Моделирование протокола управления доступом к среде передачи для сети с временным разделением каналов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Моделирование протокола управления доступом к среде передачи для сети с временным разделением каналов

Постников СА., Струнская-Зленко Л.В.,

ОАО "Концерн "Созвездие"", г. Воронеж

На основе анализа стандартов для беспроводных сетей 1ЕЕЕ 802.11 и 802.16 и требований, предъявляемых к вновь разрабатываемым перспективным сетевым системам связи, в [1, 2] предложен протокол управления доступом в среду. К основным требованиям относятся: скорость передачи информации, возможность одновременной передачи различных видов мультимедийной информации, высокая вероятность установления соединений, приоритетность предоставления соединений и гарантированное качество обслуживания. При этом система связи должна позволять оперативно и автоматически оптимизировать имеющиеся ресурсы под задачи, выполняемые абонентами сети в конкретные отрезки времени, обеспечивать надежность и устойчивость работы при простоте и невысокой стоимости оборудования. Целью данной работы является проверка с помощью имитационного моделирования отдельных алгоритмов предложенного протокола множественного доступа, сочетающего в себе основные достоинства упомянутых протоколов и обеспечивающего при достаточно высокой скорости передачи приемлемую вероятность соединений, обслуживание с приоритетами, гарантированное качество службы, надежность и устойчивость работы.

Предлагаемый способ организации доступа к сети связи заключается в следующем. Одну из радиостанций в сегменте сети (в дальнейшем будем рассматривать сегмент как отдельную сеть) назначают работать в качестве центральной (базовой) станции (ЦС). С помощью центральной станции осуществляют управление доступом в канал для остальных радиостанций сети, являющихся абонентскими станциями (АС). При этом радиообмен между АС ведется через ЦС по способу множественного доступа с временным разделением (МДВР): канал связи делят на временные кадры1, которые в свою очередь делят на временные интервалы!, где станциям сети разрешается передавать и принимать информацию. ЦС передает АС сигнал синхронизации и распределяет временные интервалы! в кадре, где каждая АС должна передавать информацию. Структура временного кадра показана на рис.1, где Т1 — интервал для передачи сигнала синхронизации и идентификатора ЦС, Т2 — интервал передачи ЦС (канал

"вниз"), Т3 — интервал регистрации, Т4 — интервал для передачи АС (каналов "вверх"). Интервал Т2 делится на подынтервалы! для передачи служебной информации (Т2!) и пользовательской информации (Т22) конкретным АС. Интервал Т4 делится между активными АС.

АС принимают сигнал синхронизации, осуществляют синхронизацию своих приемников и ожидают прихода служебных пакетов от ЦС. В течение временного интервала Т2] АС выделяют из общего потока адресованные им пакеты служебной информации по заголовкам. В течение интервала Т22 АС, имеющие открытые информационные каналы, принимают пакеты пользовательской информации в распределенных им интервалах Т22 к.

В течение интервала Т3 АС, впервые выходящие в эфир, передают короткий служебный пакет регистрации, который содержит только идентификатор этой АС. Причем АС начинает процедуру регистрации в сети, вне зависимости от наличия у неё очереди пакетов для передачи. Если ЦС успешно приняла пакет с идентификатором, то начинается процедура регистрации АС. ЦС сравнивает принятый идентификатор со списком возможных абонентов сети и списком зарегистрированных абонентов сети. Если АС опознается нормально, то в её адрес направляются соответствующие команды на открытие служебного канала: в интервале Т4 выделяется короткий временной интервал для передачи пакетов служебной информации от АС к ЦС. Это может произойти в одном из последующих кадров в зависимости от длины очереди запросов и наличия свободного ресурса для передачи. Поскольку канал предоставляется на длительный отрезок времени, то задержка открытия канала на один или несколько кадров пренебрежимо мала по сравнению со временем существования канала.

