Балансировка информационной нагрузки между воздушным и космическим сегментами объединенной воздушно космической сети связи построенной на основе Mesh-технологии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

БАЛАНСИРОВКА ИНФОРМАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ВОЗДУШНЫМ И КОСМИЧЕСКИМ СЕГМЕНТАМИ ОБЪЕДИНЕННОЙ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОЙ СЕТИ СВЯЗИ ПОСТРОЕННОЙ НА ОСНОВЕ MESH-ТЕХНОЛОГИИ

Аганесов

Артур Валерьевич,

помощник начальника учебного отдела ВУНЦ ВВС «ВВА имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», г. Воронеж, Россия, aganesov.artur@yandex.ru

Макаренко Сергей Иванович,

к.т.н., доцент, доцент кафедры сетей и систем связи космических комплексов Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, mak-serg@yandex.ru

Ключевые слова:

сеть связи; ретрансляция; маршрут зация; сеть спутниковой связи; сеть воздушной радиосвязи; балансировка нагрузки.

?

О л л С

В интересах обеспечения глобальности информационного обеспечения авиации в настоящее время прорабатывается вопрос создания объединенных воздушно-космических сетей связи, которые за счет использования космических средств позволят охватить всю территорию Земли. При этом создание объединенных воздушно-космических сетей связи актуализирует вопросы решения задач маршрутизации и ретрансляции сообщений в них. Рассмотрен вариант децентрализованной структуры воздушно-космической сети на основе Mesh-технологии. Маршрутизация в такой сети осуществляется как через космический сегмент, так и через смежные воздушные сети. Целью работы является разработка методики балансировки информационной нагрузки между воздушным и космическим сегментами объединенной воздушно-космической сети связи построенной на основе Mesh-технологий. В основу методики положены ранее опубликованные работы авторов, в которых представлены модели иерархической и децентрализованной ретрансляции информационных потоков в воздушно-космической сети. При этом модель воздушной сети строится на основе модели протокола CSMA/CA, а модель спутниковой сети - на основе модели протокола S-Alohа. Элементом новизны представленной работы является оригинальное решение по маршрутизации информационных потоков в перспективной децентрализованной воздушно-космической сети, которая строится с использованием МезЬътехнологии. Данные оригинальные решения по вычислению долей трафика направляемого в космический и воздушный сегменты основаны на применении численного метода Ньютона. Представленную методику балансировки информационной нагрузки в дальнейшем предполагается использовать для обоснования принципов ретрансляции информационных потоков мультимедийных данных в перспективных децентрализованных воздушно-космических сетях, которые будут обеспечивать глобальность информационного обеспечения авиации. Планируется использовать результаты исследований для разработки математического обеспечения маршрутизаторов абонентов воздушно-космических сетей связи (пилотируемых воздушных судов, беспилотных летательных аппаратов, центров и пунктов управления авиацией), построенных с использованием Mesh-технологий. Перспективная реализация методики балансировки информационной нагрузки должна быть основана на протоколе OpenFlow и может являться частью математического обеспечения глобальной программно-конфигурируемых децентрализованной воздушно-космической сети.

Актуальность

Анализ развития систем авиационной связи показал, что одним из направлений обеспечения глобальности информационного обеспечения полетов авиации различного назначения является создание объединенных воздушно-космических сетей связи (ВКСС). В работах [1, 2] рассмотрены вопросы создания модели объединенной ВКСС. В основу модели ВКСС были положены работы [3, 4], в которых рассматриваются модель сети воздушной радиосвязи (СВРС) на основе протокола СБМЛ/СЛ и модель отдельной сети спутниковой связи (ССС) на основе протокола Б-ЛЬЬа, а также модели перспективных воздушных и космических сетей связи [5-8]. В соответствии с перспективными планами развития систем авиационной связи в ВКСС предусматривается внедрение МеБЬ-технологий, которые позволят ретранслировать часть информационных потоков между СВРС в случае, если у этих сетей имеются общие абоненты (рис. 1) и тем самым повысить общую пропускную способность сети. Схема такой ВКСС представлена на рис. 1. Данная сеть предназначена для ретрансляции команд управления между летательными аппаратами (ЛА), а также их информационного обеспечения в условиях отсутствия наземной инфраструктуры связи. Представленное в работе [9] исследование пропускной способности ВКСС показало, что для такой сети актуальной задачей является балансировка информационной нагрузки между ее космическим и воздушным сегментами.

