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. – Ро-
стов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального уни-
верситета, 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 моделирова-
ния 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 моделирова-
ние при применении компьютеров в таких областях, как технологическое 
моделирование, техническое моделирование, моделирование телекомму-
никационных систем, развития общества и вселенной. Моделирование дей-
ствительности сопровождает человека всю жизнь, давая ему возможность 
изучать и познавать мир. Благодаря компьютерному моделированию по-
явилась возможность не только познавать, изучать сложные системы, но и 
проверять полученные знания о действительной реальности на основе ре-
зультатов 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 ситу-
аций и событий, вероятность появления которых очень мала и т.п. Еще од-
ним достоинством компьютерного моделирования является изучение мо-
делей 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 параметров 
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 исследования 
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 систе-
мах имитационного моделирования для создания моделей используют спе-
циализированные языки программирования, позволяющие описать очень 
сложные СМО [4–6].

Введение

7

Языки моделирования включают в себя компоненты позволяющие

подробно описывать структуры и процессы функционирования моделиру-
емой системы. Такой подход значительно ускоряет и упрощает программи-
рование 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 «чело-
веческом» языке, что позволяет пользователям, не являющимся професси-
ональными программистами, создавать сложные имитационные модели. 
В настоящее время одним из эффективных и распространенных языков мо-
делирования 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 ком-
пьютерных систем стал более дружественным по отношению к пользова-
телю, 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 моде-
лирования пользовательского интерфейса в упрощенном виде. Поэтому 
упрощается процесс визуализации и управления моделированием. Приме-
нение системы GPSS World обеспечило возможность более быстрой разра-
ботки, тестирования и понимания моделей. Считается, что система GPSS 
World представляет собой не просто язык GPSS. Она предоставляет новые 
возможности и является многофункциональной интерактивной имитаци-
онной 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. Теле-
коммуникационные системы выполняют операции хранения, передачи, по-
лучения, уничтожения и обработки информации.

Необходимость в моделировании телекоммуникационных систем 

возникла при появлении телефонной связи. Для обеспечения качествен-
ного обслуживания абонентов телефонной сети требовалось правильно 
определить количество оборудования системы. Отличительной особенно-
стью телефонных сетей являлось то, что количество абонентов, устанавли-
вающих соединения в любой момент времени, всегда меньше общего ко-
личества абонентов, подключенных к этой сети.

Существует проблема определения необходимого количества обо-

рудования телефонной сети. Если будет использоваться максимальное ко-
личество оборудования, позволяющее одновременно соединять всех або-
нентов друг с другом, то это приведет к тому, что какая-то часть оборудо-
вания 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 обслужи-
вания 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 оборудования, 
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 исследова-
ния модели.

В современном мире телекоммуникационные системы передачи ин-

формации включают в себя различные системы передачи информации, та-
кие как радиосвязь, компьютерные сети, телефонные сети. Они в основном 
представляют собой цифровые сети. Можно передавать любую информа-
цию, будь это голосовая информация, данные, видеоданные. В современ-
ных телекоммуникационных системах любая передаваемая информация 
представляется в виде пакетов данных. Поэтому телекоммуникационные 
сети чаще называют широкополосными мультисервисными сетями, выпол-
няющими передачу информации путём коммутации пакетов.

В зависимости от протяжённости цифровые сети классифициру-

ются на локальные, региональные и глобальные сети. Локальными 

1. Моделирование телекоммуникационных систем в GPSS

11

называются сети, которые имеют небольшую протяженность и могут рас-
полагаться внутри здания, на территории предприятия либо фирмы. 
Например, небольшие АТС для внутренней связи либо компьютерная 
сеть из нескольких соединенных компьютеров или любая другая система 
для передачи информации.

Региональные сети имеют большую протяженность, объединяют 

абонентов и сетевые узлы, расположенные в пределах города либо неболь-
шого региона. К ним относятся городские АТС, сервера объединяющие ло-
кальные сети в одну для выхода в глобальную сеть. В качестве передающей 
среды они могут использовать телефонную сеть, оптоволокно, сетевой ка-
бель и т.п.

