Применение пакетной передачи информации в сетях радиосвязи ДКМ диапазона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Елягин, С. В. Проверка адекватности измерений, получаемых с помощью мобильного измерительного терминала / С. В. Елягин, В. Е. Дементьев // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота: Математика, физика, технические науки, архитектура, строительство и методика их преподавания. - 2009. - №6 (25). - С. 54-57.

2. Елягин, С. В. Измерение плотности потока мощности с помощью мобильного измерительного терминала / С. В. Елягин // Вестник УлГТУ. -2008.-№2.-С. 56-58.

3. Елягин, С. В. Анализ плотности потока мощности (ППМ) вблизи излучающих антенн / С. В. Елягин // Вестник УлГТУ. - 2008. - №4. -

С. 51-54.

4. Марков, Г. Т. Антенны : учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов / Г. Т. Марков, Д. М. Сазонов. - Изд. 2-е, пере-раб. и доп. - М.: Энергия, 1975. - 528 с.

Елягин Сергей Владимировичу кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ. Имеет работы в области радиотехники и связи.

Дементьев Виталий Евгеньевичу кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ. Имеет работы в области статистического анализа и синтеза изображений.

УДК 621.391 С. Н. НАЗАРОВ

ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СЕТЯХ РАДИОСВЯЗИ ДКМ ДИАПАЗОНА

Проводится анализ протоколов многостанционного доступа к беспроводной среде распространения сигналов, оценка функционирования пакетной сети радиосвязи декаметрового диапазона по помехоустойчивости и своевременности доставки сообщений при использовании протокола со свободным случайным многостанционным доступом, приводятся результаты имитационного моделирования пакетной сети радиосвязи ДКМ.

Ключевые слова: пакетная сеть радиосвязи ДКМ диапазона, детерминированные протоколы, протоколы со случайным доступом к разделяемым ресурсам.

Введение

Современные сети радиосвязи строятся на основе радиосвязи с коммутацией пакетов. В пакетной радиосвязи (ПРС) ДКМ диапазона существенными факторами, влияющими на эффективность радиосвязи, являются помехи различного рода, изменяющееся состояние ионосферы, ограничения на пропускную способность радиоканалов [1]. Одним из перспективных способов повышения эффективности функционирования пакетных сетей радиосвязи (ПСР) является использование пространственно-частотного ресурса радиосвязи ДКМ диапазона [2, 3, 4].

Согласно [4] сети радиосвязи, в которых реализуется механизм пространственного ресурса радиосвязи ДКМ диапазона, объединяют N або-

© Назаров С. Н., 2009

нентских станций (АС) и М1 взаимосвязанных, вынесенных за зону связи базовых станций радиодоступа. При организации каналов радиодоступа (КРД) [4] формирование радиолиний между АС и БСРД осуществляется в условиях конкуренции за доступ к элементам пространственного ресурса сети. Поэтому возникает необходимость разработки нового протокола многостанционного доступа к общесетевому ресурсу или выбора на основе анализа из множества существующих протоколов, оценить надёжность и своевременность доставки сообщений в ПСР ДКМ, использующих выбранный протокол взаимодействия.

Анализ существующих протоколов много-станционного доступа к общему ресурсу сети

радиосвязи ДКМ диапазона

Согласно [1, 5] в ПСР могут быть реализованы протоколы многостанционного доступа следующих видов:

1. Детерминированные протоколы. Они основаны на ортогональном и квазиортогональном разделении ресурса. Недостатками данного вида протоколов является нерациональное использование ресурсов радиосвязи и ограниченное число корреспондентов сети.

2. Протоколы со случайным доступом к разделяемым ресурсам. Протоколы данного вида допускают возникновение конфликтов при передаче пакетов. В большинстве случаев это хорошо сочетается с характеристиками трафика в ПСР, так как потеря части пропускной способности радиоканала из-за конфликтов меньше потерь, обусловленных простоем канала при использовании детерминированных протоколов. Наибольшее применение в ПСР находят протоколы со свободным случайным многостанционным доступом (ССМД). Алгоритм работы корреспондентов ПСР, соответствующий протоколу ССМД, заключается в том, что каждый корреспондент сети генерирует новые пакеты с интенсивностью X и передаёт их своему адресату по общему каналу. Подтверждение об успешном приёме пакета поступает по каналу обратной связи. Если подтверждение на получение пакета не поступило в течение установленного времени, то осуществляется повторная передача пакетов с интенсивностью г > X до момента правильного приёма пакета хотя бы один раз. При этом время I п - передачи пакета не должно превышать Тдоп. - допустимое время передачи, которое устанавливается требованием на качество обслуживания в сети.

