CC BY
15
The Article is Presented the main Aspects and Methods of the Estimation to Efficiency to Activity of Power, Facilities and Organ of the Monitoring.
Key words: monitoring, information, executive, personal composition, organ of the monitoring, situation, efficiency, mathematical device.
Udalzov Nikoly Petrovich, candidate of military sciences, lecturer, pol18deligne@,rambler. ru, Russia, Sankt-Petersburg, Military Academy of Telecommunications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Bydyonny,
Ageev Pavel Aleksandrovich, candidate of military sciences, lecturer, pol18deligne@rambler. ru, Russia, Sankt-Petersburg, Military Academy of Telecommunications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Bydyonny,
Zaika Pavel Valentinovich, lecturer, pashasever@mail.ru, Russia, Sankt-Petersburg, Military Academy of Telecommunications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Bydyonny
УДК 621.391
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-303-309
МОДЕЛЬ ДОСТАВКИ IP-ПАКЕТОВ В СИСТЕМЕ ШИРОКОПОЛОСНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
К.С. Новосадов
Статья посвящена разработке модели доставки пакетного трафика при передаче шифрованных пакетов в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи, позволяющей оценить качество их обслуживания с учетом распределения по приоритетным очередям спутникового абонентского терминала, доступного ресурса ретранслятора и разной длительности цикла его выделения для разноприоритетных очередей абонентского терминала.
Ключевые слова: обслуживание пакетов, приоритет, модель доставки, абонентский терминал, пакетный трафик.
В настоящее время в России и во всем мире создаются высокоскоростные спутниковые системы связи с использованием космических аппаратов на геостационарной орбите. Необходимость применения систем спутниковой связи при организации доступа к современным инфокоммуникационным услугам особенно отчетливо ощущается абонентами, находящимися в труднодоступных и удаленных регионах России и мира.
Обширность обслуживаемых территорий с большой абонентской базой и принципиальная ограниченность частотно-энергетического ресурса ретрансляторов связи обусловливают особую актуальность задачи динамического перераспределения радиоресурса ретрансляторов между направлениями связи.
Основным фактором, осложняющим решение этой задачи, является высокая задержка распространения сигналов в спутниковых радиолиниях и, соответственно, запаздывание в управлении [1, 2].
Проблемой повышения эффективности распределения ресурса подробно рассмотрены в работах [3, 4, 5, 6]. Основной подход в указанных работах заключается в дифференцированном обслуживании пакетного трафика на основе модели QoS (Quality of Service).
Вместе с тем, предложенные подходы не в полной мере применимы к системам широкополосной спутниковой связи при передаче шифрованного трафика.
Одним из важнейших элементов современных спутниковых абонентских терминалов является модем. Рассмотрим более подробно его работу.
Спутниковый модем, как сетевое устройство третьего уровня анализирует поля заголовка /^-пакетов от оконечного оборудования и передает его либо как трафик реального времени (для транспортного протокола UDP) в очередь с приоритетом 1, либо помещает в очередь с приоритетом 2. Для приоритетной очереди 1 анализируется только скорость поступления
пакетов, а запрос пропускной способности осуществляется с учетом прогнозируемого статистического распределения количества пакетов, либо с некоторым запасом. В то же время для очереди 2 анализируется объем пакетов, находящихся в очереди модема. Процесс запроса пропускной способности для приоритетных очередей 1, 2 представлен на рис. 1, 2.
^ дос ~ I " ^ ож ' 1 пер. пакетов
- высокоприоритетный трафик поступивший на модулятор и: очереди № 1
- - пропускная способность, запрошенная для передачи трафика
Рис. 1. Процесс запроса пропускной способности для обслуживающего прибора 1
(первая очередь)
загфос пропускной способности для трафика поступивш его е очередь .N5 2
_ щ дое едение плана передачи до абонентских терминалов
_^ передача, трафика постугшвл] его на модулятор из очереди Л 2
Рис. 2. Процесс запроса пропускной способности для обслуживающего прибора № 2
(вторая очередь)
Однако, при передаче шифрованного пакетного трафика необходимо учесть, что весь трафик от оконечного оборудования шифруется аппаратурой криптографической защиты (при работе протокола IP-Sec в туннельном режиме): исходный заголовок пакета подменяется новым, а весь поток пакетов поступает на вход очереди № 2. Таким образом, механизм приоритетного обслуживания пакетов, заложенный в спутниковый модем, в отличие от сетей связи общего пользования, не обеспечивается.
Постановка задачи. Представим процесс передачи шифрованного трафика при использовании механизмов приоритетных очередей, как передачу трех потоков заявок на выделенном ресурсе пропускной способности в соответствии с рис. 3.
