CC BY
46<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 004.725.5
СИНТЕЗ СПУТНИКОВОЙ MESH-CETH
С. С. Колесников1, К. Э. Гаипов2
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 28 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: sergeykool37gmail.com
Предлагается подход к синтезу спутниковой mesh-cemu, позволяющий при заданном частотном диапазоне определить необходимое число частотных каналов между спутниками, а также полосу частот каждого канала, обеспечивая при этом минимальное время задержки передачи данных.
Ключевые слова: спутниковая mesh-сеть, управление частотным ресурсом, синтез оптимальной топологии, управление трафиком.
SYNTHESIS OF SATELLITE MESH-NETWORK
S. S. Kolesnikov1, K. E. Gaipov2
'Siberian Federal University 28, Kirensky Street, Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sergeykool37gmail.com
This article describes a method for the synthesis of satellite mesh-networks, allowing for a given frequency range to determine the required number of channels between the satellites and the frequency bandwidth of each channel, providing minimum data transmission time delay.
Keywords: satellite mesh network, control of frequency resource, optimal topologies, optimal topologies synthesis, traffic engineering.
Введение. Современная организация спутниковой сети связи не предполагает передачи данных напрямую между спутниками, то есть если два абонента находятся в зоне действия разных спутников, то связь с ними возможна по каналу спутник абонента А - наземная станция - спутник абонента Б, даже в случае если спутники двух абонентов находятся в зоне прямой видимости. В связи с чем в данной статье предлагается метод, позволяющий определить оптимальную структуру каналов связи между спутниками, используя критерий минимального времени задержки. Такую организацию спутниковой сети можно отнести к классу mesh-сетей, для которых необходимо решить задачи управления радиочастотным спектром и управления канальным ресурсом, одновременно учитывая динамику изменения положений движущихся mesh-станций. Подобного рода задачи в основном решаются для наземных систем мобильной связи, привязываясь к одной из технологий радиодоступа, которой в основном является технология Wi-Fi [1-5]. В связи с особенностью работы данной технологии предлагаемые методы нельзя применить к спутниковым mesh-сетям, в связи с чем в данной статье предлагается подход к синтезу на основе спутниковой mesh-сети.
Постановка задачи. Пусть дано m узлов mesh-сети, которым выделяется диапазон частот AF, источ-
ники и приемники трафика подсоединены к Ь узлам, где Ь < т. Каждый источник генерирует трафик для к приемников при том, что к < т. Задача заключается в определении необходимого числа радиоканалов между базовыми станциями, ширины частотного канала и в оптимальном распределении трафика по критерию минимального числа пакетов, находящихся на обслуживании.
Каждый спутник может содержать т-1 приемопередающих модулей, которые имеют круговую диаграмму направленности. Таким образом, узел образует двусторонние каналы связи с устройствами, которые попадают в зону покрытия узла.
Заменяя каждый канал связи системой массового обслуживания, получаем топологию mesh-сети. После построения топологии необходимо определить маршруты от приёмника до получателя. Также определены в численном виде суммы потоков от узла получателя до узла приемника. Предложенная модель позволяет передавать один поток информации по нескольким маршрутам.
В качестве математической модели каналов связи mesh-сети используются системы массового обслуживания М/М/1.
Среднее число пакетов, находящихся на обслуживании, во всех системах будет определяться следующим образом:
Системы управления, космическая навигация и связь
Х±
р = Х>°> И>0, (1)
,=° 1 _х_ И,
где X, - интенсивность поступления пакетов на ,-м канале связи, определяется по формуле (2), и, - интенсивность обслуживания трафика на ,-м канале связи;
X, =Х Ха, (2)
а=1
где Ъ - потоки, проходящие через ,-й канал.
Под интенсивностью обслуживания понимается скорость передачи данных через каждый беспроводной канал связи: общее количество каналов связи в сети. Пусть скорость передачи определяется по формуле
И, = А/ ^2N, (3)
где А/ - ширина ,-го канала связи (А/ > ); N - индекс многопозиционного сигнала.
Зададим ограничения к целевой функции. Для того чтобы избежать интерференции в mesh-сети, необходимо выполнить следующее условие для к узла:
ТА/к,}-+Еа/. ,и <а^ , (4)
где А/к у - канал связи от к-го узла к у-му узлу, ^ А/у т - канал связи от у-го узла к т-му узлу
(включая узел к).
