 лет теорию обобщенного/совместного спектрального радиуса множеств матриц. Эта теория сводит анализ вопросов устойчивости линейных мультиагентных систем с произвольным функционированием агентов к анализу сходимости матричных произведений. Описаны некоторые классы линейных асинхронных мультиагентных систем с дискретным временем, для которых проблема устойчивости допускает конструктивное решение. Описан также общий аналитический подход к построению числовых характеристик, аналогичных обобщенному спектральному радиусу в теории устойчивости, которые предоставляли бы возможность анализировать стабилизируемость управляемых мультиагентных систем.

  Публикации:
  

  • В. С. Козякин, Н. А. Кузнецов, П. Ю. Чеботарев . Консенсус в асинхронных мультиагентных системах. I. Асинхронные модели консенсуса.// Автоматика и телемеханика, 2019, выпуск 4, с. 3–40.
  • В. С. Козякин, Н. А. Кузнецов, П. Ю. Чеботарев. Консенсус в асинхронных мультиагентных системах. II. Метод совместного спектрального радиуса.// Автоматика и телемеханика, 2019, выпуск 5, с. 3–31.
  • С. Козякин, Н. А. Кузнецов, П. Ю. Чеботарев . Консенсус в асинхронных мультиагентных системах. III. Конструктивная устойчивость и стабилизируемость.// Автоматика и телемеханика, 2019,  выпуск 6,  с. 3–27.

• Решена задача оценивания состояний скрытых узлов частично-наблюдаемой стохастической сети типа Джексона. Вместо использования бесконечномерной дифференциальной системы для условных вероятностей использован метод замены меры для получения базовых уравнений для условного математического ожидания и условных ковариаций. Хотя эти уравнения, в общем случае, не имеют решения в замкнутой форме, найден специальный класс сетевой модели, которая обеспечивает конечномерный фильтр. Для практической реализации метода оценки состояния предложена численная схема, основанная на регуляризации уравнений оптимальной фильтрации. Работоспособность и эффективность разработанной численной процедуры продемонстрирована на примере колл-центра с двумя скрытыми орбитами, содержащими недозвонившихся и неудовлетворенных клиентов.

  

  Наблюдаемое состояние системы (черная линия), состояние орбит (красная и синяя сплошные линии) и их оценки фильтрации (красная и синяя штриховые линии).

  Публикации:
  

  • Кузнецов Н.А., Мясников Д.В., Семенихин К.В. Оптимизация управления передачей данных по флуктуирующему каналу связи при неточной информации о его состоянии // Информационные процессы. 2018. Т.18. №2. С.86-105.
  • Semenikhin K.V. State Estimation in Partially Observed Stochastic Networks with Queueing Applications // Piunovskiy A., Zhang Y. (eds) Modern Trends in Controlled Stochastic Processes: Emergence, Complexity and Computation, vol.41. P.129-147. Springer, Cham. 2021.
  • Myasnikov D.V., Semenikhin K.V. Optimization of data transmission over a stochastic channel with partially observed state // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V.1096. No.012176. P.1-11.

• Рассмотрен процесс передачи данных, который описывается марковской моделью замкнутой сети массового обслуживания, состоящей из двух систем (основной и вспомогательной). Основная система является конечной и одноканальной; она реализует процесс отправки пакетов по каналу связи с потерями. Вспомогательная система, будучи многоканальной, накапливает пакеты, потерянные основной системой, и пересылает их обратно в основную систему для повторной отправки. Скорость передачи пакетов основной системой и скорость их пересылки вспомогательной системой находятся в заданных диапазонах и подлежат оптимизации с целью минимизации времени успешной доставки и объема использованных ресурсов сети. Для указанных характеристик в стационарном режиме определены явные выражения, которые позволяют сформулировать задачу двукритериальной оптимизации. Определены оптимальные стратегии в двух постановках: в первой задаче минимизируется среднее время успешной передачи при ограничении на ресурсы; во второй задаче минимизируется расход ресурсов сети с учетом ограничения на время успешной передачи. Описано множество Парето-оптимальных стратегий в двукритериальной постановке за счет решения задачи минимизации расширенного функционала. Проанализировано качество приближенных решений, не учитывающих интенсивность обслуживания во вспомогательной системе. Установлено, что при высокой загрузке сети достаточно использовать приближенные решения, основанные на оптимизации скорости передачи без учета интенсивности повторной отправки. Этот факт может быть использован при анализе и разработке реальных инфокоммуникационных сетей, предназначенных для обработки интенсивного пакетного трафика.

