CC BY
8УДК 691.396.946
Модернизированный протокол множественного доступа для коммутируемого спутникового моноканала в условиях смешанного трафика
Родионов А.В., Акмолов А.Ф., Ефимов С.Н., Викторов Е.А.
В работе предложено обобщение математической модели протокола случайного множественного доступа при использовании коммутируемого спутникового моноканала с обнаружением активности приемных лучей и конфликтов пакетов при осуществлении информационного обмена смешанного трафика речи и данных.
Ключевые слова: протокол, трафик, случайный множественный доступ, спутниковый моноканал.
Введение
В настоящее время системы спутниковой связи (ССС) получают все более широкое применение. Анализ ССС показывает, что применяемые в них протоколы не позволяют достаточно эффективно использовать пропускную способность выделенного диапазона частот. В частности, известный протокол случайного множественного доступа (СМД) Р-ЛЬОИЛ характеризуется наличием взаи-моискажающих конфликтов пакетов, вследствие чего предельный коэффициент использования пропускной способности (КИПС) р спутникового моноканала имеет достаточно низкое значение р = 0,18.
Модернизация протокола осуществляется применительно к коммутируемому спутниковому моноканалу на основе приемной многолучевой антенны (МЛА) спутника-
ретранслятора (СР) и одной передающей антенны с широким лучом, обеспечивающим покрытие всех приемных зон СР (рис. 1).Блок анализа активности и конфликтов (БААК) приемных лучей, входящий в состав СР, осуществляет формирование управляющего воздействия на коммутатор (К).В результате реализации алгоритма работы предлагаемого СР доступ к передающему лучу получает пакет, поступивший первым по одному из приемных лучей МЛА. Последнее обеспечивает исключение взаимоискажаю-щих конфликтов между пакетами, поступившими из различных лучей МЛА.
При наличии взаимоискажающего конфликта между пакетами, передаваемыми в
одном луче, БААК осуществляет блокировку данного луча, что освобождает моноканал для передачи пакетов, поступивших по другим лучам. Анализ активности луча осуществляется на начальном участке преамбулы синхронизации передаваемых пакетов, которая имеет объем от 8 до 12 байт и представляет собой последовательность вида 10101010.... Активность луча и состояние конфликта пакетов в одном луче идентифицируется на основе детектирования радиосигналов и последующего использования двух пороговых устройств (ПУ).
Важным отличием от традиционной схемы реализации протокола Р-ЛЬОИЛ, является также использование различных рабочих частот/\-/ы в восходящих радиолиниях и одной общей частоты /0, используемой для передачи всех ретранслированных пакетов в широком луче нисходящей радиолинии. Последнее достигается использованием различных частотных подставок для переноса принимаемых разночастотных сигналов на об-
Рис.1.Принцип организации коммутируемого спутникового моноканала
щую частоту передачи /0 моноканала.
Дополнительным отличием предложенной модернизации является использование данного протокола для передачи речевых сигналов в виде цифровой (вокодерной) телефонии. При этом в целях обеспечения требуемой вероятности потерь речевой информации осуществляется ^-кратная передача речевых пакетов (РП) (рис. 2).
Следует отметить, что повторная передача РП, в отличие от пакетов данных (ПД) (рис. 3) не осуществляется, в виду жестких временных ограничений, обусловленных требованиями речевого диалога (допустимый уровень задержки - не более 400 мс).
