АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра автоматической электросвязи
ОСНОВЫ САПР ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ (GPSS)
Методические указания к выполнению лабораторных работ
(для студентов специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации)
Алматы 2005
СОСТАВИТЕЛИ: К.Х.Туманбаева, Л. О. Балгабекова. Основы САПР телекоммуникационных систем. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальности бакалавриата 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации). - Алматы: АИЭС, 2005 - 26с.
Методические указания содержат исходные данные и рекомендации для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Основы САПР телекоммуникационных систем». Выполнение работ позволяет приобрести навыки работы с системой имитационного моделирования GPSS World, применяемой при проектировании телекоммуникационных систем.
Ил. 3, табл. 2, библиогр.- 3 назв.
Рецензент: д-р. техн. наук, проф. Г.П.Данилина
Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2005 г.
©Алматинский институт энергетики и связи, 2005 г.
Введение
Лабораторные работы по дисциплине «Основы САПР телекоммуникационных систем» ориентированы на обучение студентов основам работы с программными пакетами, применяемыми при проектировании телекоммуникационных систем. Для проведения лабораторных работ отведено 17 часов, из них 4 часа предназначены для обучения основам работы с системой имитационного моделирования GPSS World.
Цель лабораторных работ на базе системы моделирования GPSS World – познакомить с возможностями компьютерного моделирования при проектировании телекоммуникационных систем, выработать у студентов начальные умения и навыки работы с системой имитационного моделирования GPSS World.
В методических указаниях представлены начальные сведения об имитационном моделировании, даны базовые понятия и определения о системах массового обслуживания (СМО).
Знакомство с пакетом GPSS World осуществляется после изучения программных пакетов “MapInfo” и “System View”.
Лабораторная работа посвящена ознакомлению с диалоговыми возможностями GPSS World, осуществляемых с помощью оконного интерфейса в режиме активного диалога.
При выполнении лабораторной работы студенты разрабатывают модель одноканальной СМО на языке GPSS World, вводят модель в систему, отлаживают, запускают и получают результаты моделирования.
Лабораторная работа №1
Работа с главным меню в системе имитационного моделирования
GPSS World
1.1 Цель работы: изучение возможностей главного меню системы имитационного моделирования GPSS World, приобретение навыков работы с системой в интерактивном режиме.
1.2 Подготовка к работе
1.2.1 Изучить и освоить понятия имитационного моделирования, систем массового обслуживания (материал для подготовки к лабораторной работе).
1.2.2 Изучить пункты главного меню системы GPSS World, представленные в методических указаниях и в /1,2,3/.
1.3 Задание к работе
Запустить GPSS World. Ознакомиться с пунктами главного меню. Изучить команды ниспадающих меню, изучить их возможности. Ввести операторы заданной модели. Произвести трансляцию введенной модели. Запустить модель. Получить отчет моделирования.
1.4 Порядок выполнения работы:
а) взять у преподавателя вариант задания;
б) запустить систему GPSS World;
в) изучить пункты главного меню;
г) ввести операторы модели;
д) запустить процесс моделирования;
е) получить результаты моделирования в виде отчета на экране;
ж) подготовить отчет о выполненной лабораторной работе, где представить модель, результаты моделирования и анализ полученных данных.
1.5 Материал для подготовки к лабораторной работе
1.5.1 Начальные сведения об имитационном моделировании
Основным современным методом исследования телекоммуникационных систем (ТС) на всех стадиях их разработки, проектирования и модернизации является моделирование. Методами моделирования решаются важнейшие задачи анализа и синтеза ТС. Моделирование дает возможность разработчику системы экспериментировать с системой (существующей или предполагаемой) в тех случаях, когда делать это на реальном объекте нецелесообразно или невозможно. По результатам моделирования могут быть построены исчерпывающие зависимости между параметрами ТС и функционалами, характеризующими ее свойства; исследованы качественные закономерности, определяющие области устойчивости значений этих функционалов; решены задачи, связанные с выбором оптимальных параметров и построения рациональной стратегии управления.