Если при опознавании АС возникли проблемы, то ЦС отправляет отказ регистрации. Причиной отказа регистрации может быть неправильный идентификатор АС или наличие уже зарегистрированной станции с данным идентификатором. Обе ситуации воспринимаются как попытка несанкционированного доступа в сеть. После приема команд об открытии служебного канала АС осуществляет передачу служебных пакетов, содержащих необходимые для регистрации в сети сведения. Такими сведениями могут являться данные аутентификации (коды доступа), виды подключенного к АС оборудования, абонентские номера этого оборудования, например номер телефона, факса и т.п. После процедуры регистрации служебный канал закрывается, и АС продолжает ожидать направленных ей служебных пакетов от ЦС. Данная АС больше не будет выходить в эфир по своей инициативе, кроме случая возможного пропадания сети и необходимости перерегистрации.

АС, которая передала пакет с идентификатором, но не получила ответа, повторяет передачу пакета с идентификатором в течение интервала регистрации Т3 одного из следующих кадров, причем выбор кадра определяется датчиком псевдослучайных чисел.

ЦС периодически опрашивает зарегистрированные АС. Процедура опроса состоит в том, что ЦС открывает служебные каналы для

зарегистрированных АС и ожидает ответов на служебные пакеты опроса. При наличии у АС информации для передачи (запросы на открытие канала от подключенного к АС оборудования и тд.), она передает ее в открытом служебном канале перед ответом на служебный пакет опроса. Если у АС нет информации для передачи, она передает в адрес ЦС пакет ответа на опрос.

Если во время процедуры опроса АС запрашивает у ЦС открытие информационного канала, то ЦС направляет в адрес АС служебные пакеты с распределенными ей интервалами Т22 к для приема и Т4кдпя передачи. АС подтверждает получение распределения началом работы в выделенном ей интервале Т4к. При этом количество и длительность временных интервалов, выделяемых АС для приёма и передачи, определяет ЦС в зависимости от запрошенной в процессе обмена служебными пакетами скорости передачи.

Периодичность опроса каждой АС зависит от числа зарегистрированных станций в сети: чем меньше станций зарегистрировано, тем чаше они опрашиваются.

Таким образом, процедура установления соединения в предлагаемом способе проводится в два этапа: сначала регистрация АС в сети, затем периодический опрос зарегистрированных АС, по результатам которого происходит открытие канала для передачи информации, в случае если АС имеет очередь пакетов для передачи. При этом в нерегулируемом интервале регистрации Т3 передается только идентификационный номер АС. Все остальные служебные сообщения, связанные с регистрацией АС и процедурами выделения канала для передачи информационных пакетов, передаются в специально выделяемых ЦС интервалах.

В течение интервала Т4 абонентские станции, имеюшие открытые информационные каналы, передают пакеты служебной и пользовательской информации в выделенных им временных интервалах Т4к. Каждая АС заполняет выделенный ей временной интервал Т4^ следующим образом: сначала передается короткая синхропоследовательность, затем пакеты служебной информации, затем пакеты пользовательской информации до конца интервала Т4к. Пакеты служебной информации могут содержать ответные сообщения на команды центральной станции, а также запросы дополнительного распределения или отмены существующего. Например, абонентская станция АС 1 имеет открытый телефонный канал с абонентской станцией АС2 (через центральную станцию). Допустим, в ходе телефонных переговоров возникает необходимость передачи от АС1 видеоинформации или данных, поступающих в АС1 через порт 1?5-422. В этом случае АС1 направляет ЦС соответствующий запрос, и ЦС начинает процедуру изменения распределения, которая заключается в следующем: ЦС направляет в адрес АС пакеты служебной информации с командами открыть канал на новом временном распределении с большей пропускной способностью, учитывая запрос по 1?5-422, и поддерживает канал на старом распределении до получения сигнала от данной АС на новом распределении.

