Математическая модель процесса компенсации джиттера задержки передачи пакетного трафика в каналах спуниковой связи Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 05/2017 ISSN 2410-700Х_

3. Запольский А.К., Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды /Запольский А.К., Баран А.А..- Л.: Химия, 1987. - 203 с.

4. Пааль Л.Л., Справочник по очистке природных и сточных вод /Пааль Л.Л., Кару Я.Я., Мендер Х.А., Репин Б.Н. - М.: Высш. шк., 1994. - 336 с.

5. Комарова Л.Ф., Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: Учебное пособие /Комарова Л.Ф. - Барнаул, 2000. - 395 с.

© Азина А.Р., Азина А.Э., Кабышева А.С., 2017

УДК 62

М.А. Асецкий

сотрудник Академия ФСО России, г. Орел, РФ E-mail: paulwalker17@mail.ru А.А. Аристархов сотрудник Академия ФСО России,г. Орел, РФ E-mail: matrix747@mail.ru Р.К. Кинденов

сотрудник Академия ФСО России,г. Орел, РФ E-mail: roman.kindenov@mail.ru Е.Н. Кухаренко сотрудник Академия ФСО России,г. Орел, РФ E-mail: evgkruglov@mail.ru

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КОМПЕНСАЦИИ ДЖИТТЕРА ЗАДЕРЖКИ ПЕРЕДАЧИ ПАКЕТНОГО ТРАФИКА В КАНАЛАХ СПУНИКОВОЙ СВЯЗИ

Аннотация

Представлен подход к построению алгоритмических моделей динамических процессов поступления, буферизации и передачи пакетных данных в сетевых устройствах позволяющий формализовать их на основе функций состояния, учитывающих динамические свойства трафика и специфические условия работы буферного устройства.

Ключевые слова

Джиттер-буфер, межпакетная длительность, компенсация джиттера задержки.

Введение.

Задачи предоставления пользователям услуг мультисервисных сетей связи в местах, не оборудованных в отношении связи, решаются исключительно средствами спутниковой связи. Широкая номенклатура абонентского и сетевого оборудования обеспечивает передачу мультимедийного трафика по транспортной сети с коммутацией пакетов, представляющую собой сложную разветвленную сеть составных каналов, в том числе и спутниковых.

Существенным ограничением в выборе конфигурации спутникового оборудования становятся требования рекомендаций ITU-T Y.1540, Y.1541, РД 45.128-2000 по обеспечению качества предоставляемых услуг связи, определяемые сквозной задержкой, джиттером задержки и потерями пакетов, являющихся особенно критичными для интерактивных источников аудио-, и видеоинформации с переменной скоростью

[3].

Результаты математического моделирования процесса передачи интерактивного трафика

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 05/2017 ISSN 2410-700Х_

видеоконференц-связи для способов множественного доступа SCPC-, TDMA и различной интерактивности трафика представлены на рисунке 1.

TD, мс

"i /

- = 0 2

"3. ■ = 0 15

mt •

"r

тй

Р =■

mR

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

TD, мс

Tp /

iP 0,2 / /

> V

"r //

m„ -- 0,15 / //

"я = 0,1 /

lllR ---

SüS^ SSSsS

Р = '

mR

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Рисунок 1 - Зависимость средней задержки буферизации пакетов при передаче трафика в спутниковом канале в SCPC и TDMA режимах

Очевидный рост средней задержки передачи пакетов с уровнем нагрузки в спутниковом канале сопровождается и увеличением вариации задержки, т.е. джиттера, который в последующем должен быть компенсирован в абонентских терминалах.

Постановка задачи и математическое моделирование.

Вопросы, связанные с обеспечением требуемого качества передачи 1Р пакетов телефонии и видеоконференцсвязи решаются на всех узлах физического соединения. При этом составляющие сквозного времени передачи между источником и получателем определяются не только фиксированными задержками пакетизации, протокольной обработки в промежуточных узлах, распространения сигнала, но и случайными задержками буферизации в промежуточных узлах и депакетизации в джиттер-буфере оконечных абонентских устройств [5].