Математическая модель для однородного трафика данных
Приведем обобщение математической модели протокола P-ALOHA при использовании коммутируемого моноканала с обнаружением активности приемных лучей и конфликтов пакетов для однородного трафика данных. Для описания математической модели приняты следующие допущения:
— поток поступающих пакетов является простейшим с интенсивностью ^£=Х0Л, где^0 - интенсивность трафика в одном луче;
— проконфликтовавшие или заблокированные ПД передаются повторно, при этом интенсивность трафика в Л-лучах с учетом повторных передачЛ^ =Л0Л, где Л0 - интен-
■ а ± б
Рис.2. Временные диаграммы передачи РП
Рис.3. Временные диаграммы передачи ПД
сивность трафика в одном луче с учетом повторных передач;
- фактическая загрузка моноканала а=Л^т, где т - длительность передачи пакета;
- на борту ретранслятора реализована функция коммутации сигнала активного луча на вход спутникового моноканала при превышении уровня сигнала порога 1;
- на борту ретранслятора реализована
функция обнаружения конфликта пакетов
при превышении уровня сигналов активного луча порога 2.
Вероятность ретрансляции сигнала (передачи ПД) активного луча в моноканале определим как вероятность того, что на интервале 2т в том же луче приемной МЛА не поступит еще один пакет [1]
Р = е - 2" А 0 . (1)
Тогда вероятность конфликта двух и более пакетов в луче выражается как
А0 . (2)
Рк _ 1 - е
При передаче пакета длительностью т в активном луче остальные (N-1) лучей блокируются на это время с вероятностью
Рт = 1 — е — (Л — ° тА 0 . (3)
При этом если ретранслятор содержит одно ПУ, тогда вероятность повторной передачи пакетов выражается как совместное событие вероятности конфликта и вероятности блокировки
* д 1 = Рк + Рт — Рк Рг . (4)
Если ретранслятор содержит два ПУ, тогда в нем реализована функция обнаружения конфликтов пакетов в активном луче. В этом случае вероятность блокировки (Л-1) лучей с учетом возникновения конфликта в активном луче выражается как
Р бл = (1 — Р К )• Рт, (5)
где (1-Рк) характеризует вероятность сохранения блокировки лучей, т.е. отсутствие конфликта в активном луче.
В этом случае вероятность повторной передачи выражается как вероятность двух
совместных событий: конфликта Рк и блокировки Рбл
* д 2 = Рк + Рбл — Рк • Рбл . (6)
Конфликты и блокировки пакетов приводят к возникновению повторных передач, среднее число которых определяется [2] как
1
К =
(7)
1 — *
На рис.4 представлены зависимости вероятностей конфликта, блокировок и повторной передачи от числа приемных лучей МЛА СР. Анализ графиков показывает, что с увеличением числа приемных лучей уменьшается вероятность конфликта между ПД в луче и вероятность повторной передачи определяется только вероятностью блокировки лучей.
Учитывая, что суммарная интенсивность поступления пакетов (повторных и первичных) на вход антенны определяется как Л^= А^К, интенсивность поступления первичных пакетов для СР с одним ПУ можно выразить в виде
— А,т-И±1)
4 = Ле •е Л . (8)
Тогда выражение для значения КИПС спутникового моноканала р=А^т с учетом а=Л^т и (8) выражается в виде
„ ( N + 1)
р = а • е Л (9)
Проведя дифференцирование (9) по а и приравняв производную к нулю для нахождения максимального значения рдЬ получаем
dp _ da
(N + 1) N
(N +1)
N
, (N+1)
_ о •
(10)
10 15 20 25 30
Рис.4.Результирующий график зависимости повторной передачи пакетов Я от числа лучей N приемной МЛА
- а
е
Решая (10), получаем N
а = -----------. (11)
N + 1
Подставляя а из (11) в (9), получаем выражение для нахождения значения КИПС рд1 для СР с одним ПУ при разном количестве лучей N приемной МЛА
Р д, = -N-------(12)
д 1 ( N + 1 ) • е
При N=1 в (12) имеем рд1=1/2-е, что соответствует известному частному результату для традиционного протокола Р-ЛЬОИЛ.
При увеличении числа N^■да значение КИПС асимптотически стремится к предельному значению для протокола 8-ЛЬОИЛрд1^-1/е.