На подобном принципе строится также процедура перехода АС между двумя ЦС, позволяющая осуществлять переход без разрыва соединения. АС открывает канал с новой ЦС и передает необходимую маршрутную информацию по установленным виртуальным соединениям. ЦС, получив необходимые данные, прокладывает маршруты по этим соединениям и до окончания процедуры поддерживает канал с АС, не обрабатывая полученные данные. АС же работает на два направления — на старую и новую ЦС, и закрывает соединение со старой ЦС лишь тогда, когда от новой начинают приходить данные в канале. В этот момент в сети работают два маршрута. Старый маршрут отключается по команде от АС.

Предусмотрена также процедура изменения распределения без расширения объема канала — оптимизация использования вре-

менных интервалов в кадре. Поскольку в ходе работы сети постоянно происходит открытие и закрытие каналов различным станциям, то интервалы Т22 и Т4 становятся фрагментированными: в них произвольно чередуются заполненные передачами и свободные интервалы Т22 к и Т4к. Для повышения эффективности использования временных интервалов ЦС периодически производит сдвиг подынтервалов Т4к к началу интервала Т4 и сдвиг к началу интервала Т22 подынтервалов Т22 к, распределенных абонентским станциям, т.е. для передающих и принимающих информацию АС запускаются процедуры изменения распределения. Каждая из таких АС получает в составе служебной информации новое распределение и перестраивается на передачу и прием в новых временных слотах в ближайший удобный для данной АС момент времени. При этом ЦС поддерживает оба распределения до приема сигнала данной АС в новом временном слоте. Только после установления канала на новом распределении ЦС закрывает старое распределение. Таким образом, при смене распределения соединение не прерывается, а абонент не теряет данные.

АС, получившая распределение, сохраняет за собой открытый канал выделенного объема до тех пор, пока сама не запросит процедуру закрытия канала. При этом ЦС не сокращает объем выделенного данной АС распределения, даже в случае слабой активности передач. Для закрытия канала АС передает соответствующий служебный пакет в начале своего интервала Т4к и продолжает передавать информацию до конца этого интервала.

В предлагаемом способе предусмотрено только два случая отмены распределения по инициативе ЦС, поскольку в реальных условиях бывают поломки аппаратуры или преднамеренный вывод из строя абонента. Когда ЦС опрашивает свою группу зарегистрированных АС (пассивных и активных) и принимает ответные сообщения, она тем самым собирает сведения о работоспособности своих абонентов. При этом допускается пропуск нескольких ответных сообщений (например, АС заехала за какую-либо преграду и не слышит запросов). И только в случае превышения некоторого заданного интервала ЦС закрывает канал не отвечающей на запросы абонентской станции. Предусмотрен также случай отмены распределения по инициативе ЦС для предоставления канала абоненту с высоким приоритетом, например предоставление скоростного канала командиру или для сообщений, связанных с чрезвычайными ситуациями. В обычных условиях распределение, выделенное абонентской станции, не сокращается и не отменяется по инициативе ЦС, т.е. абоненту гарантируется выделение канала требуемого качества. ЦС анализирует принимаемые пакеты на предмет наличия ошибок и производит дальнейшую передачу испорченных пакетов в зависимости от важности передаваемой информации. Поскольку передача информации между АС происходит через ЦС, то при обнаружении ошибок во входящих пакетах информации ЦС выполняет следующие действия.

Если обнаружена ошибка в пакете мультимедийной информации (речь, видео), причем в информационной части пакета, то такой пакет передается адресату. Если ошибка локализована в заголовке пакета мультимедийной информации, то пакет снабжается новым заголовком и передается адресату.

