Повышение эффективности связи подвижных абонентов посредством интеграции сотовой и спутниковой систем связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.391

С. Н. НАЗАРОВ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ связи подвижных АБОНЕНТОВ ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕГРАЦИИ СОТОВОЙ И СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМ СВЯЗИ

Одним из решений задачи обслуживания подвижных пользователей с заданным качеством является объединение наземных и спутниковых сетей связи. В таких сетях ресурсы наиболее эффективно используются за счёт появляющейся возможности применения динамического управления информационными потоками: при сильной загруженности сотовой системы связи возможно перенаправить информационные потоки между сотами через спутниковую сеть, обойдя эти загруэ/сенные участки сети; при перегрузке спутниковых каналов связи для организации информационного обмена также возможно использовать совокупность наземных пунктов приёма-передачи информации, зоны радиовидимости которых пересекают космические аппараты.

Ключевые слова: сотовые системы связи, космические аппараты, обслуживание подвижных пользо-

вателей.

Введение

В настоящее время сотовые системы связи не могут охватить всю земную территорию для обеспечения мобильности подвижным абонентам. В реальных системах имеется существенная неравномерность загрузки каналов связи между различными сотами, а также часто возникает их перегрузка. Это приводит, в частности, к разрыву даже уже установленных соединений, например при переходе одного абонента из одной соты с низкой загрузкой каналов связи в другую соту, в которой все доступные каналы связи уже заняты. С другой стороны, при обеспечении функционирования космических аппаратов (КА), а также для передачи разнородной информации с КА в центры сбора и обработки информации применяются системы связи, в состав которых входят совокупность наземных пунктов приёма-передачи информации (НППИ). Однако, наряду с интеллектуализацией КА, требования к увеличению оперативности доставки информации с КА постоянно растут, возникает необходимость обеспечения информационного взаимодействия центров управления с КА в реальном масштабе времени.

Одним из решений задачи обслуживания подвижных пользователей с заданным качеством является объединение наземных и спутниковых сетей связи. В таких сетях ресурсы наиболее эффективно используются за счёт появляющейся возможности применения динамического управ-

Назаров С. Н., 2010

ления информационными потоками: при сильной загруженности сотовой системы связи возможно перенаправить информационные потоки между сотами через спутниковую сеть, обойдя эти загруженные участки сети; при перегрузке спутниковых каналов связи для организации информационного обмена также возможно использовать совокупность НППИ, зоны радиовидимости которых пересекают космические аппараты [1].

Анализ основных вероятностно-временных характеристик, определяющих качество информационного обслуживания

подвижных объекгов

Пусть имеется совокупность подвижных объ-ектов-пользователей. Информационное взаимодействие с подвижными объектами организуется как с использованием наземной сети базовых станций (или НППИ — в случае с космическими аппаратами), так и с использованием каналов

связи геостационарных спутников-ретрансля-

%

торов. Пусть связь между базовыми станциями (БС) осуществляется либо через проводную наземную сеть связи, либо через геостационарный спутник-ретранслятор (ГСР), к каналам которого каждая БС или подвижный объект имеет доступ (рис. 1). Алгоритм управления информационными потоками в объединённой сети связи заключается в том, что при возникновении у подвижного пользователя (ПП) некоторого объёма информации, предназначенного для передачи, по запросному каналу спутника-ретранслятора в центр управления сетью связи, находящийся на ретрансляторе, передаётся запросное сообщение

на предоставление ПП канального ресурса. Система управления, выполняя функции маршрутизатора, рассчитывает время передачи сообщения по различным маршрутам. В частности, в рассматриваемом случае рассчитываются задержки передачи информации по всем возможным спутниковым и наземным каналам связи. Если время установления соединения и длительность сеанса связи, реализуемого через каналы спутника-ретранслятора, больше, чем время установления соединения и сеанса связи, реализуемого через наземную сеть связи (маршрут начинается в узле сети, в зоне которого находится ПП), то соединение устанавливается через наземную сеть. В противном случае ПП обслуживается через каналы связи спутника-ретранслятора.