Математическая модель ТС представляет собой формальное математическое описание основных процессов функционирования системы. По своей структуре математическая модель системы состоит из моделей элементов системы, модели взаимодействия элементов между собой, а также моделей внешних воздействий на систему.
Важнейшим свойством математического моделирования является его принципиальная универсальность. Этот метод в принципе не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи, он позволяет относительно просто изменять числовые значения параметров, начальных условий и режимов работы исследуемых (создаваемых) ТС. Методологически математическое моделирование разбивается на два вида: аналитическое и имитационное моделирование.
При аналитическом моделировании математическая модель реализуется в виде такой системы уравнений относительно искомых величин, которая допускает получение нужного результата аналитически (в явном виде) или численным методом. В некоторых случаях аналитическое описание системы становится чрезмерно сложным, что затрудняет получение требуемых результатов. В данной ситуации следует переходить к использованию имитационных моделей.
Имитационная модель в принципе позволяет воспроизвести весь процесс функционирования ТС с сохранением логической структуры, связи между явлениями и последовательность протекания их во времени.
При имитационном моделировании на компьютере имитируется работа проектируемой системы. Математическая модель при этом реализуется в виде программы для компьютера. В результате экспериментов на компьютере собирается статистика, обрабатывается и выдается необходимая информация. Таким образом, можно получить характеристики проектируемой системы, исследовать факторы, влияющие на них.
1.5.2 Базовые понятия и определения системы массового обслуживания (СМО)
При математическом моделировании систем и сетей телекоммуникаций используется теория массового обслуживания.
Основоположником теории является датский математик А. К. Эрланг. Являясь сотрудником Копенгагенской телефонной компании, он опубликовал в 1909г работу «Теория вероятностей и телефонные переговоры», в которой впервые поставил и решил некоторые задачи теории массового обслуживания.
Теория массового обслуживания представляет собой комплекс вопросов эффективности конструирования и эксплуатации систем массового обслуживания (СМО).
Каждая СМО включает в свою структуру некоторое число обслуживающих устройств, которые называют каналами обслуживания. Роль каналов могут играть различные приборы, устройства, а также лица, выполняющие те или иные операции (кассиры, операторы, продавцы), линии связи, автомашины и т. д.
Системы массового обслуживания могут быть одноканальными или многоканальными.
Каждая СМО предназначена для обслуживания некоторого потока заявок, поступающих на вход системы в случайные моменты времени. Обслуживание заявок длится случайное время. После обслуживания заявки канал освобождается и готов к приему следующей заявки.
Случайный характер потока заявок и времени их обслуживания приводит к неравномерной загруженности СМО: в некоторые промежутки времени на входе скапливаются заявки, становятся в очередь на обслуживание, либо покидают систему.
Таким образом, во всякой СМО можно выделить следующие основные элементы:
- входящий поток заявок;
- очередь;
- каналы обслуживания;
- выходящий поток обслуженных заявок.
Каждая СМО в зависимости от своих параметров: характеристик потока заявок, числа каналов обслуживания и их производительности, а также от правил организации работы - обладает определенной эффективностью функционирования (пропускной способностью). В общем случае СМО состоит из n каналов. В любое время канал пребывает в одном из состояний: свободен или занят.
Допустим, что в некоторый момент времени в систему коммутации поступил вызов. Если в системе есть свободный канал, то вызов будет обслужен. В противном случае вызов становится в очередь и ждет обслуживания.
1.5.3 Система моделирования GPSS World
Как было отмечено выше, имитационная модель представляет собой компьютерную программу. Её можно разработать на любом алгоритмическом языке, но реализация сложных моделей в этом случае становится трудоемкой, что обусловило появление специализированных языков моделирования.