Если обнаружена ошибка в пакете информации наибольшей степени важности (данные), то ЦС рассчитывает новую контрольную сумму для такого пакета и передает его дальше по маршруту, предоставляя протоколам вышестоящих уровней исправление ошибок или повтор передачи такого пакета. Тем самым физический уровень освобождается от процедур повторной передачи. В результате не все испорченные пакеты передаются повторно, что обеспечивает дополнительную экономию пропускной способности сети. ЦС дан-

ной сети может одновременно работать в качестве АС в сети более высокого уровня иерархии, которая, в свою очередь, состоит из множества аналогичных станций. Для обеспечения надежного взаимодействия с ЦС другой сети системы центральная станция осуществляет независимую от кадра данной сети передачу и прием информации от ЦС другой сети в отдельной полосе частот, отличающейся от полосы частот радиообмена в данной сети, при помощи другого высокочастотного тракта и другой антенны. Временной кадр обмена между ЦС соседних сетей никак не привязан к временному кадру обмена между ЦС и соответствующими АС. Как следует из приведенного описания, для того чтобы получить канал связи, то есть интервалы для передачи, АС должны зарегистрироваться в сети. Для запросов регистрации в кадре выделен короткий интервал Т3, и только в этом интервале АС могут выходить в эфир по своей инициативе, передавая короткий пакет со своим идентификатором. Во всех остальных случаях АС выходят в эфир по запросу ЦС, в выделенных интервалах, не создавая взаимных помех. Если АС, передавшая пакет запроса регистрации, не получает ответа от ЦС в течение некоторого заданного интервала времени, она снова передает пакет запроса с некоторой случайной задержкой.

Оценка количественных характеристик процедуры регистрации проводилась с помощью имитационного моделирования в вычислительной среде MATLAB. Для построения моделей ЦС и АС использовались блоки, содержащиеся в библиотеках Simulink, StateFlow и SimEvents. Модель ЦС для исследования процедуры регистрации должна в соответствии с [2] выполнять следующие функции:

• прием пакета запроса регистрации от некоторой АС;

• запоминание идентификационного номера АС, от которой принят запрос регистрации;

• отправку АС, от которой принят запрос регистрации, пакета служебной информации (в реальной сети — это распределение АС временного служебного канала для передачи служебной информации о параметрах АС);

• прием служебной информации от АС, которой выделен временный канал;

• отправку АС пакета, подтверждающего регистрацию в сети;

• переход в режим ожидания пакетов регистрации от других АС.

Модель АС должна "уметь":

• передачу пакета запроса регистрации со своим идентификационным номером в случайные моменты времени;

• приём от ЦС пакета служебной информации и прекращение передачи пакетов запроса;

• передачу ЦС своей служебной информации в определенные моменты времени;

• приём от ЦС пакета подтверждения регистрации и переход в режим ожидания опроса.

Блоки из библиотеки SimEvents позволяют имитировать формирование пакетов информации в случайные или заданные моменты времени, присоединять к пакету служебные атрибуты, в том числе идентификатор АС, длина пакета (в бит), скорость передачи, адрес назначения и т.д., что позволяет описать свойства передаваемого пакета достаточно подробно. Блоки-серверы позволяют имитировать задержки при обработке пакетов. Управление режимами работы АС и ЦС осуществляют блоки состояний (Chart) из библиотеки StateFlow, в которых программируются диаграммы состояний АС или ЦС и проверки условий перехода из одного состояния в другое. Модели приемников АС и ЦС содержат блоки чтения атрибутов пакетов, которые позволяют выделять пакеты, адресованные определенным станциям, считывать служебную информацию, определяющую условия перехода станций из одного состояния в другое.

Для упрощения модели, которая должна содержать десятки ра-

ботающих станций, не моделировалась передача ЦС синхросигнала и установление синхронизации в АС. В большинстве случаев синхронизация осуществляется с помощью фазоманипулированного шумоподобного сигнала, передаваемого ЦС в начале каждого кадра. Подобная процедура хорошо изучена [4]. В представленной модели синхронизация обеспечивается заданием времени обработки пакетов в ЦС и АС равным или кратным длительности кадра. Поскольку МАТ1АВ отсчитывает все интервалы от момента запуска модели, то кратность длительности интервалов обеспечивает синхронность работы составляющих частей модели, а сбои синхронизации имитируются стираниями пакетов с заданной вероятностью. Ошибки в каналах связи имитируются "потерей" пакетов с заданной вероятностью во всех каналах модели. Кроме потери пакетов в каналах и столкновений пакетов запроса на общее время регистрации всех станций в сети влияет установка интервала, из которого датчики случайных чисел выбирают случайные задержки для разнесения во времени моментов отправки пакетов запроса регистрации от разных АС.