Передача пакетов через приоритетную очередь 1 приводит к резервированию за этой очередью некоторого запаса пропускной способности Дц на протяжении некоторого времени ТШтраф, что можно интерпретировать как штраф.
Интенсивность обслуживания 2
Jll 3 7*1 - + Тщф аф ж-1 3
ю ж-1 Ik н [дц ж
¡4
Мз
, |0г ,
\_й_|_й_|_й_
1: передача трафика через приоритетную очередь 2. 2: передача трафика через приоритетную очередь 1.
3: передача трафика через приоритетную очередь 2 с учетом штраф а Др следующие Гцпр^ секунд.
Рис. 3. Процесс передачи шифрованного трафика при использовании механизмов
приоритетных очередей
Из совокупности требований, предъявляемых к связи, как к процессу переноса данных в системе связи, в работе рассматриваются требования по своевременности доставки пакетов, которые оцениваются вероятностью своевременной доставки и временем доставки.
Очевидно, что использование приоритетной очереди 1 позволяет уменьшить время доставки пакетов на время 2Тпер.пакетов по сравнению с очередью 2, но приводит к уменьшению эффективности использования пропускной способности системы за счет наложения штрафа.
Таким образом в работе ставится задача формализации модели доставки /P-пакетов в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи при передаче шифрованного трафика, позволяющая оценить качество их обслуживания с учетом распределения по приоритетным очередям абонентского терминала, доступного ресурса ретранслятора и разной длительности цикла его выделения для разноприоритетных очередей.
Под качеством обслуживания будем понимать своевременность доставки пакетов Тдост на интервале усреднения Тт на выделенном ресурсе ц. Интервал усреднения Тт включает в себя длительность суперкадра Тск и длительность штрафа Тштраф (см. рис. 3). Примем, что на интервале времени Тт интенсивность входного потока X = const.
Формализованная постановка задачи:
P > P
*2'Х3 > max дост д
Тдост Тд
дост _ дост
Т < Т *
дост дост
(1)
3
где xi, Х2, Хз - коэффициенты распределения входящего трафика X, ^ x = 1, xi е (0;l) . Таким
3
\Хг
1=1
образом целевая функция отражает стремление как можно быстрее обслуживать входящие пакеты - максимизировать разницу между требуемым и реальным временем обслуживания пакетов.
Разработка модели доставки. Примем допущение, что вероятностные характеристики потока пакетов X не зависят от времени, их поступление не зависит друг от друга и поступление пакетов происходит поодиночке.
Тогда вероятность появления пакетов на входе абонентского терминала описывается распределением Пуассона. В свою очередь, время обслуживания пакетов, также является случайной величиной, распределенной по показательному закону.
Допущение о пуассоновском характере потока заявок и о показательном распределении времени обслуживания позволяют применить аппарат марковских случайных процессов.
Каждая приоритетная очередь пакетов совместно с каналом связи представляет собой смешанную систему массового обслуживания.
Как и ранее, условимся считать, что на вход каждой 7-й приоритетной очереди поступает простейший поток пакетов с плотностью х7Х (см. рис. 4). Время обслуживания одного пакета Т б. имеет показательное распределение с параметром м =_1__
о 7 М[Гоб7 ]
Обозначим интенсивность обслуживания (передачи) передачи пакетов в канале связи ц, а интенсивности обслуживания (выбора) пакетов из приоритетных очередей мл, ц2, ц3. Очевидно,
что Е ь = м.
7=1
Поступающий пакет становится в 7-ю очередь и ожидает начала своего обслуживания. Время ожидания ограничено величиной Тж [7]. Если до истечения этого срока пакет не будет принят к обслуживанию, то он покидает очередь и остается необслуженным. Срок ожидания Тож7 будем считать распределенным по показательному закону ) = V е, > 0), где параметр V7 - величина, обратная среднему сроку ожидания v =. 1
M
*
Т .
ожi
Если очередной пакет застанет в 7-й очереди т пакетов, то он также покидает очередь и остается необслуженным.
С учетом потока потерь у7 требование по вероятности своевременной доставки пакетов в принятой модели эквивалентно вероятности обслуживания заявки.
Tz
уход из-за отказа
уход по . ограничению времени доставки
Рис. 4. Модель абонентского терминала при распределении пакетов между
приоритетными очередями
Интенсивности переходов между состояниями графа на рис. 5 определяются следующими величинами: хЦк - интенсивность поступления пакетов в 7-ю очередь; уг- - интенсивность
потока потерь пакетов в очереди из-за превышения 7; Ц - интенсивность обслуживания в 7-й очереди.