Одним из первых языков моделирования, облегчающих процесс написания имитационных программ, был язык GPSS, созданный Джефри Гордоном в фирме IBM почти сорок лет тому назад. Язык GPSS положен в основу системы моделирования GPSS World, программного продукта фирмы Minuteman Software (США), появившегося в 2000 году. Система моделирования включает в себя развитые графические оболочки для создания моделей и интерпретации выходных результатов, объектно-ориентированное программирование и мультимедийные средства.
Следует отметить, что система позволяет моделировать непрерывные и дискретные процессы, особенно эффективно моделирование СМО, в качестве которых можно рассматривать системы телекоммуникаций.
Студенческую версию GPSS World можно бесплатно скачать с сайта:
www.minutemansoftware.com/download.
1.5.4 Главное меню GPSS
Чтобы запустить программу, дважды щелкните мышью по файлу GPSSW.exe в каталоге, в котором была установлена система. Появится главное окно системы GPSS World.
.
Рисунок 1 – Главное окно системы GPSS World
В первой строке (строке заголовка) главного окна указано название окна- GPSS World. Во второй строке располагаются пункты главного меню, в третьей – стандартная панель инструментов. Нижняя строка главного окна – строка состояния системы, в которой дается краткое описание выделенной команды.
Главное меню обеспечивает доступ ко всем средствам системы GPSS World. По своей сути главное меню является основным управляющим центром этой системы.
Рассмотрим пункты главного меню.
Меню File
Пункт File служит для работы с файлами документов. Файлы имитационных моделей в системе GPSS World записываются в окне Model и сохраняются с расширением.gps, текстовые файлы записываются в окне Text File и сохраняются с расширением.txt. Они имеют текстовый формат, поэтому их легко прочитать и модифицировать при помощи текстового редактора.
Файлы могут содержать и результаты проведенного моделирования. Эти файлы создаются после сохранения содержимого окна REPORT (отчет). При этом файл будет иметь расширение.gpr. Кроме того, можно сохранить сообщения, появляющиеся в процессе моделирования систем. Эти сообщения, выводимые в окне JOURNAL, можно сохранить в файле с расширением.sim.
Выпадающее меню пункта File содержит следующий набор пунктов:
New…
Open…
Close
Save
Save As…
Print…
Internet
Recent File
Exit
При выборе пункта New появляется диалоговое окно Новый документ. С помощью пункта Model можно создать новый файл для моделирования и текстовый файл с помощью пункта Text File. После выбора типа файла появится соответствующее окно: для ввода моделируемой системы – Untitled Model 1 (Без названия модель 1) – или для создания текстового файла – Untitled Text File 1 (Без названия текстовый файл 1).
Меню Edit
Выбор пункта Edit вызывает ниспадающее меню редактирования. Кромеизвестных пунктов Undo (отменить), Cut (вырезать), Copy (копировать), Paste (вставить), оно содержит следующие:
Expression Window … (окно выражения) вызывает диалоговое окно Edit Expression Window;
Plot Window…( окнографика) вызывает диалоговое окно Edit Plot Windowж
Insert GPSS Blocks… (вставить блоки GPSS) вызывает диалоговое окно, в котором можно щелчком мыши выбрать нужный блок GPSS (рисунок 2).
Рисунок 2 – Диалоговое окно Insert GPSS Blocks
Как видим из рисунка 2, в диалоговое окно входят 53 блока. Если щелкнуть по любому из них, то появится соответствующее диалоговое окно. Допустим, вы щелкнули по блоку GENERATE, на экране появится шаблон блока для ввода необходимой информации (рисунок 3).
Рисунок 3 – Шаблон блока GENERATE
Insert Experiment (Вставить эксперимент) вызывает всплывающее меню для выбора соответствующего эксперимента.
Settings … (Установки) вызывает диалоговое окно, в котором можно определить те или иные установки системы.