Постановка задачи

Рассмотрим ВКСС на основе децентрализованного принципа информационного обмена когда обмен СВРС между собой ведется через ССС и через смежные СВРС объединенных на основе МеБЬ-технологий. В интересах формирования рациональных предложений по балансировке информационной нагрузки проведем анализ показателей качества ретрансляции информационных потоков в ВКСС по показателям:

- пропускная способность информационного направления связи;

- время задержки пакета в информационном направлении связи.

Для формализации процесса информационного обмена в ВКСС введем следующие обозначения:

М - количество абонентов СВРС;

С - пропускная способность канала множественного доступа СВРС [бит/с];

Сссс - пропускная способность канала множественного доступа ССС [бит/с];

5 - относительная пропускная способность канала множественного доступа СВРС, нормированная к С;

5ССС - относительная пропускная способность канала множественного доступа ССС нормированная к Сссс;

Се - эффективная пропускная способность канала множественного доступа СВРС [бит/с];

Се ССС - эффективная пропускная способность канала множественного доступа ССС [бит/с];

С ИНС - эффективная пропускная способность информационного направления связи (ИНС) [бит/с];

D - объем пакета в СВРС [бит];

mes L J '

D rrr - объем пакета в ССС [бит];

mes ССС

D rrr - объем пакета в ССС [бит];

mes ССС

dmax - максимальный радиус сети СВРС [км];

dsot - расстояние до спутника-ретранслятора (СР), образующего ССС [км]. Для низкоорбитальных ССС dsot=500..1500 км, для геостационарных CCC dsot= 40000 км, для высокоэллиптических CCC dsot>40000 км;

с - скорость распространения электромагнитных волн [км/с];

К - настойчивость протокола множественного доступа СВРС, определяемая как число попыток передачи пакета, в случае, если предыдущие попытки оканчиваются неудачей;

KCCC - настойчивость протокола множественного доступа S-Aloha, используемого в ССС;

X - интенсивность трафика, поступающего от 1-го абонента в СВРС [бит/с];

квн = 0.. .1 - коэффициент внешнего трафика СВРС, определяется как доля трафика СВРС передаваемого как через ССС, так и через смежные СВРС, объединенные по Mesh-технологии;

к

= 0.1 - коэффициент, определяющий долю

внешнего трафика из СВРС в другую СВРС, передаваемого только через ССС;

ккв= 0.1 - коэффициент дополнительного трафика квитанций, определяется как доля от основного трафика содержания квитанции об успешном приеме пакета. Значение ккв = 0,1 соответствует случаю, когда на 10 пакетов основного трафика отправляется 1 пакет квитанции об их успешном приеме;

z - количество исходящих МеБЬ-каналов из СВРС в смежные СВРС;

ксв= 0.1 - среднесетевой коэффициент связности СВРС со смежными СВРС по МеБЬ-каналам;

Я - среднесетевое количество ретрансляций через СВРС, объединенных на основе МеБЬ-технологий, при доставке пакета из СВРС-источника в СВРС-получатель;

Л1= МХ - интенсивность трафика в СВРС без учета трафика квитанций об успешной доставке и внешнего трафика, поступающего в СВРС [бит/с];

ЛССС - общая интенсивность трафика в ССС с учетом трафика квитанций об успешной доставке [бит/с] ЛСВРС - общая интенсивность трафика в СВРС с учетом внешнего трафика и трафика квитанций об успешной доставке [бит/с];

Т - задержка передачи пакета по п-ой СВРС [с];

зад ССС

г

зад ИНС

- задержка передачи пакета по ССС [с];

- задержка передачи пакета по ИНС [с].

Рамки исследования:

- протокол связи в СВРС - СБМЛ/СЛ;

- протокол связи в ССС - 8-Л1оЬа;

- децентрализованный принцип ретрансляции -все СВРС соединены через ССС по принципу «звезды», причем каждая СВРС доступна из другой сети за один

шаг ретрансляции через ССС, дополнительно все СВРС соединены между собой в соответствии с количеством исходящих МеБЬ-каналов;

- трафик представляет собой простейший пуассо-новский поток событий, состоящих в поступлении отдельных пакетов.

Целью работы является разработка методики распределения информационных потоков по воздушному и космическому сегменту объединенной воздушно-космической сети связи.