  

  Схема сети: слева "— вспомогательная система, справа "— основная система (α — интенсивность повторной отправки, l— вероятность потери, μ — скорость передачи)

  Публикации:
  

  • Н.А. Кузнецов, Д.В. Мясников, К.В. Семенихин. Оптимизация управления передачей данных по флуктуирущему каналу связи при неточной информации о его состоянии. // «Информационные процессы» Том 18, № 2, с. 86-105, 2018.
  • Н. А. Кузнецов, К. В. Семенихин. Анализ и оптимизация управляемой модели замкнутой сети массового обслуживания. //Автоматика и телемеханика, 2020, №3,С.67–85.

• Построена и исследована обобщенная модель обслуживания неоднородного трафика в беспроводном узле доступа, которая в отличие от известных моделей позволила учесть совместное влияние основных значимых факторов, определяющих совместное обслуживание трафика реального времени и эластичных данных. С использованием модели получены выражения для оценки характеристик качества обслуживания заявок через значения входных параметров и стационарных вероятностей обобщенной модели беспроводного узла доступа. Среди них для каждого типа трафика: доли потерянных сессий, средний объем занятого ресурса, среднее время доставки сообщения, средний объем ресурса, используемый каждой сессией и т.д. Полученные выражения позволяют анализировать действие разного рода процедур, направленных на повышение эффективности использования ресурса передачи узлов доступа и создание условий по дифференцированному обслуживанию потоков неоднородного трафика, основанных на ограничении доступа, зависящего от общего уровня занятости ресурса. Получено алгебраическое представление системы уравнений равновесия исследуемой модели беспроводного узла доступа в виде, удобном для последующей реализации метода Гаусса-Зейделя. Найденное выражение дает возможность записать все уравнения системы в виде одного соотношения с коэффициентами, вычисляемыми с помощью рекуррентных формул, зависящих от компонент состояния модели. Это значительно упрощает реализацию метода и дает возможность увеличить число состояний в исследуемой модели до нескольких миллионов. Получены соотношения между характеристиками обслуживания сессий, которые имеют характер законов сохранения интенсивностей поступающих и обслуженных системой потоков заявок. Найденные соотношения можно использовать для вычисления значений характеристик и косвенной оценки сходимости итерационного метода решения системы уравнений равновесия. Разработанные модель и алгоритмы оценки ее характеристик позволяют анализировать действие разного рода процедур, направленных на повышение эффективности использования ресурса передачи узлов доступа и создание условий по дифференцированному обслуживанию потоков неоднородного трафика, основанных на ограничении доступа, зависящего от общего уровня занятости ресурса. Проведен сравнительный анализ временных задержек телекоммуникационного оборудования при традиционном подходе построения сети и с использованием технологии программно-конфигурируемых сетей. Эксперимент показал, что традиционный подход к построению сетей уязвим к изменению топологии сети, что вносит определенные сетевые временные задержки и является причиной снижения производительности сети.

  

  Функциональная модель работы изолированной соты сети LTE при совместном обслуживании трафика сервисов реального времени и эластичного трафика данных

  Публикации:
  

  • Stepanov M.S., Stepanov S.N., Kroshin F.S. Effective Algorithm of Estimation the Performance Measures of Group of Servers with Dependence of Call Repetition on the Type of Call Blocking DCCN 2022. Lecture Notes Computer Science, Springer, Cham. — 2022.

• Проведено имитационное моделирование движения группы поездов по кольцевой линии метро с использованием автоматического управления на основе заданного профиля скоростей. Результаты численного эксперимента по моделированию движения группы поездов по кольцевой линии метро с учетом случайных возмущений и неточных наблюдений показали, что использование сигнализации, основанной на передаче данных о параметрах движения от ведущего поезда к ведомому, способно серьезно повысить пропускную способность линии и сократить межпоездной интервал в сравнении с традиционной системой, использующей данные о занятии (или незанятии) ведущим поездом впереди лежащих участков рельсовых цепей.