Логика работы джиттер-буфера оконечных абонентских устройств заключается в компенсации джиттера сквозной задержки передачи пакетов путем их буферизации в течении времени, достаточного для последовательного и своевременного воспроизведения аудио- и видеоинформации, как это было сформировано источником. При этом допускается некоторый процент потерь опоздавших пакетов к моменту их воспроизведения.

Фиксирование или изменение во времени объема джиттер-буфера соответствует его статической или адаптивной конфигурации в абонентских терминальных устройствах [7].

Если принять справедливое допущение об ординарности трафика, то процесс формирования пакетов источником в последовательности номеров к можно представить объемом пакетов Ьа[к] и межпакетной длительностью АЬа[к] (рис. 2).

L А ' i > > [1] г I..... Ma[k] '<-►

taV ta\2] ta[k -1] 4W ta{K]

А \ ' Atb[2] \

ui.' 4 \ AtaU Mt . -.XL

tb' [к]

Рисунок 2 - Временная диаграмма процесса генерирования, поступления и обработки

пакетных данных в джиттер-буфере

с

с

а

t

L

а

t

а

t

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 05/2017 ISSN 2410-700Х_

Моменты времени передачи пакетов от источников строго известны и должны быть синхронизированы в порядке следования в приемном абонентском устройстве.

Состояние процесса обработки пакетов в джиттер-буфере, определяемое к-м номером поступившего пакета, включает две фазы - поступления пакета к в момент времени tb[k] и его считывания в момент времени tb'[k]. При этом межпакетная длительность поступающих в джиттер-буфер пакетов имеет произвольное распределение, фактически определяемое джиттером задержки и потерями пакетов в спутниковом канале.

Задача джиттер-буфера заключается в восстановлении порядка следования пакетов и их межпакетной длительности, заложенной источником на передающей стороне Atb'[k] = Ata[k]. Интервалы между пакетами восстанавливаются на основе значений временных меток RTP-пакетов.

Логика работы джиттер-буфера связана с превентивным введением времени ожидания Atq[k], обеспечивающим компенсацию джиггера в спутниковом канале Atb[k] до полностью восстановленного синхронного времени формирования пакетов [2].

Слишком короткий буфер будет приводить к слишком частым потерям "опоздавших" пакетов, а слишком длинный - к неприемлемо большой дополнительной задержке и ухудшению интерактивности человеческого общения. В этой связи настраиваемые параметры фактически будут определять компромисс между вносимой величиной задержки, компенсирующей джиттер, и потерями пакетов [2,7].

Для составления математической модели, детализируем исходную функциональную модель буферного устройства (рис. 3).

xq (t)

xb(t)

xd

(О

X,

q pl

(t)

X,

q max

Xb' (t)

Рисунок 3 - Модель обработки трафика в сетевом устройстве

В качестве математической модели закона баланса используем выражение

х,

,(t) = mm(xb(0 - xd(t) - Xb'(t),xqmax)

(1)

которое определяет текущую длину очереди трафика в битах через функции текущего количества поступивших бит хь(Ь), потерянных бит вследствие переполнения буфера или позднего поступления, а также считанных хь> (Ь) при воспроизведении потока пакетов.

Значения битовых объемов к моменту времени £ определяются как интегралы от функций состояния:

xb(t) = vb I Fb(°)dt

xd(t)

=ч

о

t

(2)

Fd(°)dt

xb'(t) = Vb' I Fb'(o)dt

Функция Рь(о) определяет состояние поступающего трафика следующим образом: Рь(о) = 0 в фазе межпакетной паузы, Рь(°) = 1 в фазе передача пакета. Учитывая дискретность процесса поступления пакетов, моменты времени наступления и окончания ¿¡К фазы передачи пакета могут быть представлены следующим образом:

0

t

V

0

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 05/2017 ISSN 2410-700Х_

t%[k] = tftk - 1] + Atb[k], t&K[0] = 0;

(3)

tm = да+L-f^ = да -1]+Ада+(4)

Vh Vh

где к - номер поступающего пакета, к = 1,К.