Меню Search
Выбор пункта Search ( поиск ) позволяет осуществитьтакие действия, как нахождение и исправление ошибки, переход к нужной строке, установка необходимых закладок, установление и удаление меток в тексте программы, выделение текста от курсора до установленной метки. Все указанные действия можно выполнить с помощью команд ниспадающего меню, которое появляется после выбора данного пункта.
Меню View
Выбор пункта View главного меню позволяет открывать различные окна, панели или меню:
Notices (Сообщения) вызывает окно Notices;
Toolbar (Панель инструментов);
Entity Details (Детальное представление элемента);
Simulation Clock (Часы моделирования).
Меню Command
Выбор пункта Command главного меню вызывает ниспадающее меню следующих команд:
· Create Simulation (Создать выполняемую модель) вызывает транслятор и выполняет трансляцию исходной модели с фиксацией даты и времени начала и окончания трансляции;
· Retranslate (Перетранслировать) обеспечивает перетранслирование модели;
· Repeat Last Command ( Повторить последнюю команду);
· CONDUCT (Управление) дает возможность проведения эксперимента;
· START (Пуск) обеспечивает запуск оттранслированной программы;
· STEP1 (Шаг 1) обеспечивает пошаговое выполнение программы;
· HALT (Останов) прерывает процесс моделирования;
· CONTINUE (Продолжить) обеспечивает продолжение моделирования;
· CLEAR (Очистить) возвращает моделирование в первоначальное состояние;
· RESET (Сброс) осуществляет сброс статистики в начальное состояние;
· SHOW … (Показать) показывает искомые параметры;
· Custom … (Пользователь) обеспечивает возможность ввода команд управления пользователем.
Меню Window
Система GPSS World позволяет эффективно работать с несколькими окнами. Под каждую модель отводится отдельное окно. Одно из них является активным, то, с которым пользователь работает. Система также позволяет работать с несколькими окнами одновременно. Выбор пункта Window главного меню позволяет управлять работой с несколькими окнами. Наряду с известными командами (Cascade, Tile), позволяющими расположить окна на рабочем столе в нужном виде, меню предлагает следующие команды:
Simulation Window (Окно моделирования) вызывает всплывающее меню, которое содержит команды для вызова нужных окон;
Simulation Snapshot (Снимок моделирования) вызывает всплывающее меню со списком окон различных снимков моделирования и окон, открытых в данный момент.
Меню Help
Выбор пункта Help ( Справка ) главного меню открывает меню справочной системы:
Help Topics (Вызов справки) вызывает справочную систему;
About GPSS World … (О системе GPSS World) обеспечивает дополнительной информацией по системе.
1.6 Варианты лабораторной работы
В одноканальную систему массового обслуживания в случайные моменты поступают сообщения, если канал свободен, то сообщение поступает на обслуживание, в противном случае ждет в очереди.
На языке GPSS модель будет состоять из следующих блоков:
GENERATE A, B; поступление транзакта
QUEUE 1; присоединение к очереди 1
SEIZE 2; занятие канала обслуживания 2
DEPART 1; выход из очереди 1
ADVANCE F, B; обслуживание транзакта
RELEASE 2; освобождение канала обслуживания 2
TERMINATE 1; выход транзакта из системы
START A
Ввести данную модель в систему GPSS World, запустить процесс моделирования и получить результаты. Параметры модели взять соответственно варианту.
Таблица 1
| Вариант | Параметры блока GENERATE | Параметры блока ADVANCE | Число транзактов | ||
| А | B | A | B | ||
1.7 Отчет о проделанной работе
Отчет о проделанной работе должен содержать следующее:
а) титульный лист с указанием наименования лабораторной работы, фамилии студента, номера группы, даты выполнения работы;
б) задание и исходные данные для выполнения работы;
в) модель на языке GPSS;
г) результаты моделирования и анализ полученных данных.
1.8 Контрольные вопросы:
Что такое математическое моделирование?
Какое моделирование называется аналитическим?
Какое моделирование называется имитационным?