  

  Оценки плотности для времени ожидания поезда (в минутах) при использовании двух систем сигнализации: основанной на передаче данных о скорости и положении (красный цвет) и на механизме рельсовых цепей (зеленый цвет) для числа участков 2, числа поездов 15 (слева) и 6, 25, соответственно (справа).

  Публикации:
  

  • Кузнецов Н.А., Лебедев М.В., Семенихин К.В. Сравнительный анализ пропускной способности кольцевой линии метро // 2022, Т.22, №3, С.237-245. http://www.jip.ru/2022/237-245-2022.pdf (Kuznetsov N.A., Lebedev M.V., Semenikhin K.V. Comparative Analysis of the Capacity of a Metro Circle Line // Journal of Communications Technology and Electronics. 2022. V.67. Suppl.1. P.S195-S200.
  • Kuznetsov N.A., Semenikhin K.V., Arkhipov A.S., Fomichev D.S. Simulation-Based Capacity Analysis of a Circle Metro Line // 2021 IEEE 15th International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT), Oct. 13-15, 2021, pp. 1-4

• Разработан метод улучшения работы мобильной связи пятого поколения (5G) при взлете и посадке самолетов гражданской авиации в условиях аэродрома большого города. Международная организация гражданской авиации, предложила информационно - развлекательные услуги для пассажиров, которые должны предоставляться на высокой скорости на борту самолета. Однако, применение современных сетей авиационной связи, в которых используются спутники, сталкивается с эксплуатационными трудностями, основной из которых является узкая полоса пропускания сигнала, ограничивающая высокоскоростное подключение. Наземное высокоскоростное широкополосное подключение к Интернету в настоящее время доступно через беспроводные сотовые сети пятого поколения (5G), скорость передачи данных в которых составляет несколько Гбит/с за счет использования многих антенн. Этот метод, с использованием многих антенн, требует специального исследования для применения в авиационных системах. Была предложена модель работы мобильной связи пятого поколения (5G) при взлете и посадке самолетов гражданской авиации в условиях аэродрома большого города. В основу этой модели была положена структура Multi-Rat. При моделировании мобильной связи во время взлета и посадки самолетов были использованы пороговые модели динамических гиперграфов. Эти модели могут быть эффективно применены для решения проблем распределения ресурсов в гетерогенной сети с высокой плотностью (HUDN), включающей, как уплотнение мобильных устройств, так и уплотнение базовых станций, где плотность базовых станций может даже превышать плотность мобильных устройств. Эта проблема является актуальной для больших мегаполисов, например, таких как Москва.

  

  Модель работы мобильной связи пятого поколения (5G) при взлете и посадке самолетов гражданской авиации

  Публикации:
  

  • Антонова В.М., Клыгин Д.С. О некоторых особенностях построения сетей пятого поколения для гражданской авиации. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №4.
  • В.М. Антонова, К.А. Балакин, Н.А. Гречишкина, Д.С. Клыгин, Н.А. Кузнецов. Применение теории гиперграфов для решения задачи оптимизации производительности сетей в гражданской авиации. Информационные процессы, Том 21, № 4, 2021, стр. 203–210.

• Создана система идентификации личности по голосу. Система разработана в среде MatLab, обладает довольно высокой степенью надежности. При увеличении длины записи голоса вероятность распознавания может быть существенно увеличена. Помимо функции распознавания, существует возможность устранения шумов и пауз, возникающих в ходе записи.

  Публикации:
  

  • В. М. Антонова, К.А. Балакин, Н. А. Гречишкина, Н. А. Кузнецов, Разработка системы аутентификации с использованием верификации диктора по голосу// Информационные процессы, Том 20, No 1, 2020, стр. 10–21.

Сотрудники лаборатории являются преподавателями базовой кафедры «Инфокоммуникационные системы и сети» Московского физико-технического института (национального исследовательского университета) в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. На кафедре обучается более 50 студентов и аспирантов.