Модель воздушно-космической сети связи с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потоков

Рассмотрим ВКСС с децентрализованным принципом информационного обмена (рис. 1). В данной сети межсетевые ИНС «СВРС-СВРС» могут проходить как через ССС, так и через смежные СВРС объединяемые на основе МеБЬ-технологий. В предыдущих работах авторов [2-4, 9] получены аналитические соотношения для упрошенного моделирования такой сети. Упрошенная схема вывода основных расчетных соотношений для такой сети представлена на рис. 2. При этом к уже указанным допущениям в данной модели введено следующее - количество исходящих внешних МеБЬ-каналов

связи из СВРС одинаково и равно z, соответственно связность всех СВРС также одинакова и равна ксв.

В соответствии со схемой информационного обмена (рис. 1) и схемой аналитических вычислений для модели ВКСС с децентрализованным принципом информационного обмена (рис. 2) выражения для интенсивности трафика примут вид:

- интенсивность трафика циркулирующего в произвольной СВРС:

ЛСВРС = + ккв)(1+ R ккв(1- к вн ССС) + ккв квн ССС

), (1)

- интенсивность трафика в ССС:

ЛССС = N(1 + ккв) ккв • квн ССС Л . (2)

Общий вид двух типов ИНС которые используются в децентрализованной ВКСС представлен на рис. 3.

В ИНС, представленной на рис. 3, время задержки передачи пакета между абонентами разных СВРС будет являться суммой задержек пакета на всех звеньях ИНС:

- при передаче через ССС:

t = 2T + T • (3)

зад ИНС зад зад CCC

- при передаче через СВРС соединенные по Mesh-технологии:

- = Tg (R+ I)-

(4)

Рис. 1. ВКСС с децентрализованным принципом информационного обмена на основе Mesh-технологий

Рис. 2. Упрощенная схема аналитических вычислений для модели ВКСС с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потов на основе МеБЬ-технологий

1. Для СВРС на основе протокола СБМЛ/СЛ:

где:

б

Рис. 3. Общие схемы ИНС в ВКСС: а) через ССС; б) ретрансляция через СВРС, соединенных по МеБЬ-технологии

При этом время задержки пакета при передачи по отдельным звеньям будет определятся следующем образом, с учетом того что значения для интенсивности трафика ЛСВРС и ЛССС определяются из выражений (1) и (2) [3, 4]:

2. Для ССС на основе протокола Б-Л1оЬа:

(6)

а

Пропускная способность ИНС в децентрализованной ВКСС будет определяться минимальной эффективной пропускной способностью отдельного звена ИНС:

- при передаче через ССС:

С „иг = шт{С, С „.,}; (7)

е ИНС ^ е е ССС1 ' 4 у

- при передаче через СВРС соединенные по Ме$Ь-технологии:

С ИНС =С . (8)

е ИНС е 4 у

При этом пропускные способности отдельных звеньев С и С ССС в ИНС будут определятся следующем образом, с учетом того что значения для интенсивности трафика ЛСВРС и ЛССС определяются из выражений (1) и (2) [3, 4]:

1. Для СВРС на основе протокола СБМЛ/СЛ:

_ 3

С =S C,

e '

(7)

где показатели Б, С определяются также как и в выра жении (4) для времени задержки передачи пакета. 2. Для ССС на основе протокола 8-Л1оЬа:

с.

_ Лаг (Кссс-

s ССС

(8)

К,

+ е

ТзадИНС 2Тзад + Тзад CCC T3ad(R+1)'

О X

о g

_ ш

с m

i " а о

Cl s Ф £ С и

S ^ Ф m Cl (Ц Ш a. Ф т

/К Л = 0,8 А/=Ю №=50 kr0,4

\ ССС А ^^ J Ъ % % * 4 -

•г^-. Д." ,=0,5 ъ %

Ая =( \2 Mesh Г):

Методика распределения информационных потоков по воздушному и космическому сегменту объединенной воздушно космической сети связи с учетом требований к качеству обслуживания трафика Проведенные в работе [9] предварительные исследования пропускной способности и времени задержки передачи в ИНС для ВКСС с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потоков показали следующее. В такой сети существует некоторое равновесное состояние в котором время задержки при передаче по ИНС в космическом сегменте и по ИНС в воздушном сегменте - равны. Такие случаи обозначены на рис. 4 стрелками.

