CC BY
87
КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ
УДК 621.391.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ В НИЗКООРБИТАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЕ СВЯЗИ В РЕЖИМЕ «ЭЛЕКТРОННАЯ ПОЧТА»
Н. М. Моторин,
адъюнкт
Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского
Приводятся вероятностно-временные характеристики информационного обмена между наземными абонентами через низкоорбитальную спутниковую систему связи в режиме «электронная почта», полученные с помощью имитационного компьютерного моделирования. Рассматривается низкоорбитальная система связи, состоящая из 6 и 12 низкоорбитальных спутников-ретрансляторов. Определяется среднее время доставки сообщений абонентам, находящимся в различных районах земной поверхности в стандартном и оптимизированном режимах «электронная почта».
Investigation of probability-timing features of low earth orbit satellite message exchange system in e-mail mode using computer simulation, we study probability-timing features of information exchange between users of low earth orbit satellite communication system in e-mail mode. Communication systems consisting of 6 and 12 retransmitting satellites are considered. Average times of message delivery to users in different places of the Earth both in ordinary and optimized e-mail modes are determined.
В низкоорбитальных спутниковых системах связи одним из режимов передачи данных является режим «электронная почта» (ретрансляция с переносом), при котором сообщения, передаваемые одним абонентом, записываются в запоминающее устройство спутника-ретранслятора (СР) и передаются другому абоненту во время пролета СР в зоне его радиовидимости. Такой режим используется, например, в российской спутниковой системе пакетной передачи данных «Гонец-Д1». Он обеспечивает неоперативной связью труднодоступные районы, выполняет автоматический сбор данных с обслуживаемых и необслуживаемых объектов, а также данных с различного типа датчиков [1].
Перспективные низкоорбитальные спутниковые системы связи представляют собой многоспутниковые системы, для обеспечения связности включающие до нескольких десятков СР [2, 3]. Режим «электронная почта» реализуется, как правило, в неполносвязных низкоорбитальных спутниковых системах связи, орбитальная группировка которых не превышает десятка СР. Это может иметь место на этапе развертывания системы или в тех случаях, когда система предназначена для решения специальных задач, допускающих неоперативную связь и передачу данных. Так, в системе «Гонец-Д1», име-
ющей в настоящее время орбитальную группировку из 6 СР, расположенных на круговых орбитах высотой 1500 км с наклонением 82,5°, заявленное максимальное время доставки сообщения абоненту составляет 12 ч. Это - максимальная задержка передачи сообщения при наихудшем взаимном расположении абонентов, а также при подаче заявки або-нентом-отправителем в момент максимального перерыва между зонами радиовидимости с СР.
Режим «электронная почта» не предназначен для непрерывного обслуживания абонентов, но при соответствующем выборе параметров орбит СР обеспечивает глобальность обслуживания. Наибольший практический интерес в такой ситуации представляет определение времени доведения сообщений. Для исследования вероятностно-временных характеристик задержки передачи сообщений между абонентами низкоорбитальной системы спутниковой связи в режиме «электронная почта» при различном взаимном расположении абонентов было проведено имитационное компьютерное моделирование.
Имитационная модель низкоорбитальной системы спутниковой связи была разработана и реализована в виде специализированного программного комплекса в соответствии с общим подходом к моделированию спутниковых радиосетей [4]. Модель позволя-
ет определять время доставки сообщений в низкоорбитальной системе спутниковой связи с заданной баллистической структурой орбитальной группировки при различном расположении ее наземных абонентов для отдельных моментов времени поступления заявок на передачу, а также в среднем по ансамблю реализаций. Для этого с привязкой к реальному времени моделируется динамическая топология орбитальной группировки системы, определяется положение СР на орбитах и наличие у наземных абонентов условий радиовидимости СР. В дальнейшем результаты, полученные для интересующих интервалов времени и географических районов расположения абонентов, подвергаются статистической обработке.
В качестве исходных данных рассматривалась орбитальная группировка, состоящая из 6 СР, равномерно расположенных на двух перпендикулярных орбитах с высотой 1500 км и наклонением 83°. Для получения плотности распределения времени доведения сообщений при их передаче между абонентами низкоорбитальной системы спутниковой связи расположение одного абонента считалось неизменным (абонент-отправитель), а расположение второго абонента (абонент-получатель) выбиралось случайно по равномерному закону в заданной области. При этом из рассмотрения исключались районы, находящиеся в зоне непосредственной ретрансляции низкоорбитального СР, и расположение абонента-получателя выбиралось на расстоянии не менее 5000 км от абонента-от-правителя, что соответствует характерному размеру зоны радиовидимости низкоорбитального СР на поверхности Земли.