Что собой представляет имитационная модель?
Что такое система массового обслуживания (СМО)?
Что является транзактом в системах телекоммуникаций?
Какие блоки системы GPSS World вам известны и какие функции они выполняют?
Какой пункт главного меню и какую команду из ниспадающего меню нужно выбрать, чтобы осуществить ввод операторов модели?
Какой пункт главного меню и какую команду из ниспадающего меню нужно выбрать, чтобы осуществить процесс моделирования?
Как можно увидеть результаты моделирования?
Какие данные о работе моделируемой системы можно получить в результате моделирования?
Лабораторная работа № 2
Моделирование одноканальной системы массового обслуживания
2.1 Цель работы: получение навыков моделирования на GPSS одноканальных систем массового обслуживания, а именно построения моделей, проведения экспериментов и получения результатов моделирования.
2.2 Подготовка к работе
2.2.1 Изучить функции блоков, необходимых для построения одноканальной СМО.
2.2.2 Изучить пункты главного меню системы GPSS World для проведения процесса моделирования.
Изучить способы управления продолжительностью процесса
моделирования /раздел 2/.
2.3 Задание к работе
Разработать модель одноканальной СМО с параметрами, соответствующими вашему варианту. Провести процесс моделирования, получить результаты.
2.4 Порядок выполнения работы
2.4.1 Получить задание и вариант работы у преподавателя.
2.4.2 Разработать модель СМО.
2.4.3 Осуществить ввод операторов модели.
2.4.4 Запустить процесс моделирования.
2.4.5 Получить результаты моделирования в виде отчета на экране.
2.4.6 Подготовить отчет о выполненной лабораторной работе, где представить модель, результаты моделирования и анализ полученных данных.
2.5 Материал для подготовки к лабораторной работе
2.5.1 Язык моделирования GPSS
GPSS – General Purpose Simulation System, общецелевая система моделирования.
Необходимо отметить, что GPSS – это язык моделирования СМО.
Сообщения поступают в случайные моменты времени, встают в очередь и ожидают момента начала обслуживания.
Сообщения будут называться транзактами. Транзакты являются движущимися элементами GPSS модели. Работа GPSS модели заключается в перемещении транзакта. В самом начале моделирования в модели нет ни одного транзакта. В процессе моделирования транзакты входят в модель в определенные моменты времени в соответствии с теми логическими требованиями, которые возникают в модели. Подобным же образом транзакты покидают систему в определенные моменты времени. В общем случае в модели может существовать большее число транзактов, однако в один момент времени двигается только один транзакт. Каждому транзакту соответствует определенный путь.
Следующими важными элементами языка моделирования являются операторы. Операторы GPSS делятся на три типа:
- блоки;
- операторы описания данных;
- команды GPSS.
Разработчику модели предоставляется в распоряжение более чем 40 блоков. Для построения модели нужно выбрать из них необходимые и выстроить в определенной последовательности.
Формат GPSS блоков:
[<метка>] <Операция> <Операнды> <; Комментарии>
Метка (имя блока). Последовательность символов, начинающаяся с буквы. В некоторых блоках поле является обязательным (именами или метками не могут быть названия блоков, команд).
Операция. Названиями операций блоков являются глаголы, которые описывают основные функциональные назначения блоков.
Операнды. Блоки могут иметь операнды. Операнды блоков задают информацию, необходимую для выполнения действия. В блоках не может быть использовано более 7 операндов. В общем случае операнды обозначаются символами А, В, С, D, E, F, G. Одни операнды являются обязательными, другие нет. Если операнд опущен, то вместо него ставится запятая. Между операндами не должно быть более одного пробела.
A, B,, D,, G 3, 5,, 1
Комментарии. Необязательное поле. Комментарии отделяются знаком «;».
Познакомимся с несколькими основными блоками GPSS.
1 Блок GENERATE (генерировать)– это блок, через который транзакты входят в модель. В одной модели может быть несколько таких блоков.