3. Протоколы многостанционного доступа с контролем занятости ресурса. Основной недостаток данных протоколов в том, что проверка состояния канала не исключает ложного принятия решения о незанятости канала. Это обусловлено тем, что радиолинии большой протяжённости характеризуются большим временем распространения сигнала.

Таким образом, проведённый анализ показывает, что для организации ПСР с использованием пространственного ресурса наибольшее применение находят протоколы ССМД.

Характеристика помехоустойчивости

ПСР с ССМД

На помехоустойчивость ПСР ДКМ диапазона с ССМД оказывают влияние такие факторы, как [1]:

- соотношение энергетических параметров сигнала и помехи;

- внутренние помехи, которые представляются в виде конфликтов, возникающих при наложении кадров.

(1)

Воздействие внутренних помех на помехоустойчивость приёма пакетов определяется суммарным потоком, алгоритмом СМД, реализуемого в ПСР ДКМ и его параметрами. Суммарный поток создаётся новыми и повторно передаваемыми пакетами. Вероятность ошибки при поэлементном приёме пакетов, как показано в [1], может быть определена из выражения:

N-1

Р =у ррм

0Ш ' J С ОШ ч

с=О

где с - кратность конфликта, которая указывает, сколько пакетов конфликтует с вновь поступившем в канал пакетом; Рс - вероятность возникновения конфликта кратности с; р^ - вероятность ошибки приёма элемента при конфликте кратности с; N - число абонентов в сети.

Для ПСР ДКМ диапазона с ССМД при использовании узкополосных сигналов и каналов с релеевскими замираниями вероятность ошибки приёма элемента при конфликте кратности с [I] определяется как

1

р(с) =

ОШ

V ie,° /6/°_

-5 ie/.. 1«=/

О <с < N-],

(2)

Р Т

где /202. = —, Рс - мощность элемента сигнала,

1 V2

п

Т - длительность элемента сигнала; Vп - спектральная плотность мощности помехи; 10 - множество пакетов, конфликтующих с ^пакетом,

ОТТОИЛИПП

jiia'iviiii/i JJ1

TAX^PUTA D VATArtLIV UO

1VIVIVII IVL; IW1 vpuwv I IV

ААППЯПЯ ir\rr АЛ

VVUIIU/^UIV i wv

значениями элементов ^пакета; 10 - множество пакетов, конфликтующих с ^пакетом, элементы которых изменяют свои значения на длительности элементов }-пакета; 1| - множество пакетов, конфликтующих с ^пакетом, значения элементов которых совпадают со значениями элементов ^пакета.

Вероятность возникновения конфликта кратности с, как показано в [6], для ССМД с немедленной передачей пакетов определяется выражением:

Рс =

(2 G)

с N

у gey ,

с! tt Я

(3)

/=О

где в - параметр пуассоновского потока пакетов, создаваем ых корреспондентам и сети. В [1] в определяется выражением:

с = т - Х)Х + Яг]Тк,

(4)

где N - число корреспондентов в сети; % - параметр, отражающий состояние ПСР ДКМ с ССМД, который определяется отношением количества корреспондентов сети, находящихся в режиме конфликта, к общему числу корреспондентов в сети; А,, г - интенсивность поступления в сеть новых и повторно передаваемых пакетов;

Тк - длительность пакета.

Вероятностные характеристики своевременности доставки пакетов

в ПСР ДКМ диапазона с ССМД

В ПСР ДКМ диапазона с ССМД передача пакета может осуществляться Ь раз до момента его успешного приёма. Тогда процесс передачи можно рассматривать как Ь попыток доступа к разделяемому ресурсу радиосвязи ДКМ диапазона. Попытки доступа являются независимыми, так как в каждой попытке осуществляется доступ к новому элементу ресурса: временному интервалу, частоте, БСРД. Поэтому передачу пакета данных от АС к БСРД можно рассматривать как последовательность независимых испытаний.