Первым приближением, имитацией различных траекторий движения подвижных пользователей через зоны действия базовых станций может служить случайный алгоритм распределения ПП по зонам. Пусть длительность интервалов между сеансами связи и длительности этих сеансов соответствуют экспоненциальному закону распределения с параметрами X и |х, соответственно. Каждый узел сети представляется в виде системы массового обслуживания типа М/М/п или М/М/1 - п-канальной или одноканальной (в зависимости от числа каналов связи). Число заявок, пребывающих в системе массового обслуживания (на обслуживании и в очереди), определяет состояние этой системы массового обслуживания. Например, нулевое состояние соот-

ветствует случаю, когда нет ни одной заявки в системе. Пусть в сети связи используется временное уплотнение каналов связи - ВРК (ТОМА). Тогда состояние 2 означает, что одна заявка обслуживается, а одна - стоит в очереди и ожидает момента предоставления канала связи. В этом случае диаграмма интенсивностей переходов для сети связи как модели массового обслуживания выглядит как на рисунке 2. На рисунке: [Хр - интенсивность обслуживания заявки каналом связи ретранслятора, X - интенсивность

возникновения заявок, р'к- вероятность того,

что из 1-го состояния канала ретранслятора заявка переходит в к-й маршрут наземной сети, начинающийся в к-й базовой станции (узле сети), Р, - вероятность того, что время пребывания заявки в сети при обслуживании через канал связи спутника-ретранслятора, который находится в состоянии оказывается больше, чем при обслуживании через]-й узел наземной сети связи.

Примем число ПП достаточно большим, а интервал времени обслуживания заявки через наземную сеть связи на порядок меньше, чем средний интервал возникновения заявок. Это характерно для случаев перехода ПП из одной соты в другую. Таким образом, возможно использование модели открытой сети массового обслуживания. В стационарном режиме система линейных алгебраических уравнений для состояний канала связи ретранслятора выглядит так:

Ух^НППИ

нппи

нппи

нппи

зона обслужииаиия \ гникового сегмента сети

НППИ

зона обслуживания наземного сегмента сети

Рис. 1. Фрагмент интегрированной сети связи при организации информационного обмена с совокупностью космических аппаратов

спутниковый сегмент сети

\

Рис. 2. Диаграмма интенсивностей переходов

интегрированной сети

наземный сегмент сети

Р,цр-Р0М1-Р0> = 0

Р1+1 и - - ) - Р, (П + Ц\ - Рм )) = 0 - (1)

сс

1-0

Для наземной сети связи интенсивность входного потока заявок через]-й узел будет

ос

(2)

к ~ О

Чтобы определить среднюю задержку обслуживания заявки через уи маршрут наземной сети связи, необходимо иметь математическую модель, которая бы описывала вероятностно-временные характеристики (ВВХ) данного маршрута. Каждый маршрут представляет собой последовательное соединение каналов связи и транзитных узлов. Для демонстрации описываемой методики расчёта ВВХ примем в качестве математической модели ]-го маршрута систему массового обслуживания М/М/1. Тогда средняя задержка заявок в ]-м маршруте будет

1

(3)

\ -

\

^¡г.ЗЖ

^4 = 0 у

Определим теперь вероятности Рк, входящие в (1). Поскольку входной поток заявок пуассо-новский, а время обслуживания имеет экспоненциальное распределение, то [2]:

Л =

= 2

(Iу у

—!;—е ^р

(4)

¿ = о

Тогда, заменяя в (4) I на Т из (3), получим:

к

Р, =

= 1

/ = о

\/

И;

00

1

-и-1*

/Лсхр

п = 0

//

оо

\

(5)

При р'к =1/М , где М - число узлов наземной

сети, т. е. при равновероятном распределении потока заявок от ПП по узлам наземной сети последнее выражение упрощается:

Р, =

X

0

/ ч /

Ир //!схр< Ир

а) СО

Л/ц - - X £ Л/ц,

^ .„о ; п - 0

со

где

и - 0

При равной пропускной способности каналов связи наземной сети, т. е. \х} = ц:

Ро = ехР

-Ц

СП

/7-0

(7)