Данные допущения позволили получить усредненное время доведения передаваемых сообщений в режиме «электронная почта» в зависимости только от положения одного из абонентов в различных (по дальности и широте) районах земной поверхности. Интервалы времени между поступлением заявок на передачу сообщений у абонента-отпра-вителя задавались генератором случайных чисел с экспоненциальным распределением, а для запо-
■ Таблица 1
,60°
1/ ,20°
уч ■сО Л
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Рис. 1. Плотность вероятности времени доведения сообщений в системе с 6 СР (2x3), стандартный режим «электронная почта»
минающего устройства (буферной памяти) СР полагалась невозможность переполнения при функционировании системы. Значения времени задержки передачи сообщений оценивались на интервале времени 1 месяц, что обеспечивает достаточную представительность полученной статистической выборки.
Время задержки передачи сообщения складывается из времени ожидания связи с СР абонен-том-отправителем и времени его переноса до момента входа СР в зону радиовидимости абонента-получателя. Рассматривались два случая расположения абонента-получателя сообщений. Первый случай соответствует расположению абонен-та-получателя в любой точке земной поверхности и дальности между абонентами свыше 5000 км. Второй случай соответствует расположению або-нента-получателя на широтах между 40° и 80° с. ш. при дальности между абонентами от 5000 до 10000 км. В результате имитационного моделирования были получены среднее время ожидания связи с СР Tож и среднее суммарное время доведения сообщения до абонента-получателя Тдов в зависимости от широты расположения абонента-отправи-теля (табл. 1). Плотности вероятности времени доведения сообщения до абонента-получателя Ж(Тдов) представлены на рис. 1 (здесь и в дальнейшем принято расположение абонента-отправите-ля на широте 20° и 60° с. ш. и абонента-получате-ля по всей поверхности Земли).
№ п/п Широта расположения абонента-отправителя, град с. ш. Расположение абонента-получателя
Вся земная поверхность, дальность свыше 5000 км Широта 40-80° с. ш., дальность 5000-10 000 км
Тож, мин Т , мин дов7 Тож, мин Т , мин дов
1 0 63,6 244,1 63,9 196,5
2 20 58,3 242,6 58,2 182,8
3 40 34,8 233,4 34,7 169,4
4 60 13,2 228,7 13,0 156,2
5 80 6,2 224,5 4,2 139,2
Результаты, приведенные в табл. 1, показывают, что при увеличении широты расположения абонента-отправителя время ожидания связи с СР существенно снижается, что объясняется меньшими перерывами между входами низкоорбитальных СР в зоны радиовидимости абонентов в приполярных районах. Это характерно для рассматриваемой орбитальной группировки низкоорбитальной системы спутниковой связи с наклонением орбит СР 83°. При этом в первом случае осреднения по всей земной поверхности среднее суммарное время доведения сообщения уменьшается незначительно, а во втором случае осреднения по выбранной широтной области земной поверхности (40-80° с. ш.) и в диапазоне дальностей (5000-10 000 км) среднее суммарное время доведения уменьшается примерно на величину уменьшения среднего времени ожидания связи с СР.
Выбранные характеристики низкоорбитальной системы спутниковой связи близки к характеристикам системы «Гонец-Д1». Хотя при моделировании не учитывались возмущения орбит СР и связанные с ними нарушения топологии (деградация) орбитальной группировки на интервале анализа, полученные результаты моделирования для среднего времени доведения сообщений (Тдов < 4 ч) можно оценить как значительно превосходящее по оперативности заявленное максимальное время доставки сообщений в системе (12 ч).
Поскольку в настоящее время ведутся работы по развертыванию системы «Гонец-Д1М» второго этапа, состоящей из 12 СР (4 плоскости по 3 СР в каждой, высота орбиты 1500 км, наклонение 83°, плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 45°), было проведено имитационное моделирование низкоорбитальной системы спутниковой связи с аналогичными характеристиками. В результате были получены плотности вероятности времени доведения сообщений между абонентами Ж(Тдов) (рис. 2).