Для оценки вероятностно-временных характеристик ПСР с ССМД вводятся следующие ограничения [1]: передача пакетов от АС к БСРД осуществляется в произвольные моменты времени в общем канале; все N корреспондентов ПСР статистически однородны: распределение интервалов времени между передаваемыми пакетами описываются экспоненциальным законом с параметрами А,, г; внутреннее состояние ПСР ДКМ определяется величиной параметра %; если АС находится в состоянии повторной передачи пакета, новый пакет АС не генерируется; все пакеты передаются по каналу радиосвязи с одинаковой скоростью и имеют постоянную длительность Тк.

В ПСР, в которых преобладают трассы большой протяжённости, широко используется асинхронный способ с немедленной передачей пакета (НПП) и ССМД. При реализации асинхронного способа и алгоритма ССМД-НПП АС передаёт новый пакет немедленно при его поступлении в сторону БСРД. Повторные передачи осуществляются через экспоненциально распределенные интервалы времени. Эти интервалы являются независимыми. Функция распределения времени доведения пакетов от АС к БСРД определяется как [7]:

^ (0 = Е Р(т=кш

к= О

даст - Тдоп ) , (5)

где N1 - количество попыток передачи пакета; р(Ы1=к) - вероятность того, что число повторных попыток передачи равно к; р(1;л < Тдоп) - вероятность доставки пакета за время, не превышающее заданное значение Тлоп, при количестве повторных передач N1.

Вероятность повторных передач р(Ы 1=к) [7] определяется соотношением:

=*)=&( 1-е,)4,

(6)

где (}г- вероятность передачи пакета в сети.

Значение длительности каждой стадии передачи пакета в ПСР является независимым и имеет смещённое на Тп = ТК+1КВ показательное распределение с плотностью распределения [1,7]:

до=^

-г(/-7л)

(7)

Применение преобразования Лапласа-Стилтьеса к выражению (7) позволяет получить выражение для функции распределения суммы независимых значений длительности стадий передачи пакета в ПСР, которое представляет собой разновидность специального распределения Эрланга [6]. Это выражение определяет вероятность своевременной доставки пакетов за N1 =к попыток [1]:

^т \ _ 1 V [Г(Т<)оп.-кТп)]' -к'Гл)

У Vдост. ^ 1 доп.) - 1 ¿^ с

/=0

(8)

Подстановкой в выражение (5) выражений (6) и (8) получают выражения функции распределения значения времени доставки пакета в ПСР:

к=О

А--1

'-Е

/=0

л

(9)

где[1] Яг = РсР1=1;

(2в)с А (2С)1

Г\ ^ /1

/=о с- /=о 1•

Гр1> Рк

вероятность приёма вновь поступившего пакета при к попытках передачи и в условиях конфликта кратности с.

Определение вероятности рск осуществляется

на основе модели радиоканала при пакетной передачи сообщений с учётом ошибок при поэлементном приёме в условиях возникновения конфликтов. Передаваемые в ПСР пакеты включают М однотипных блоков. Вероятность правильного приёма пакета [8] определяется как:

м

(П)

п - т

р(п9 > т) = (2\ + т -1)

1 = 0

(Р0,„ Г^с;

О-я2)

т *• 2

т + 2/ - /

(10)

где - вероятность правильного приёма ьго

блока пакета; р(п, > /и^ - вероятность не обнаружения ошибки в принимаемом блоке пакета; т = т+1, Ш - кратность ошибок, обнаруживаемых помехоустойчивым кодом; Рош - вероятность ошибки при приёме элемента пакета в условиях конфликта кратности с, значение которой определяется по выражению (2); Я - коэффициент экспоненциальной корреляции релеевских замираний между элементами сигнала во времени.

Своевременность установления связи в составных радиолиниях ПСР с ССМД

При соединении между корреспондентами ПСР ДКМ диапазона через БСРД формируются составные радиолинии. Для организации составной радиолинии (СРЛ) используется минимальный набор служебных пакетов: «Вызов 1», «Ответ 1», «Квитанция 1», «Вызов 2», «Ответ 2», «Квитанция 2» (рис. 1).