Анализ графиков на рис. 4 показывает, что в ВКСС построенном на основе децентрализованного принципа информационного обмена в зависимости от коэффициентов квн и квн ССС звеном с наиболее низкой пропускной способностью может выступать как ССС так и воздушный сегмент ВКСС (рис. 4). При этом соотношение коэффициентов квн и квн ССС фактически определяют поведение всей системы. При этом существует такое значение квн ССС при заданных параметрах М, ксв и квн достигается балансировка нагрузки по времени задержки передачи (рис. 4):

(11)

О 0,5 1

Доля внешнего трафика поступающего в ССС [кв„ссс]

Рис. 4. Время передачи в ИНС (через ССС и через Mesh)

в ВКСС с децентрализованным принципом информационного обмена при изменении доли трафика в составе внешнего трафика поступающего в ССС

и подставляя в него выражения (5), (6) и далее (1), (2) получим трансцендентное уравнение относительно

параметра К ССС

В связи с этим решение для уравнения (12) относительно параметра квн ССС предлагается вестись в численном виде с использованием метода Ньютона (метода касательных) [10]. Общая схема методики представлена на рис. 5.

Особенностью методики является численное решение уравнения (12) относительно квн ССС. В соответствии с методом Ньютона [10] выбор начальной точки и направления приближения при построении касательных определяется путем определения произведения производных функции (12). В случае если произведение отрицательно:

f '(к ССС) f "(к ССС) < 0, J 4 вн ССС J 4 вн СССу '

то приближение осуществляется слева, если положительно:

f '(к ССС) f "(к ССС) > 0,

вн ССС вн ССС

- то справа.

Задается искомая точность поиска корня е для значения квн ССС. Итерационная процедура поиска численного решения заключается в последовательном нахождении значений кв

вн ССС n + 1 *

к -к

вн ССС п+\ ~~ ни ССС п

/(^внСССп)

/ ( ^s» ССС п )

пока не будет достигнута заданная точность: \к — к \ < s

вн ССС n+1 вн ССС n

(13)

или

где Тзад,ТшдССС определяются по формулам (5), (6) с учетом выражений для интенсивности трафика ЛСВРС(1) и ЛССС (2). Преобразовав выражение (11) к виду

/1 т ) * диагнn J

Г (т ) \ диагн п )

Значение к

Кк ) = Т

вн ССС за

"Тза«(Л-1)=0,

(12)

вн ССС являющееся решением уравнения f^oi ССС)=0 задаваемого выражением (12) определяет

Рис. 5. Схема методики распределения информационных потоков по воздушному и космическому сегментам

объединенной воздушно-космической сети связи

долю внешнего трафика направляемого в космический сегмент ВКСС и необходимого для балансировки нагрузки в ВКСС.

Моделирование процесса распределения информационных потоков по воздушному и космическому сегментам ВКСС Моделирование проводилось при ограничениях, которые соответствуют техническим характеристикам перспективных средств связи:

- базовая интенсивность информационного потока в СВРС составляет Х=16 кбит/с;

- количество абонентов СВРС М=10, при этом каждый из абонентов генерирует трафик Х;

- количество СВРС в составе ВКСС: N=10, 20, 50.

- пропускная способность каналов множественного доступа для СВРС равна С =34 Мбит/с, для ССС -СССС =2 Мбит/с;

- объемы пакетов в СВРС (В ) и ССС (В ггг) име-

4 тез' 4 тез ССС

ют равные значения - 256 бит;

- коэффициенты настойчивости протокола множественного доступа в СВРС и ССС равны и имеют значения К = КССС =16;

- радиус СВРС равен d =250 км.

Рис. 6. Результаты расчета значений кдн ССС и соответствующих им времени задержки в ИНС ТзД

в зависимости от уровня к и к

г ян св

Результаты моделирования расчета значений квн ССС и соответствующих им времени задержки в ИНС Тзад в зависимости от уровня квн и ксв представлены на рис. 6.

Анализ графических зависимостей на рис. 6 позволил сделать следующие общие выводы:

- балансировка нагрузки целесообразна и возможна для ВКСС с низким уровнем связности сетей воздушного сегмента к .

св

- балансировка нагрузки в ВКСС регулируемая параметром квн ССС обеспечивает перераспределение части информационных потоков в космический сегмент, однако общее время передачи при этом увеличивается.