Также необходимо, чтобы сумма всех потоков в канале не превышала скорости канала связи:
£Хк <А/к ^2 N, (5)
где Хк - поток, проходящий через к-й канал связи; А/к log2 N - скорость к-го канала связи.
Так как наикратчайших путей может быть несколько от ^передатчик до ^приемник, должно выполняться
следующее условие:
X, =Ехг", (6)
п
где X, - суммарный поток между каждой парой приемник-передатчик.
Заключение. В данной статье предлагается подход к синтезу mesh-сетей, позволяющий при заданном частотном диапазоне определить необходимое число связей между спутниками, а также их ширину пропускания, обеспечивая при этом минимальное время задержки передачи данных. Таким образом, задача синтеза оптимальной топологии сведена к решению задачи нелинейного программирования, для решения которой подойдёт большинство известных методов. Отметим, что задача решена для фиксированной топологии и фиксированной интенсивности поступления трафика в сеть, поэтому при изменении любого из этих параметров необходимо повторить предложенный алгоритм заново.
Библиографические ссылки
1. Гаркуша С. В. Разработка модели согласованного решения задач распределения неперекрывающихся частотных каналов и потоковой маршрутизации в многоканальных многоинтерфейсных mesh-сетях стандарта IEEE 802.11 // Проблемы телекоммуникаций : электронное научное специализированное издание. 2014. С. 3-29.
2. Лемешко A. В. Модель структурной самоорганизации многоканальной mesh-сети стандарта IEEE 802.11 // Проблемы телекоммуникаций : электронное научное специализированное издание. 2010. № 1. C. 83-105.
3. Лемешко A. В. Разработка и анализ двухиндекс-ной модели распределения каналов в многоканальной mesh-сети стандарта IEEE 802.11 // Проблемы телекоммуникаций : электронное научное специализированное издание. 2011. C. 38-60.
4. Гаркуша C. В. Модель сбалансированного распределения подканалов в mesh-сети, использующей технологию WiMAX // Инфокоммуникационные системы. 2013. C. 135-140.
5. Хоров Е. М. Выбор периода резервирования канала в самоорганизующихся беспроводных сетях // Информационные процессы. Т. 15. Передача информации в компьютерных сетях. 2015. № 1. С. 78-88.
References
1. Garkusha S. Razrabotka modeli soglasovannogo resheniya zadach raspredeleniya neperekrivayuschihsya chastotnih kanalov i potokovoi marshrutizacii v mnogokanalnih mnogointerfeisnih mesh-setyah standarta IEEE 802.11 [Development model agreed solution of non-overlapping frequency channels, tasks and stream routing in multichannel multihomed mesh-network standard IEEE 802.11] // Electronic scientific specialized edition - the magazine "Problems of Telecommunications". 2014. P. 3-29.
2. Lemeshko A. V. Model strukturnoi samoorganizacii mnogokanalnoi mesh-seti standarta IEEE 802.11 [Structural model of self-organizing multi-channel mesh-network of IEEE] 802.11 // Electronic scientific specialized edition - the magazine "Problems of Telecommunications". 2010. № 1. P. 83-105.
3. Lemeshko A. V. Razrabotka i analiz dvuhindeksnoi modeli raspredeleniya kanalov v mnogokanalnoi mesh-seti standarta IEEE 802.11 [Development and analysis of two-index channel distribution model in a multi-mesh-network of IEEE 802.11] // Electronic scientific specialized edition - the magazine "Problems of Telecommunications". 2011. P. 38-60.
4. Garkusha S. V. Model sbalansirovannogo raspredeleniya podkanalov v mesh-seti, ispolzuyuschei tehnologiyu WiMAX [Model a balanced distribution of sub-channels in the mesh-network using WiMAX technology] // Info-communication system. 2013. P. 135-140.
5. Chorov E. M. Vibor perioda rezervirovaniya kanala v samoorganizuyuschihsya besprovodnih setyah [Select a channel reservation period in the self-organizing wireless networks] // Information Processes. Vol. 15 Transmission of information on computer networks. 2015. № 1. P. 78-88.
© Колесников С. С., Гаипов К. Э., 2016