На рис. 2 показано семейство зависимостей времени регистрации от верхней границы интервала случайных чисел при различных количествах АС в сети. Как и следовало ожидать, при небольших значениях случайной задержки время регистрации всех станций сети возрастает, поскольку возрастает вероятность столкновений пакетов запроса регистрации. С ростом задержки время регистрации проходит некоторый минимум, зависящий от числа станций в сети; после чего все кривые начинают медленный подъем. Причем, значение верхней границы интервала случайных чисел, при котором достигается минимум времени регистрации в сети из ЦС + 20 АС, очень далеко от оптимума для сети из ЦС + 29 АС. Ход кривых показывает, что предпочтительнее выбирать максимум интервала для датчика случайных чисел (максимум случайной задержки пакетов регистрации) по графику для наибольшего возможного числа станций в сети. Тогда и в остальных случаях процедура регистрации будет занимать небольшой интервал времени (единицы секунд).

Процедура опроса АС. Как отмечалось выше, после прохождения процедуры регистрации АС переводятся в режим ожидания опроса, т.е. ожидания прихода специального пакета опроса от ЦС. В

МАХ ДСЧ

Рис. 2. Зависимость времени регистрации от верхней границы интервала случайных чисел при 20 ? 29 АС в сети. Числа на графике показывают количество АС в сети

этом пакете ЦС выделяет каждой зарегистрированной АС служебный канал для передачи очереди пакетов, если таковая сформировалась к моменту опроса в АС. В процессе регистрации в ЦС формируется список зарегистрированных АС. В соответствии с этим списком ЦС направляет АС пакеты опроса. В данной модели ЦС может отправлять в кадре только один пакет опроса, поэтому время проведения процедуры опроса не соответствует реальному. Моделирование показывает, что при вероятности потери пакета в канале порядка 10-4 процедура опроса выполняется устойчиво.

Моделирование доставки пакетов информации между абонентами сети. Для эксперимента по доставке пакетов между абонентами модель АС должна выполнять функции:

• формировать пакеты с заданной задержкой относительно начала кадра, при этом пакет должен содержать необходимые служебные сведения (адрес назначения, идентификатор АС-отправителя, время отправления пакета и др.);

• выделять из входного потока "свои" пакеты;

• считывать время отправления пакета из АС-отправителя;

• фиксировать время прихода пакета в АС-назначения;

• считывать порядковый номер пакета и определять пропуски пакетов.

Модель ЦС для эксперимента по доставке пакетов между абонентами сети также может быть упрощена, поскольку в этом случае ЦС только переизлучает входные пакеты в соответствии с временным разделением каналов. Как и в предыдущих случаях, во всех каналах производятся стирания пакетов с заданной вероятностью. В ходе эксперимента все АС статически разбивались на пары для взаимной работы (до 14 пар). При этом подсчитывалось общее число пакетов, отправленных всеми АС, и суммировались числа принятых и пропущенных пакетов во всех АС.

Унифицированная радиостанция "Восход", которая взята за прототип модели, представляет собой два независимых приемо-пе-редающих модуля, объединенных общей системой управления, коммутации и сопряжения с оконечным оборудованием данных, поэтому на базе таких станций можно создавать сложные иерархические сети, содержащие несколько изолированных сегментов. Каждый сегмент представляет собой сеть типа "звезда", а обмен между сегментами производится через станции (АС или ЦС) на частоте, отличающейся от рабочих частот сегментов. В такой сети пакет может доставляться получателю, проходя несколько ЦС.