Вероятность доставки служебных пакетов «Ответ 1», «Квитанция 1», «Вызов 2», «Ответ 2», «Квитанция 2» за одну попытку приближённо равна единице, так как эти сигналы передаются по высоконадёжным каналам. Как показано в [1], вероятность установления соединения в СРЛ в основном зависит от вероятности передачи служебного пакета «Вызов 1»:

Функция распределения времени доставки информационного пакета в СРЛ представлена в виде выражения:

^ (0 = £ Русрл (* + Ор[Т„,р < (Т)Ш -(* + 1)ТК)],

/ = I

(12)

где к, I - число попыток установления связи АС 1-БСРД, БСРД-АС2; Руср/1 - вероятность установления связи в составной радиолинии, р\Тпер. ^ СТдоп. - (к + 0)] - вероятность своевременной передачи сообщений. Вероятность передачи сообщения фиксированного объёма за время, не превышающее заданное, зависит от вероятности появления к перерывов связи за время передачи пакета, вероятности, что время передачи пакета не превысит допустимое время. Основными параметрами, определяющие значения данных вероятностей, являются длительности временных интервалов пригодного для радиосвязи состояния радиоканала и непригодного. Средние значения этих параметров определяются по известным методикам, которые приводятся в [9].

Имитационная модель функционирования пакетной сети радиосвязи ДКМ

Рассмотренные выше положения являются основой построения имитационной модели функционирования ПСР ДКМ с использованием вынесенного РЦР.

«Вызов

«Ответ 1»,

«Квитанция 1» -►

_«Вызов 2»^

^ «Огрет 2»,

«Квитанция 2»,

Рис. 1. Организация составной радиостанции

флаг адрес Управление Контр, сумма флаг

01111110 112/560 бит 8 бит 16 бит 01111110

флаг адрес Управление РЫ Информация Контр, сумма флаг

01111110 112/560 8 бит 8 бит Ы*8 бит 16 бит 01111110

Рис. 2. Структуры кадров протокола АХ.25: а) структура и, Б кадров; б) структура I кадра

Исходи ы м и дан н ы м и я в л я ются: кол и чество абонентов, координаты расположения АС и РЦР, время года и суток ведения радиосвязи, вид сигнала, мощность передатчика, характеристики передающей и приёмной антенн, объём и скорость передаваемых сообщений, интенсивность вновь поступающих пакетов, интенсивность повторно передаваемых пакетов, среднее значение уровня помех на приёме образуемых радиолиний.

В настоящее время в пакетных радиосетях применяется протокол АХ.25. Обмен информацией по этому протоколу осуществляется кадрами трёх типов:

I - информационный, предназначенный для передачи данных;

Б - супервизорный, предназначенный для передачи подтверждений или запросов;

и - ненумерованный кадр, обеспечивает передачу команд установления или разъединения соединения на одном переприёмном участке.

Структура кадров протокола АХ.25 показана на рис. 2:

Таким образом, в ПСР ДКМ будут передаваться сообщения фиксированного объёма в виде пакетов длиной 160 бит - служебные, 256 бит - информационные.

л Начало

V

Алгоритм, который реализует имитационную модель оценки вероятностных характеристик ПРС ДКМ с коммутацией пакетов, показан на рис. 3.

Алгоритм определения вероятности правильного приёма]-го кадра показан на рис. 4.

Как видно из графика на рис. 5, при увеличении общего трафика в ПСР с СМД -НПП число корреспондентов, находящихся в состоянии разрешения конфликтов, увеличивается незначительно. При этом значения вероятностей возникновения конфликтов, как видно из графиков на рис.6, которые получены для значений трафика в ПСР с СМД - НПП от 0 до 30 кадров, при увеличении интенсивности повторных передач снижаются. Такие же результаты получены для вероятностей ошибочного приёма элемента кадра (график на рис. 7), вероятности возникновения ошибки при приёме кадра в целом (график на рис. 8). При этом верхние границы значений вероятностей возникновения ошибок при приёме блоков кадра снижаются при п > 3. Это позволяет говорить о том, что применение пакетной передачи информации в радиосвязи ДКМ диапазона, использование вынесенных ретрансляторов повышает надёжность её функционирования.