Результаты моделирования показывают, что в первом случае (абонент-отправитель на широте 20° с. ш.) среднее время ожидания связи с СР або-нентом-отправителем составило 10,8 мин, а среднее суммарное время доведения сообщения СР -184,2 мин, а во втором случае (абонент-отправитель на широте 60° с. ш.) - среднее время ожидания связи составило 7,2 мин, а среднее время до-
^60°
/0 / ,20°
1 у Чл: Лч; ¿С
0 100 200 300 400 500 600 700 800
■ Рис. 2. Плотность вероятности времени доведения сообщений в системе с 12 СР (4x3), стандартный режим «электронная почта»
ведения сообщения - 156,4 мин. В данном случае полученное по результатам моделирования среднее время доведения сообщения оказалось более чем в 2 раза выше, чем заявленное для системы «Гонец-Д1М» - 70 мин. Это обусловлено тем, что основной вклад в суммарное время доведения сообщения вносит время его переноса на СР, которое не зависит от состава орбитальной группировки системы.
Таким образом, в случае увеличения состава орбитальной группировки низкоорбитальной спутниковой системы связи вдвое и использования в ней только стандартного режима «электронная почта» среднее время доведения сообщений снизилось на 26%, что достигается в основном уменьшением среднего времени ожидания связи с СР абонентом-отправителем. При этом среднее время переноса сообщения на СР не зависит от состава орбитальной группировки системы, и для его дальнейшего уменьшения необходимо изменение режима передачи сообщений.
Одним из способов уменьшения задержки переноса сообщений при организации между абонентами системы информационного обмена в режиме «электронная почта» является прогнозирование положения СР в орбитальной группировке и выбор маршрута переноса сообщения, обеспечивающего его минимальную задержку. В результате передаваемые сообщения будут ретранслироваться абонентом-отправителем не на первый оказавшийся в зоне его радиовидимости СР из состава низкоорбитальной системы спутниковой связи (стандартный режим ретрансляции), а на тот СР, который за минимальное время доведет сообщение до абонента-получателя (оптимизированный режим ретрансляции).
Для реализации поиска кратчайшего пути переноса сообщения необходимо, чтобы в аппаратуре потребителя поддерживался альманах низкоорбитальной системы спутниковой связи, благодаря которому абонент-отправитель сообщения владеет информацией о текущем положении СР системы и о траекториях их движения относительно своего положения и положения абонента-по-лучателя сообщения. При определении маршрута передачи сообщения между абонентами с минимальной задержкой на этапе подготовки сообщения к отправке требуется выполнить вычисление задержек передачи сообщения по всем возможным маршрутам, которые складываются из времени ожидания абонентом-отправителем связи с СР и времени переноса им сообщения до абонента-по-лучателя, а затем из полученной совокупности всех возможных маршрутов передачи сообщения выбирается маршрут с минимальным временем доведения сообщения.
Результаты имитационного моделирования доставки сообщений абонентам в низкоорбитальной системе спутниковой связи в оптимизированном режиме «электронная почта» при использовании
■ Таблица 2
№ п/п Широта расположения абонента-отправителя, град с. ш. Расположение абонента-получателя
Вся земная поверхность, дальность свыше 5000 км Широта 40-80° с. ш., дальность 5000-10 000 км
Tжж, мин T , мин дов7 Tмин T , мин дов
1 0 82,4 214,7 75,9 176,1
2 20 69,8 211,8 71,2 167,5
3 40 55,4 181,0 45,6 139,2
4 60 41,2 128,8 31,5 103,0
5 80 19,2 88,7 11,1 66,3
W(TJO„)
ОД
0,05
0
Л 'а, О о
¡Aj 20° /
Г Ьь ч^Л. 1«
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Рис. 3. Плотность вероятности времени доведения сообщений в системе с 6 СР (2x3), оптимизированный режим «электронная почта»
Чх ^60°
/ V £ ^20° «л«
0 100 200 300 400 500 600 700
Рис. 4. Плотность вероятности времени доведения сообщений в системе с 12 СР (4x3), оптимизированный режим «электронная почта»
предложенного способа выбора маршрута передачи представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Сравнение результатов моделирования, представленных в табл. 1 и 2, показывает, что на равных широтах расположения абонента-отправителя сообщений среднее время ожидания связи с СР в случае оптимизированного режима «электронная почта» больше, чем для стандартного, а среднее суммарное время доведения сообщения - меньше. Это объясняется передачей сообщения абонентом-отпра-вителем не на первый СР, оказавшийся в зоне его радиовидимости, а на тот, который с минимальной задержкой доставит его до абонента-получателя. Выигрыш в среднем суммарном времени доставки сообщений составляет до 2-2,5 раз и наиболее заметен на высоких широтах расположения абонента-отправителя. При этом для широт абонента-отпра-вителя, расположенного выше 60° с. ш. - при доставке сообщений по всей поверхности Земли, и выше 20° с. ш. - при доставке сообщений на расстояние до 10 000 км в широтной области 40-80° с. ш., выполняется заявленное для системы «Гонец-Д1М» время переноса сообщений до 70 мин.