Глобальная сеть выполняет передачу информации между узлами, 

расположенными в разных государствах, и может использовать для пере-
дачи спутниковую связь, радиосвязь, каналы оптоволоконной передачи, 
трансконтинентальные каналы связи.

Вычислительные сети – это объединения нескольких станций на 

базе компьютеров (узлы сети). Передача информации по сети организуется 
путем взаимодействия узлов сети друг с другом.

При выполнении передачи информации следует учитывать, что для 

организации взаимодействия компьютеров, выполненных на разных аппа-
ратных платформах и работающих под разными операционными систе-
мами, необходимо согласованное взаимодействие узлов друг с другом. Со-
гласование выполняется на основе принятых сетевых протоколов передачи 
информации между сетевыми узлами. Такие протоколы являются стан-
дартными и «понятны» всем компьютерам. Благодаря использованию про-
токолов обеспечивается правильная и безошибочная передача информации 
между сетевыми узлами. Протокол обмена состоит из нескольких уровней. 
На уровнях протокола обмена оговариваются форма сигнала, передающего 
информацию, порядок передаваемых сигналов, средства обнаружения 
ошибок, свойства канала передачи информации, порядок взаимодействия с 
другими протоколами обмена между узлами и многие другие параметры 
среды передачи данных и характеристики взаимодействия компьютеров 
друг с другом.

Все узлы сети классифицируются по таким признакам, как назначе-

ние, обрабатываемая в них информация, роль узла в сети и некоторым дру-
гим признакам. В классификацию входят:

1. Моделирование телекоммуникационных систем в GPSS

12

−сервер – компьютер, который обладает ресурсами и предоставляет 

их другим сетевым пользователям; 

−клиент – компьютеры, которые взаимодействуют с сервером и полу-

чают доступ к его сетевым ресурсам;

−среда – канал для передачи информации между компьютерами;
−совместно используемые данные – информация, которая может быть 

использована несколькими сетевыми компьютерами;

−совместно используемые периферийные устройства – ресурсы, кото-

рые предоставляются сервером другим сетевым компьютерам. Это может 
быть принтер, дисковод, внешний накопитель, рабочая станция и многие 
другие устройства;

−ресурсы – используемая в сети информация, которая может содер-

жаться в форме программных комплексов, либо это могут быть приклад-
ные программы или файлы, содержащие любую информацию.

Большинство компьютерных сетей, которые используются для пере-

дачи информации, являются комбинированными. Для обмена информацией 
между сетевыми узлами может быть использован как последовательный, так 
и параллельный режим обмена. Наиболее простым по реализации является 
последовательный режим обмена информацией. В этом случае канал связи 
представляет собой пару либо тройку проводов, по которым информация пе-
редаётся последовательно бит за битом. Такой режим используется в основ-
ном там, где требуется организовать эффективную с экономической точки 
зрения компьютерную сеть. Недостатком такого канала связи является низ-
кая производительность. Поэтому он используется при передаче небольших 
объемов данных. Достоинством последовательного режима передачи инфор-
мации является то, что он может передавать информацию на большие рас-
стояния без ошибок, а по стоимости такая сеть является экономически вы-
годной. Параллельный режим обмена позволяет одновременно передавать
сразу группу бит. Количество одновременно передаваемых бит определяется 
количеством линий связи в канале. Такой режим позволяет быстрее переда-
вать большой объем данных между сетевыми узлами. Недостатком такого 
режима является то, что стоимость такого режима обмена на порядок выше 
по сравнению с последовательным режимом обмена, а расстояние, на кото-
рое можно передавать информацию без ошибок, меньше.

Сетевые компьютеры, соединённые между собой каналами связи, 

образуют определенный рисунок, называемый топологией сети. Различают