Выражение для КИПС при передаче однородного трафика данных для двух ПУ [3] имеет вид
2 4 N+3
—а — —а — —а
ра2 = а• (е N — е N + е N ). (13)
На рисунке 5 представлены графические зависимости КИПС от числа приемных лучей для модифицированного протокола Р-ЛЬОИЛ с одним и двумя ПУ в сравнении с известными протоколами Р-ЛЬОИЛ и 8-ЛЬОИЛ. Максимум коэффициента использования р при числе приемных лучей N от 5 до 10 объясняется наличием минимума вероятности повторной передачи Я как функции от N показанной на рисунке 4.
Анализ приведенных на рисунке 5 зависимостей показывает, что максимум КИПС рд обеспечивается при числе приемных лучей N МЛА СР от 5 до 10.
о 5 ю 15 :5 ]\[ ;;
Рис.5.Зависимость КИПС при передаче трафика данныхот числа лучей N приемной МЛА
КИПС протокола Р-ЛЬОИЛ для коммутируемого моноканала при передаче трафика данных достигает значения рд=0,426, что превышает значение известного протокола Р-ЛЬОИЛ в 2,3 раза, а протокола 8-ЛЬОИЛ-на 15%, при этом система остается асинхронной, что существенно упрощает реализацию ССС.
Математическая модель для смешанного трафика речи и данных
В настоящее время весьма актуальной является передача смешанного трафика пакетов речи и данных в ССС. При этом с учетом того, что речевая информация критична к задержкам, но в отличие от данных обладает смысловой избыточностью и допускает определенный уровень потерь и искажений, представляется целесообразным отказаться от повторной передачи проконфликтовавших либо заблокированных РП. Таким образом, можно пренебречь потерей некоторой до-лиРП, возникающих в результате конфликтов и блокировок. Для снижения влияния потерь на качество восстановленной речи можно использовать методы маскирования, основанные на воспроизведении последнего принятого РП.
Вероятности конфликтов пакетов и блокировок лучей для смешанного трафика имеют такой же вид, как и для однородного трафика данных.
Вероятность повторной передачи пакетов данных выражается как совместное событие вероятностей конфликтов и блокировок пакетов речи и данных с учетом доли конфликтов и блокировок пакетов, обуславливающих повторную передачу ПД
_ {л Д2" ^
К 1 Рбл Р К •-‘бл)' 1
*см = (‘К + ‘бл ‘К • ‘бл ) •
1—-г 1
(14)
Отметим, что возможны четыре ситуации конфликтов и блокировок пакетов речи и данных между собой: ПДиПД, ПДиРП, РПиПД, РПиРП. Конфликт двух РП в одном луче или блокировка при одновременной пе-
редаче в разных лучах приемной МЛА не приводят к их повторной передаче. Тогда выражение для КИПС при передаче смешанного трафика речи и данных приобретает вид
/V 2
- а-
Р см
-а—
е N - е N
+ е
vv
1 -4
V 1 .
(15)
Анализ зависимостей, приведенных на рисунке 6, показывает тот же оптимум числа приемных лучей МЛА СР от 5 до 10, что и для модели с однородным трафиком данных (рисунок 5). С увеличением доли речевого трафика число повторно передаваемыхПД уменьшается, что обуславливает большее значение КИПС спутникового моноканала.
Рис.6. Зависимость КИПС при передаче смешанного трафика речи и данных от числа лучей N приемной МЛА
Анализ функционирования модифицированного протокола Р-АЬОИА при к-кратной передаче РП
Как отмечалось выше, при передаче смешанного трафика речи и данных можно пренебречь потерей отдельного числа РП, вследствие избыточности речи. Однако при использовании коммутируемого моноканала для передачи смешанного трафика уже при небольшой загрузке спутникового моноканала происходит превышение допустимого уровня потерь речевых пакетов, что, соответственно, не позволяет увеличить значение КИПС моноканала.