Плотности вероятности времени доведения сообщений в оптимизированном режиме «электронная почта» для орбитальной группировки низкоорбитальной системы спутниковой связи, состоящей из 12 СР (4 плоскости по 3 СР в каждой, высота орбиты 1500 км, наклонение 83°, плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 45°),
Рис. 5. Среднее время доведения сообщений в системе с 6 СР (2x3) в зависимости от широты расположения абонента-отправи-теля
представлены на рис. 4. Среднее время ожидания связи с СР абонентом-отправителем на широте 20° с. ш. составляет 29,6 мин, а среднее суммарное время доставки сообщения - 138,1 мин. Для широты расположения абонента-отправителя 60° с. ш. время ожидания связи с СР и среднее суммарное время доставки сообщения составляют соответственно 20,1 и 78,2 мин.
Выигрыш во времени доведения сообщений при использовании оптимизированного режима передачи в режиме «электронная почта» иллюстрируется графиками (рис. 5). Здесь представлены зависимости среднего суммарного времени доведения
сообщения Тдов от широты расположения абонен-та-отправителя при стандартном и оптимизированном режимах передачи. Кривые 1 и 2 соответствуют стандартному режиму «электронная почта», кривые 3 и 4 - оптимизированному режиму «электронная почта». Кривые 1 и 3 соответствуют расположению абонента-получателя сообщения на всей поверхности Земли, кривые 2 и 4 -расположению получателя в области между широтами 40° и 80° с. ш. с дальностью между абонентами от 5000 до 10 000 км соответственно. Из графиков следует, что выигрыш при использовании оптимизированного режима «электронная почта» растет при увеличении широты абонента-отправи-теля сообщений. Это обусловлено уменьшением интервалов между входами в зону его радиовидимости с СР из состава низкоорбитальной системы спутниковой связи.
В результате выполненных исследований вероятностно-временных характеристик информационного обмена между абонентами низкоорбитальной системы спутниковой связи в режиме «электронная почта» можно сделать следующие выводы:
- в случае использования в низкоорбитальной системе спутниковой связи приполярных орбит время передачи (доведения) сообщений между абонентами системы в режиме «электронная почта» в значительной степени зависит от широты их расположения, при увеличении широты расположения абонентов системы время передачи сообщений между ними уменьшается;
- увеличение состава орбитальной группировки низкоорбитальной системы спутниковой связи, использующей стандартный режим «электронная почта», приводит к незначительному уменьшению времени передачи сообщения, что обусловлено только уменьшением времени ожидания связи с СР абонентом-отправителем сообщения;
- для эффективного использования низкоорбитальной системы спутниковой связи в режиме «электронная почта» целесообразно использовать оптимизированный режим с выбором маршрута переноса сообщения, обеспечивающим минимальное суммарное время доведения сообщения; выигрыш при использовании оптимизированного режима «электронная почта» возрастает с увеличением числа СР в составе орбитальной группировки, что обусловлено увеличением возможных вариантов маршрутов передачи сообщения.
1. Невдяев Л. М., Смирнов А. А. Персональная спутниковая связь. М.: Эко-Трендз, 1998. 216 с.
2. Спутниковая связь и вещание: Справочник / Под ред. Л. Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1988. 344 с.
3. Камнев В. Е., Черкасов В. В., Чечин Г. В. Спутниковые системы связи. М.: Альпина Паблишер, 2004. 536 с.
4. Имитационное моделирование спутниковых радиосетей / Н. Л. Важенин, Ю. М. Галантерник, А. А. Каплунов и др.; НИИ ТП. М., 1993. 80 с.