Формат блока:
GENERATE [А], [В], [C], [D], [E]
Значение операндов:
A – среднее значение интервала поступления транзактов;
B – величина разброса возможных значений относительно среднего значения. (Если операнд B не задается, то интервал времени поступления – детерминированная величина);
C – момент времени, когда в блоке GENERATE должен появиться первый транзакт;
D – ограничитель общего числа транзактов, которое может войти в модель через данный блок GENERATE на протяжении времени моделирования. (Если это число достигнуто, то этот блок перестает быть активным);
E – уровень или класс приоритета каждого из транзактов, которые вводятся в модель через данный блок GENERATE. (Всего существует 128 разных уровней, которые задаются с помощью чисел от 0 до 127).
Пример
GENERATE 18,7
A = 18, B = 7. Интервал времени поступления является случайным числом со средним значением 18 с полем допуска 7, то есть он может приобретать значения из интервала (11,25).
2 Блок SEIZE (занять) – блок моделирует занятие прибора, устройства, канала.
Формат блока:
SEIZE A,
здесь А – символическое или числовое имя прибора.
Например, SEIZE 1 или SEIZE EQO.
Прибор из состояния «незанято» переходит в состояние «занято».
Свойства блока:
А) Если в текущий момент устройство используется, то транзакт не может войти в блок.
Б) Если устройство свободно, то транзакт входит в блок.
3 Блок RELEASE (освободить) освобождает обслуживающий прибор, переводит его в состояние «незанято».
Формат блока:
RELEASE А,
А – имя освобождаемого прибора.
4 Блок ADVANCE (задержать) задерживает продвижение транзакта в течение некоторого времени. Обычно этот интервал задается случайной величиной.
Формат блока:
ADVANCE А, [В],
где A – среднее время задержки на обслуживание;
B – половина поля допуска равномерно распределенного времени задержки.
Транзакт всегда может войти в этот блок. Вычисляется время пребывания в нем транзакта. В блоке может одновременно находится несколько транзактов.
Пример
ADVANCE 30,5
Время задержки транзакта в этом блоке случайная величина, равномерно распределенная в промежутке (25, 35).
5 Блок QUEUE ( стать в очередь) – блок обеспечивает возможность автоматического сбора статистических данных, описывающих вынужденное ожидание обслуживания.
Формат блока:
QUEUE A, [B],
где А – имя или номер очереди;
В – число единиц, на которое увеличивается длина очереди (по умолчанию В=1).
При входе транзакта в блок QUEUE счетчик числа транзактов увеличивается на В, запоминается текущее модельное время.
Блок DEPART (покинуть очередь) транзакт перестает быть элементом очереди.
Формат блока:
DEPART A, [B],
где А – имя или номер очереди;
В – число единиц, на которое уменьшается длина очереди.
Если в модели используются объекты типа «очередь», то есть используются блоки QUEUE и DEPART, то в конце моделирования система автоматически выдает статистические данные: значение счетчика входов, максимальное значение длины очереди, среднее значение длины очереди, текущее значение длины очереди, среднее время ожидания в очереди и т.д.
Блок TERMINATE (завершить) – удаляются транзакты из модели.
Формат блока:
TERMINATE [А]
Здесь А – величина, которая должна вычитаться из специального счетчика, который называется счетчиком завершения (по умолчанию А=0). Таким образом, транзакты удаляются из модели, попадая в блок TERMINATE.
Счетчик завершений задается с помощью оператора START.
Оператор START (начать) – моделирование начинается с данного оператора.
Формат оператора:
START A, [B]
В операнде А задается начальное значение счетчика завершения. Моделирование идет до тех пор, пока содержимое А не будет равно 0. Содержимое счетчика уменьшает блок TERMINATE. В – операнд вывода статистики, по умолчанию выводится стандартная статистика.
Оператор END
Оператор предназначен для завершения работы с системой.