Поскольку функция состояния поступающего трафика Рь(о) имеет единичное значение внутри промежутка ЬН <Ь <ЬЬ и вне его равна нулю, в терминах непрерывного времени £ для каждого пакета к = 1, К ее можно выразить следующим образом:

^(0 = Ф(1 - да) Ф($[к] - I), (5 )

где Ф(°) - функция Хэвисайда.

Функцию потерь Ра(°) определяют пакеты, поступившие в джиттер-буфер, не имеющий свободного места для буферизации, либо задержавшиеся при передачи по спутниковому каналу на момент воспроизведения их из джиттер-буфера

^(0 = Рь(1,1ь[к]) х

х Ф(1ь[к] - tb'[k]№(xq(tb[k]) + Lb[k] - xqmax).

(6)

Функция состояния Ра(Ь) характеризуется единичным значением Ра(°) = 1 в случае потерь пакета и нулевым значением Ра(о) = 0 - в случае его буферизации для всех к = 1, К. Временные моменты потерь пакетов определяются соответственно как

^[к] = ьъ[к] х Ф(1ь[к] - ьь>[к])Ф(хч(ьь[к]) + Ьь[к] - хчтаж). (7)

Функция состояния воспроизведения Рь> (о) определена с учетом восстановления порядка следования номеров буферизованных пакетов

рь,(1) = Ф(1-1Н,[к])Ф(1кь,[к]-1) (8)

в моменты времени:

t%'[k] = tb'[k - 1] + (ta[k] -ta[k- 1]) t%'[1] = tb[n№(xq(tb[k]) + Lb[k]-xqpl)

^-----1ь[п]Ф(хч(1ь[к]) + ьь[к]-хч^ч

Л>[к] = Ь%,[к]+1ь[к]/Уь, Значение объема джиттер-буфера хчр1(Ь), при превышении которого начинается воспроизведение, определяется априори в статической конфигурации или апостериори в динамической конфигурации

хчр1(1) = /Зтах(р[к],0)Я[к] (10)

где Р - коэффициент вносимой избыточности.

Текущие оценки джиттера задержки [к] и битовой скорости передачи Ё [к] могут быть получены в ходе скользящего усреднения уравнениями:

]Ь[к] = а]0[к] + (1- а)]Ъ[к - 1], Ъ[к] = аЯ[к] + (1 - а)Й[к - 1], (11)

где ]Ь[0] = £[0] = 0.

Измеряемые значения джиттера задержки [к] и битовой скорости передачи Я [к] устанавливаются по фактическим данным на приеме и информации из заголовков RTP-пакетов

Мк] = (да - 1ь[п]) - (да - 1а[п]), Я[к] = Я^т (12)

где п = {1,2,... ,к - 1} - параметр, устанавливающий глубину памяти измерения при статической или динамической конфигурации.

На данном этапе математическое описание динамических процессов компенсации джиттер задержки завершено, поскольку все функции раскрыты по аргументам.

Возможности предлагаемого математического описания процессов обработки и передачи пакетного трафика в спутниковом терминале позволяют согласовано представить требования к качеству обслуживания для каждого из источников по задержке

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 05/2017 ISSN 2410-700Х_

К

тит = ¿im1^™ -1™1 (13)

к=1

джиттеру задержки передачи пакета в сетевом устройстве

1 К

DVW = Иш 1 Yk=1 \Шк] - №] - TD)\, (14)

и битовой вероятности потери пакетов

PL(At) = lim ^^ = lim „ . (15)

На основе логики работы джиттер-буфера, формально описанной в модели, в среде Matlab подготовлены программы имитационного моделирования процессов передачи трафика пользовательских данных в спутниковом канале и его обработки в джиттер-буфере абонентского устройства. При этом в программе реализованы все возможности спутниковых маршрутизаторов по выбору дисциплины обслуживания потоков, протокола канального уровня и параметров радиоинтерфейса.

Результаты имитационного моделирования позволили установить зависимость между длительностью вносимой задержки и процентом потери пакетов (рис.4), а следовательно найти компромиссное решение, удовлетворяющее требованиям среднестатистического пользователя.