Предлагается модифицировать протокол Р-ЛЬОИЛ путем перехода к к-кратной передаче РП. При этом, в зависимости от доли речевого трафика в общем балансе нагрузки
между речью и данными, осуществляется рациональный выбор числа к-кратности передачи РП. С одной стороны с увеличением к (кратности передачи РП) повышается уровень фактической загрузки “а” моноканала, что приводит к некоторому возрастанию вероятности конфликта и блокировки пакетов. Однако с другой стороны повышается вероятность приема хотя бы одного из к переданных РП, т.е. к-кратная передача РП позволяет при требуемом уровне потерь речевой информации увеличить значение КИПС коммутируемого моноканала при передаче смешанного трафика речи и данных.
Вероятность потери РП при к-кратной передаче имеет вид
Рт , _ ((1 - (1-
к\
1
Я )2)(Рк + Рё -РР))к .(16)
Отметим, что задержка при передаче сигнала по линиям спутниковой связи для геостационарной орбиты составляет около 240 мс. Время на пакетизацию речевого сигнала - 30 мс. Допустимая задержка при передаче сигнала по спутниковым линиям составляет - 400 мс. В оставшиеся 130 мс можно дополнительно к-кратно передать пакеты речевого трафика для достижения необходимого уровня потерь речевой информации.
Анализ представленных на рисунке 7 зависимостей (доля речевого трафика Ар/А^=0,2) показывает, что с увеличением кратности передач РП к можно достичь полной загрузки моноканала при допустимом уровне потерь РП Рпот=0,05.
Рис.7. Вероятности потери РП при к-кратной передаче
4
а
N
а
Зная величину “^’’фактической загрузки моноканала, можно найти значение рупк -КИПС с учетом потерь РП и их к-кратной передачи, которое определяется разницей между исходным значением коэффициента и величиной потерянного речевого трафика при к-кратной передаче
ря к = Ръ (1 -1 • Рш к ), (17)
а
где р^=—1--------------т~ •
л л
к •т+к • (1 -т) т т
На рис. 8 приведены зависимости значений рупк при доле речевого трафика Хр/Х^=0,2. Значения рупк представлены в таблице 1, откуда следует, что при увеличении кратности передачи речевого трафика и загрузки моноканала увеличивается значение КИПС коммутируемого моноканала.
Это связано с тем, что при увеличении кратности передачи доля речи соответствующим образом увеличивается, а доля передаваемых данных падает, что снижает общую нагрузку на сеть и приводит к большему значению КИПСрупк.
О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Э
Рис.8. Влияние к-кратной передачи РП на величину КИПС с учетом потерь речевой информации при передаче смешанного трафика
Таблица 1. Загрузка моноканала при Аф/^= 0.2 и к-кратной передаче РП
к “а” при Рпот=0,05 Руп.к
1 0,135 0,117
2 0,418 0,253
3 0,591 0,288
4 0,724 0,301
5,38 1 0,347
Значения коэффициента использования рупк для различных соотношений трафика речи и данных приведены в таблице 2. Анализ таблицы позволяет сделать вывод о том, что с увеличением доли речевого трафика Хр/Х^ и соответствующей кратности передачи к можно получить значительный выигрыш в значении КИПС по сравнению с протоколом Р-ЛЬОНЛ. Так, например, при передаче только речевого трафика - р=0,523, что обеспечивает почти трехкратное превышение над значением Р-ЛЬОНЛ (р=0,184).
Таблица 2. Значения КИПС при к-кратной передаче РП
^р% к (а=1) К руп.к
0 — 2,345 0,426
0,2 5,38 2,225 0,347
0,4 3,69 1,93 0,372
0,6 2,74 1,58 0,426
0,8 2,184 1,26 0,480
1 1,816 --- 0,523
На рис. 9 представлены зависимости к-кратности передач РП и среднего числа повторных передач ПД от соотношения трафика речи и данных, а на рисунке 10 - сравнение значений КИПС традиционного протокола Р-ЛЬОНЛ и модифицированного про-токолаР-ЛЬОНЛ для коммутируемого моноканала.