Р = Р , +

л I 1—1

/ N / ■ >

ИР /¿!ехр< -Ир

со 00

л/ц-хУ^ ^ п = 0 } ^ п • 0

Просуммировав левые и правые части (7), получим следующее трансцендентное уравнение:

00

ОО Л

г« = О

п = 0/ О

/ > 1

Мр /х\ ехр< Ир

со Мц-ху ^ 1 п = 0 ' оо л = 0

(8)

со

V

Поскольку функцию^ 72 можно считать дос-

п = О

таточно гладкой, то в качестве численного метода решения последнего уравнения можно использовать, например, алгоритм [3]. Среднюю 'сетевую задержку заявок в наземной сети связи можно рассчитать как [4]:

'-¿IV}'

(9)

»' = 1

где

М оо ос

\ = * I №■

) = \ к = о

¿ = о

Тогда

Т =

с

\ -1

Л/ оо

я/Л

= 1* = О

1

оо

£ = О

/

^ Л/ со ^

у = 14 = 0

(10)

\

/

где Рк определяется по (6).

Среднюю задержку заявок при обслуживании через каналы связи ретранслятора определим из выражения:

Т -р

z

k ~ о

kp>

(

00

X

1 - V ад

V

где Рк из (1) равны:

La

k = о

л

Р, =

k-l ' = 0_

00

Л- 1

1 + уР*Па

k=1 i=0

Л> =

оо

k- 1

1 + Zp*n(1"fi)

k=1 1=0

Среднюю сетевую задержку заявок в интегрированной сети связи определим как взвешен-

¥ V* гт/ч л* г% «% «« » /Л А\ ж ш / 1 1 \ Т 1 л ^ ПЛТ.1 П ТТм? Г

п^ги ьумму и па о ирсдикхвлсм

график зависимости нормированных средних задержек, вычисленный по представленным выше соотношениям.

отношения Цр/|х при постоянной пропускной способности каналов связи интегрированной сети происходит перераспределение трафика между спутниковой и наземной сетью. Увеличение же пропускной способности каналов связи спутника-ретранслятора по сравнению с пропускной способностью наземных каналов связи позволяет (11) существенно снизить сетевую задержку.

Заключение

Таким образом, проведённый анализ упрощённой модели показывает, что эффективность функционирования интегрированной сети существенно зависит от соотношения между пропускными способностями спутниковых и наземных каналов связи. Использование приведённого подхода при анализе такого класса систем позволяет по заданным требованиям к ВВХ обслуживания определить основные параметры рассмотренной интегрированной сети связи. Так, например, по мере ужесточения требований на сетевую задержку, всё большая часть трафика должна обслуживаться каналами связи ретранслятора.

Теоретически, например, для случая сотовых систем связи, когда наземная сеть связи имеет разрывы между сотами, или для случая организации информационного обмена между воздушными или космическими аппаратами и НППИ, минимальная средняя задержка при описанном алгоритме управления информационными потоками достигается тогда, когда вся пропускная способность каналов отводится под каналы связи спутника-ретранслятора.

Рис. 3. Зависимости нормированной средней задержки - Мх^ - средняя задержка в интегрированной сети, в спутниковом и наземном сегментах сети, соответственно

Полученные результаты показывают, что сетевая задержка интегрированной сети существенно зависит от соотношения интенсивностей обслуживания (определяющихся пропускными способностями) каналов связи спутника-ретранслятора и наземной сети. По мере роста

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи: учеб. пособие / В. Е. Камнев, В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. - М. : «Альпина Паблишер», 2004. -536 с.

2. Саати, Т. Элементы теории массового обслуживания и её приложения / Т. Саати. - М. : Советское радио, 1971. - 650 с.

3. Малькольм, Дж. Машинные методы математических вычислений / Дж. Малькольм, М.Форсайт, К. Моулер. - М. : Мир, 1980. -234 с.

4. Клейнрок, Л. Вычислительные системы с очередями / Л. Клейнрок. - М. : Мир, 1979. -600 с.

Назаров Сергей Николаевич, докторант кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ.

const