Доставка пакетов в сети, составленной из нескольких сегментов моделировалась с использованием временного разделения каналов между сегментами, а не частотного, как это осуществляется в реальной аппаратуре. В этом случае модель сети не является адекватной по пропускной способности, но условия по взаимным помехам оказываются хуже, чем в реальности, и могут рассматриваться как оценка худшего случая.

На рис. 5 показаны результаты моделирования доставки пакетов в сетях из одного, двух и трех сегментов. Кривая 1 представляет вероятности пропуска при доставке пакетов внутри одного сегмента сети, в зависимости от вероятности ошибки в каналах. 14 пар АС обмениваются пакетами, как показано на рис. 3. Кривая 2 представляет вероятности пропуска при доставке пакетов в сети из двух сегментов (рис. 4), причем в каждом из сегментов 14 пар АС обмениваются пакетами внутри своих сегментов, а 29-е станции работают в дуплексном режиме через две ЦС. Кривая 3 также представляет вероятности пропуска при доставке пакетов в сети из двух сегментов, но в этом случае образовано 29 дуплексных каналов связи между двумя сегментами, т.е. все пакеты проходят через цепочку из двух ЦС. Кривая 4 представляет вероятности пропуска при доставке пакетов в сети из трех сегментов.

Поскольку радиостанции проектировались применительно к каналам с вероятностью ошибки 10-4, то проведенное моделирование позволяет сделать вывод, что число переизлучений пакетов практически не влияет на вероятность доставки пакетов (все кривые пересекаются в окрестности данного значения).

Рис. 5. Вероятность пропуска пакетов при доставке: 1 — в сети из одного сегмента ЦС+28 АС; 2 — в сети из двух сегментов ЦС+29 АС каждый, одна линия обмена между сегментами; 3 — в сети из двух сегментов ЦС+29 АС каждый, 29 линий обмена между сегментами; 4 — в сети из трех сегментов ЦС + 29 АС каждый

IP AS* JOlxl

File $ew SjrmJation Format look Help

D P <=• f Q i ► ■ |ioo |Nomui 3 Sal' 1 ф Ц E IE +

Pjfrg

Pulse

Generitor

<5>-

N =0°

Single Server

A1

A2

IM Hj A3

A4

OUT

0_AD0R 5

.OBIT pv RECJ

P_MUM 1—I

REC 2

REG

J

Subsystem

IN 0

Pickets tor AS 1

«У>°

^Pu

IN I I OUT о

Set Attiibute 1

i

IN nJ out

*

-—- IN H|uul

Single ServeC

Picket Oenerjtor 2 Set Attiibute 2

=0°

Single Serve(3

h!

Set Attribute 4

С

P

1

INI • •оит

*\L

IN2

IN ^Q0UT — IN ^ *0UT2

Output S**tch

=0

Single Served

ll

Input Switch

Single Servert

Ш

Ready

1100%

ode45

Рис. 6. Пример имитационной модели абонентской станции в среде МАТ1АВ

Кроме того, все описанные процедуры относятся к физическому, и частично канальному, уровням модели взаимодействия открытых систем (ВОС). Повторные передачи пакетов в [2] предполагается осуществлять под управлением более высоких уровней модели ВОС, поэтому окончательные значения вероятностей доставки пакетов должны быть существенно лучше.

Проведенное моделирование, конечно, не охватывает всех пунктов способа распределения временных интервалов в сетевых каналах радиосвязи, заявленных в [2], тем не менее, оно позволяет сделать вывод о работоспособности предложенных алгоритмов установления рабочего режима сети и приемлемой вероятности доставки пакетов.

Литература

1. Постников СА Протоколы канального и сетевого уровня для распределенной опорной сети с временным разделением каналов//ТТР — 2008.

2. Способ распределения временных интервалов в сетевых каналах радиосвязи//Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2007126194/09 от 09.07.2007г.

3. Олифер ВТ., Олифер НА Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. — СПб: Питер, 2001. — 672 с.

4. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. — М.: Радио и связь, 1985. — 384 с.