Рис. 5. Марковская цепь, описывающая вероятности переходов при передаче трафика через обслуживающий прибор
Возможные состояния системы:
Ро - канал не занят (отсутствуют заявки);
Р1 - в приборе обслуживается одна заявка, очередь пуста;
Р1+1 - в приборе обслуживается одна заявка, одна заявка в очереди;
Р1+. - в приборе обслуживается одна заявка, в очереди находится 5 заявок, где
1 < 5 < т7:
Р1+т7 - в приборе обслуживается одна заявка, очередь заполнена.
Вероятность того, что заявка будет доставлена, определится из зависимости
1 - Ро .
а7
Вероятность того, что в системе нет ни одной заявки Ро определим из нормирующего
1+т7-
условия у Рк = 1:
к=0
Ро =-
(2)
1 + ■
а7
1+&
1+Е
а7
= П(1 + (1 + т)р7)
т=1
Время ожидания обслуживания Тож 7 определяется как среднее количество пакетов Мож 7, находящихся в очереди, умноженное на среднее время обслуживания одного пакета [8, 9]:
М 1 т7
Т = ож 7 =1 у ,Р . (3)
ож 7 / ,Л/1■. У '
Д7 Д7 5=1
Состояние Р\+. также определим из [8, 9]:
1
P+s =-
а.
.1+s
-P
-L (Л
(4)
(1 + ß,) П[1 + (1 + m )ß, ]
m=1
r> V хД
где ß. = —-, где а = ——.
' Ц, ' Ц, Тогда (3) с учетом (4)
То
I mi
=-z
Ц, S=1
а.
(1 + ß,) П[1 + (1 + m )ß, ]
m=1
а
1 + ß,
1 + 2"
а
=1 П(1 + (1 + m)ß,)
m=1
(5)
Исходя из постановки задачи необходимо распределить входной поток X между приоритетными очередями для минимизации среднего времени доставки пакетов, при этом в каждом обслуживающем приборе должны выполняться требования по своевременности
Р > Р* .
дост дост
Среднее время доставки пакетов на интервале Тт при передаче через три обслуживающих прибора определим следующим образом:
3
T д
=z х,тдост, (и,- )■
,=1
Тогда для достижения целевой (1) функции необходимо:
3
min Е Х,Гдост, (И, ).
(6)
(7)
Таким образом, формализованное представление модели доставки /Р-пакетов в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи специального назначения, позволяющая оценить качество их обслуживания с учетом распределения по приоритетным очередям абонентского терминала, доступного ресурса ретранслятора и разной длительности цикла его выделения для разноприоритетных очередей терминала:
т1П Z XTдост , (и );
,=1
Zx = 1, x е (0;1);
, =1
ц = Ц2 - ДЦ;
(8)
= const;
T = T
"'СК
т
штраф'
Р > р* т < Т * •
дост дост г' дост дост г'
[г = 1,2,3.
Для проведения расчетов используем исходные данные, представленные в табл. 1, а результаты расчетов - в табл. 2.
Передача части пакетов через обслуживающий прибор № 1 приводит к повышенному требованию по пропускной способности, но, в то же время позволяет значительно ускорить доставку пакетов. Уменьшение среднего времени доставки за счет увеличения пропускной способности при использовании только обслуживающего прибора 2 является незначительным: так увеличение интенсивности обслуживания с 115 до 156 пакетов/с приводит к уменьшению времени доставки лишь на 1 %.
Z
1
Z
Таблица 1
Исходные данные для расчета_
Технические характеристики, требования и ограничения Значение
Интенсивность поступления пакетов, пакет/с 65
Длина очереди, пакетов 100
Требование по своевременности доставки:
для обслуживающего прибора 1, с 0,4 (с вероятностью 0,9)
для обслуживающего прибора 2, с 1 (с вероятностью 0,95)
Время распространения радиоволн, с 0,25
Таблица 2
Результаты расчета требуемой интенсивности обслуживания _ и среднего времени доставки_
Распределение трафика Требуемая интенсивность обслуживания Среднее время доставки
по очередям относительное относительное
изменение, % изменение, %
Х1 = 0; Х2 = 1; хз = 0 115 0 0,764 0
X1 = 0,05; X2 = 0,2; хз = 0,75 154 33,9 0,756 - 1
X1 = 0,2; X2 = 0,05; хз = 0,75 151 31,3 0,666 - 12,8
X1 = 0,3; X2 = 0,04; хз = 0,66 145 26,1 0,618 - 19,1
X1 = 0,04; X2 = 0,3; X3 = 0,66 156 35,7 0,745 - 2,5
Заключение. Одной из основных задач в системах широкополосной спутниковой связи при передаче шифрованного трафика, является задача минимизации времени доставки пакетов на выделенном ресурсе пропускной способности. Уменьшение среднего времени доставки пакетов в обратном канале может быть достигнуто путем его оптимального распределения по приоритетным очередям с разной длительностью цикла выделения ресурса.