Определение вероятности возникновения конфликта кратности с при приёме ]-го

кадра

Определение ошибки при П( приёме ]-! вероятности элементном х) кадра

Определение своевременно пакетов за N1 вероятности >й доставки =к попыток

Анализ функ! деления значе доставки па* дии распре-ния времени сета в ПСР

Определение в - параметр пуассоновского потока пакетов, создаваемых корреспондентами сети

Конец

Расчёт уровня сигнала на приёме образуемых радиолиний

Определение вероятности ошибки приёма элемента кадра при конфликтах кратности с

Рис. 3. Алгоритм реализации имитационной модели оценки вероятностных характеристик

ПРС ДКМ с коммутацией пакетов

Рис. 4. Алгоритм определения вероятности правильного приёма]-го кадра

500

450.1

400.2

350.3 *п1 >300.4

250 5

I

200 6 150 7 100.8 50.9 I

Рис. 5. График значений: §(п1) - общий трафик радиосети; х(п 1) - параметр, отражающий состояние ПСР с СМД, определяемый отношением числа корреспондентов, находящихся в режиме разрешения конфликта, к общему числу корреспондентов в сети

Рис. 7. График значений вероятности ошибки при приёме символа]-го кадра при кратности конфликта с

Рис. 6. График значений вероятностей возникновения конфликта кратности с1,с2,сЗ при значении трафика в ПСР с СМД-НПП,

равном g

12

15

21

2*1

2?

^ I

Рис. 8. Вероятность возникновения ошибки

при приёме ¡-го кадра

0 13 0.11

рЫ.Ц) _ 0 0%

р(с2.а> 008

I ♦ •

р(с3.ех>.об4 0 0-1К 0.032

I

0.9 0.8 0.7 0.61

РобЬ (с) 0.51 0.41 0.31 0.21 0.11 0.015

pndoshI (g)

1

0.9 OK 0.7 06

pndosh 2 Q5 » * f

pndo*h3 (g) 0 4 — "" O.J

0.2 0 1

M

о

12 15 18 21 24 27

Рис. 9. График значений верхних границ вероятностей приёма ]-го кадра с ошибками кратности гп1= 6, т2=4, тЗ=5 при значении трафика ПСР с ССМД-НПП §

Заключение

В статье расмотрены основные положения функционирования сети радиосвязи ДКМ диапазона с применением пакетного способа передачи информации, использовании вынесенного радиоцентра - ретранслятора и случайного многостанционного доступа с немедленной передачей пакетов. Полученные результаты показывают, что использование такой организации радосвязи позволяет повысить надёжность её фунциониро-вания. Основные положения имитационной модели могут быть использованы для анализа функционирования ПСР, в которой реализуется пространственный ресурс [4].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шаров, А. Н. Сети радиосвязи с пакетной передачей информации /А. Н. Шаров, В. А. Сте-панец, В. И. Комашинский; под ред. А. Н. Шарова. - СПб. : ВАС, 1994. - 216 с.

2. Комарович, В. Ф. О частотно-пространственных резервах диапазона ДКМ волн / В. Ф.

Комарович, Н. И. Волошин, М. Я. Фарбирович // Радиотехника. - 1978. - Т.ЗЗ, № 6. - С. 23-28.

3. Комашинский, В. И. Пространственно-частотная адаптация в сетях связи с подвижными объектами / В. И. Комашинский, О. П. Стра-тонов, А. В. Максимов // Радиотехника. - 1997.

- №2. -С.3-7.

4. Назаров. С. Н. Применение динамического программирования при распределении пространственного ресурса радиосвязи декаметро-вого диапазона / С. Н. Назаров // Инфокоммуни-кационные технологии. - 2007. - Т.5, №2. - С.70 -74.

5. Бунин, С. Г. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью / С. Г. Бунин, А. П. Войтер.

- К.: Техника, 1989. - 223 с.

6. Шнепс. М. А. Система распределения информации. Методы расчёта. Справочное пособие / М. А. Шнепс. - М.: Связь, 1976. - 344 с.

7. Кокс, Д. Р. Теория восстановления / Д. Р. Кокс, В. Л. Смит. - М.: Сов.радио, 1967. - 300 с.

8. Коржик, В. И. Помехоустойчивое кодирование в каналах со случайной структурой / В. И. Коржик, Л. М. Финк. - М. : Связь, 1975. - 272 с.

9. Шаров. А. Н. Автоматизированные сети радиосвязи / А. Н. Шаров. - Л.: ВАС, 1988. - 170 с.

Назаров Сергей Николаевичу кандидат технических паук доцент кафедры информатики УВАУ ГА (института), докторант кафедры «Телекоммуникации» УлГТУ с 2008 г. Круг, интересов: системы и сети беспроводной связи, математические методы моделирования.