Анализ данных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что минимум КИПС рупк в диапазоне Хр/Х^=0,15-0,4 обусловлен максимумом кратности передач РП к и большим значением среднего числа К повторных передач ПД при учете ограничения
Рпот=0,05. При этом традиционный протокол Р-ЛЬОИЛ в условиях смешанного трафика и ограничения Рпот=0,05 характеризуется низкой величиной КИПС руп~0,1-0,06 в области ХрА,£>0,1, в то время как предлагаемый модифицированный протокол СМД обеспечивает величину КИПС 0,35<рупк<0,52 во всем диапазоне соотношения смешанного трафика речи и данных.
Рис.9.Сравнение значений повторной передачи ПД и к-кратной передачи РП
Рис.10.Сравнение значений КИПС протоколов множественного доступа для коммутируемого моноканала
Заключение
Подводя итоги проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы:
1. При построении перспективной ССС рекомендуется использовать находящийся на геостационарной или на высокоэллиптической орбите СР с прямой ретрансляцией сигналов, приемной МЛА, содержащей Л=5-10 лучей, и глобальной передающей антенной. На СР возложены функции по обнаружению активности и конфликтов пакетов в прием-
ных лучах, а также коммутация активного приемного луча к моноканалу с одновременной блокировкой всех остальных лучей до момента завершения передачи пакета в моноканале.
2. Предложены две обобщенные математические модели коммутируемого моноканала с обнаружением активности и конфликтов для однородного трафика данных и смешанного трафика речи и данных. Реализация данных моделей позволяет повысить значение КИПС ССС до значений р=0,426 и выше в зависимости от соотношения трафика речи и данных, что соответствует выигрышу в значении КИПС от 2,3 и выше по сравнению с протоколом Р-ЛЬОИЛ и от 1,2 и выше по сравнению с 8-ЛЬОИЛ.
3. Для соблюдения требуемого уровня потерь РП предлагается модифицировать протокол Р-ЛЬОИЛ путем применения ^-кратной передачи РП в зависимости от соотношения трафика речи и данных, что обеспечит р=0,35-0,52. При этом диапазон наименьших значений КИПС приходится на долю речевого трафика в ССС в диапазоне ^/^=0,15-0,4 (в этом диапазоне значений ССС наиболее нагружена, за счет большого числа кратности передач РП и повторных передач ПД). Кроме того, этот диапазон характеризуется большим значением среднего времени передачи ПД и меньшем значении КИПС для данного соотношения трафика речи и данных.
Литература
1. Камнев, В.Е. Спутниковые сети связи: Учебное пособие / В.Е. Камнев, В.В. Черкасов, Г.В. Чечин. - М.: «Альпина Паблишер», 2004. -536 с.
2. Иносе, Х. Интегральные цифровые сети связи: Пер. с англ. / Под ред. В.И. Неймана. - М.: Мир, 1982. - 320 с.
3. Цветков, К.Ю. Динамическое перераспределение пропускной способности коммутируемого спутникового моноканала при использовании
протоколов множественного доступа / К.Ю. мационно - управляющие системы. - 2006. - №5.-
Цветков, А.В. Родионов, А.Ф. Акмолов // Инфор- С. 47-50.
Поступила 14 октября 2011 г.
In work is offered generalization to mathematical model of the protocol of the casual multiple access when use the switched satellite monochannel with finding the activities receiving rays and conflict packet at realization of the information changing the mixed traffic speech and data.
Key words: protocol, traffic, casual multiple access, satellite monochannel.
Родионов Александр Васильевич - кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Акмолов Алексей Феликсович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Ефимов Сергей Николаевич - кандидат технических наук, заместитель начальника кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
Викторов Евгений Александрович - адъюнкт кафедры «Сети и системы связи космических комплексов» ФГВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» МО РФ.
E-mail:[email protected], [email protected], [email protected].