Применение модели для распределения шифрованного трафика по приоритетным очередям спутникового модема, позволит использовать предложенную модель для решения практических задач в системах широкополосной спутниковой связи специального назначения.
На основе предложенной модели доставки разработан алгоритм повышения качества обслуживания в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи специального назначения, реализованный в [10].
Список литературы
1. Антонян А. Б. Пакетная коммутация для передачи речи // Вестник связи. 1999. № 5. С. 68-71.
2. Bae J. J., Suda T. Survey of Traffic Control Schemes and Protocols in ATM Networks // Proc. IEEE. 1991. Vol. 79. № 2. P. 170-186.
3. Новиков Е. А. Оперативное распределение радиоресурса спутника-ретранслятора при нестационарном входном потоке сообщений с учетом запаздывания в управлении // Информационно-управляющие системы. 2014. № 2. С. 79-85.
4. Илюхин А. А. Способ эффективного распределения ресурса пропускной способности спутниковых сетей интерактивного доступа // Вестник РГРТУ. 2009. № 4. С. 16-21.
5. Chen J. C., Kodama T. Local predictive resource reservation for handoff in multimedia wireless IP networks // IEEE J. Select. Areas Commun. 2001. V. 19. P. 1931-1941.
6. Leung К. K., Massey W. A., Whitt W. Traffic models for wireless communication networks. IEEE J. Select. Areas Commun. 1994. V. 12.
7. МСЭ-Т Y.1541. Требования к сетевым показателям качества для служб, основанных на протоколе IP. Geneva: ITU-T, 2011.
8. Вентцель Е. С. Теория вероятностей: Учебник для вузов. 10-е изд., стер. М.: Высшая школа, 2006. 575 с.
9. Новиков О. А., Петухов С. И. Прикладные вопросы теории массового обслуживания. - М.: Советское радио, 1969. 400 с.
10. Новосадов К. С. Программа распределения пропускной способности в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи при передаче шифрованного трафика // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. ФИПС России № 2021681370 от 21.12.2021.
Новосадов Кирилл Сергеевич, адъюнкт, x-bruk@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного
IP PACKET DELIVERY MODEL IN A SPECIAL-PURPOSE BROADBAND SATELLITE
COMMUNICATION SYSTEM
K.S. Novosadov
The article is devoted to the development of a packet traffic delivery model for the transmission of encrypted packets in the reverse channel of a broadband satellite communication system, which makes it possible to assess the quality of their service, taking into account the distribution of priority queues of the satellite subscriber terminal, the available repeater resource and the different duration of its allocation cycle for different priority queues of the subscriber terminal.
Key words: packet service, priority, delivery model, subscriber terminal, packet traffic.
Novosadov Kirill Sergeevich, postgraduate, x-bruk@mail.ru, Russian, Saint-Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny
УДК 303.732
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-309-318
ЭКСПЕРТНЫЙ ОПРОС В ПРОГНОЗИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Д.Н. Гула, В.В. Пудиков, Р.Н. Аитов
В статье предлагается алгоритм анализа данных экспертного опроса, опирающийся на нечеткую интерпретацию технического состояния сложных технических комплексов. При этом обобщенное мнение экспертов получается в виде нечеткой количественной оценки, учитывающей степень их компетентности.
Ключевые слова: эксперт, универсальное множество, нечеткое множество, функция принадлежности, лингвистическая переменная, степень компетентности эксперта.
Мониторинг технического состояния (ТС), система постоянных наблюдений, оценки и прогноза изменений состояний какого-либо природного, социального и т.п. объекта [1]. Однако в чаще применяется более широкая трактовка этого понятия, включающая в себя аспект управления: обоснование возможных решений, направленных на предотвращение неблагоприятного изменения состояния объекта мониторинга, и представление их лицам, принимающим решения.
Внедрение системы мониторинга в практику эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры позволило определить их фактическое состояние, сделать краткосрочный и долгосрочный прогнозы его изменения, спланировать и выполнить комплекс мероприятий, позволивший принять решение о возможности их дальнейшей эксплуатации без капитального ремонта.
Для решения задач прогнозирования ТС сложных технических комплексов (СТК) в настоящее время применяется большое количество апробированных методов, основанных на статистических и физико-статистических моделях [2]. Точность и достоверность получаемых прогнозных оценок с использованием данных методов зависит от длительности наблюдения за определяющими параметрами прогнозируемого явления на конкретном объекте или на идентичных. С этой точки зрения оборудование является объектом весьма сложным для прогнозирования, сложность обусловлена, во-первых, уникальностью значительной части оборудования, во-вторых, неидентичностью даже типового оборудования, которая является следствием многочисленных изменений, внесенных в их конструкцию за многолетний период эксплуатации и, в-третьих, малым количеством измерительной информации, к сбору которой, фактически,