40

35 30 25 20 15 10 5 0

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05

Рисунок 4 - Зависимость между длительностью задержки и процентом потери пакетов Заключение

Таким образом, задаваясь допустимым процентом потерь пакетов, минимальную задержку джиттер-буфера можно будет ограничить путем статической конфигурации объема буферного устройства. В тоже время оценивая в динамике текущий джиттер, для повышения качества услуги следует адаптивно реконфигурировать объем буферного устройства. Список использованной литературы:

1. ITU-T G.107. Recommendation G.107: The E-model: a computational model for use in transmission planning [Text] / ITU-T. Geneva - 2003. - P. 26.

2. Кобрин А.В. Адаптивный буфер компенсации джиттера задержки прибытия пакетов на основе робастного фильтра Калмана / Электронное научное специализированное издание - журнал «Проблемы телекоммуникаций». Харьковский национальный университет радиоэлектроники. - № 1 (10). - 2013. - С.72-81. http://pt.journal.kh.ua.

3. Вегешна, Ш. Качество обслуживания в сетях IP / Ш. Вегешна. - М. : Издательский дом "Вильямс". -2003. - 368 с.

4. Рекомендация ITU-T Y.1910. Функциональная архитектура IPTV: - 2008.

5. Кучерявый, Е. А. Управление трафиком и качество обслуживания в сети Интернет / Е. А. Кучерявый. -СПб. : Наука и техника, 2004.

6. Бушминский, И. П. Приемные системы спутникового телевидения / И. П. Бушминский, Д. И. Кузнецов,

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» № 05/2017 ISSN 2410-700Х_

А. А. Романов, М. Ф. Тюхтин. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 310 с.

7. Поповский В. В., Ощепков М. Ю., Кобрин А. В. Алгоритмы предварительной компенсации джиттера при передачи потокового видео в беспроводных сетях, Вестник ДУИКТ, том 10, № 1, 2012.

© Асецкий М.А., Аристархов А.А., Кинденов Р.К., Кухаренко Е.Н., 2017

УДК 533.9

Валиев Марат Рафилович

аспирант НЧИ КФУ, Шакиров Юнус Идрисович

канд. тех. наук, доцент НЧИ КФУ, г. Набережные Челны, РФ E-mail: valiev11@rambler.ru

СПОСОБЫ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

Аннотация

В данной статье рассмотрены способы нанесения покрытий газотермическим напылением. Газотермическое напыление используется для восстановления поверхности изношенных деталей и механизмов нанесением специальных покрытий. Одним из широко применяемых способов в промышленности является способ напыления с помощью плазмы.

Ключевые слова

Газотермическое, напыление, покрытие, нанесение, с помощью плазмы, порошковое, металлизация.

Газотермическим напылением обозначаются все процессы нанесения покрытий из материалов, которыми служат не разлагающиеся при высоких температурах проволока, пруток или порошок. Материалы вводятся в зону высокой температуры. Там они распыляются или сжатым воздухом, или струей газа. При процессе распыления образуются мелкодисперсные частицы, которые двигаясь с большой скоростью попадают на заранее подготовленную поверхность. Затем в процессе газотермического напыления образуется требуемый слой для восстановления или упрочнения заданной поверхности.

Наиболее широко в промышленности для нанесения покрытий применяются: процесс метализации из проволоки, плазменное напыление порошкообразных материалов и порошковое газопламенное напыление.

При плазменном напылении получаются наиболее качественные покрытия. При таком способе можно использовать такие тугоплавкие соединения, как нитриды, оксиды, карбиды.

Наносимые покрытия бывают:

- Коррозионно-стойкими для работы в агрессивных жидкостях и газах, при низких, нормальных и высоких температурах, в кислотах и щелочах, в растворах и расплавах солей и металлов, в условиях дополнительного эрозионного, фрикционного или абразивного износа, с наличием дополнительного электрохимического взаимодействия или без.

- Износостойкими в условиях сухого трения или со смазкой, при малых и больших давлениях и удельных нагрузках, при низких и высоких скоростях перемещения, при низких и высоких температурах и т.д.

- Электроизоляционными и электропроводными в самых разных условиях.

- Фрикционными и антифрикционными при самых различных нагрузках и условиях трения.

- Каталитическими и ингибиторными, разделительными, магнитными и магнитопрозрачными [1].