- с увеличением информационной нагрузки на ВКСС за счет роста доли внешнего трафика квн возможности передачи нагрузки через космический сегмент снижаются, а задержка его передачи по ИНС Тзад - растет;

- расчетное значение квн ССС доли передаваемого через космический сегмент трафика прямо пропорциональна задержки передаче (чем выше доля спутникового трафика - тем выше задержка Тзад).

Коэффициент балансировки квн ССС является своеобразным делителем долей внешнего трафика и в дальнейшем может быть использован для балансировки нагрузки критичной к задержкам. Доля внешнего трафика 1-квн ССС (трафика критичного к задержкам) может быть направлена через воздушный сегмент, а доля трафика квн ССС (трафика некритичного к задержкам) - через ССС. Однако вопрос выбора конкретных значений квн ССС с учетом такого распределения и QoS по классам трафика требует отдельной проработки.

Выводы

Использование Mesh технологии позволяет существенно повысить пропускную способность ВКСС за счет реализации децентрализованного принципа ретрансляции информационных потоков. Повышение реализуется за счет использования избыточного ресурса пропускной способности СВРС и фактически ведет к ретрансляции подавляющей части трафика ВКСС через воздушный сегмент. В ВКСС существует равновесное состояние, в котором время задержки при передаче по ИНС в космическом сегменте и по ИНС в воздушном сегменте - равны. Такое состояние соответствует определенному значению коэффициента квн ССС, определяющего долю внешнего трафика передаваемого через ССС. Представленная методика позволяет обосновать рациональное значение коэффициента квн ССС которое позволяет сбалансировать информационную нагрузку в ВКСС. Новизной работы отличающей ее от аналогичных работ [7, 8, 11] является совместный учет специфики как воздушных сетей, так и космического сегмента, а также использование метода Ньютона для получения решения. Проведенное исследование показывает, что балансировка нагрузки целесообразна и возможна для ВКСС с низким уровнем связности сетей воздушного сегмента ксв. При этом расчетное зна-

чение доли передаваемого через космическии сегмент трафика кдн ССС прямо пропорциональна задержки передаче (чем выше доля спутникового трафика - тем выше задержка Тзад).

Литература

1. Аганесов А.В., Макаренко С.И. Модель воздушно-космической сети связи с иерархическим принципом ретрансляции информационных потоков // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2015. № 4. С. 43-51.

2. Авиация ПВО России и научно технический прогресс: боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра: монография / под ред. Федосова Е.А. М.: Дрофа, 2005. 815 с.

3. Аганесов А.В. Модель сети спутниковой связи на основе протокола случайного множественного доступа S-Aloha // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 2. С. 99-134.

4. Аганесов А.В. Модель сети воздушной радиосвязи на основе протокола случайного множественного доступа CSMA/CA // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 1. С. 67-97.

5. Войткевич К.Л., Резвов А.В., Шанин В.Н. Специализированные локальные беспроводные мобильные сети гражданского и военного назначения // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2013. № 1-2. С. 130-133.

6. Макаренко С.И. Адаптивное управление скоростями логических соединений в канале радиосвязи множественного доступа // Информационно-управляющие системы. 2008. № 6. С. 54-58.

7. Мальцев Г.Н., Цветков К.Ю., Родионов А.В., Ак-молов А.Ф., Ефимов С.Н., Косаревич Д.В., Викторов Е.А. Концепция построения разновысотной многоспутниковой системы связи с мобильными абонентами // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2011. № 630. С. 5-10.

8. Цветков К.Ю., Родионов А.В., Акмолов А.Ф., Ефимов С.Н., Косаревич Д.В., Викторов Е.А. Концепция построения разновысотной многоспутниковой системы связи с мобильными абонентами: пропускная способность межспутниковых и фидерных радиолиний // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2011. № 633. С. 108-123.

9. Аганесов А.В. Анализ качества обслуживания в воздушно-космической сети связи на основе иерархического и децентрализованного принципов ретрансляции информационных потоков // Системы управления, связи и безопасности. 2015. № 3. С. 92-121.

10. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.П. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994. 544 с.

11. Иванов В.И. Централизованный метод балансировки нагрузки в низкоорбитальной спутниковой системе // T-Comm. 2014. № 4. С. 38-42.

Для цитирования:

Аганесов А.В., Макаренко С.И. Балансировка информационной нагрузки между воздушным и космическим сегментами объединенной воздушно-космической сети связи построенной на основе Mesh-технологий // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 1. С. 17-25.