CC BY
15С.М. Одоевский
Доктор технических наук, профессор,
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С. М. Буденного
Д. В. Салюк
Кандидат технических наук, доцент, ПАО «Интелтех»
В. В. Степаненко
Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С. М. Буденного
ОБОБЩЕННАЯ ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНФОКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ ПОДВОДНОЙ СВЯЗИ
АННОТАЦИЯ. Рассматривается обобщенная топологическая модель инфокоммуникационной сети подводной связи, основанная на современных принципах построения и моделирования наземных ин-фокоммуникационных сетей, но с учетом специфики физической среды распространения сигналов под водой, а также особенностей размещения и перемещения объектов специализированной информационной системы управления подводными аппаратами.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: инфокоммуникационная сеть, сетевой элемент, подводная связь, автономный необитаемый подводный аппарат, топология сети.
Под моделированием некоторых исследуемых систем обычно понимается их имитация другими, как правило, более простыми системами, обладающими частью аналогичных свойств, существенными с точки зрения целей исследования. Конечной целью исследования данной статьи является получение количественных оценок для обоснования предложений по созданию инфокоммуникационной сети подводной связи (ИКС ПС). Учитывая большую сложность рассматриваемого объекта моделирования ограничимся его имитацией с помощью обобщенной математической модели, отражающей основные функциональные зависимости между наиболее существенными внутренними и внешними функциональными характеристиками (ФХ).
К внутренним ФХ будем относить конкретные сетевые технологии (технологии построения сети), определяющие правила, по которым работает сеть в течение заданного (внешней системой управления) времени, расходуя со-
ответствующие данным технологиям ресурсы и выполняя текущие требования пользователей (абонентов) по связи в определенных (как правило, мешающих) условиях воздействия внешней среды.
К внешним ФХ будем относить показатели качества предоставляемых телекоммуникационных услуг для некоторой внешней информационной системы управления (ИСУ) подводными аппаратами, а также параметры внешних условий и потребляемых ресурсов.
Взаимосвязь соответствующих внешних и внутренних функциональных характеристик моделируемой ИКС ПС можно образно представить в виде символической треугольной модели (рис. 1) [1].
В роли внутренних анализируемых (оптимизируемых) ФХ ИКС ПС, отражающих, используемые (рекомендуемые) сетевые технологии, можно выделить характеристики функциональной архитектуры и физической структуры рассматриваемой сети.
Главная обобщенная задача системы связи: безыскаженная доставка заданного вида и объема информации в заданное время между заданными точками пространства
Рис. 1. Обобщенное функциональное представление ИКС ПС
Составной частью предлагаемой модели ИКС ПС является ее функциональная архитектура, соответствующая архитектуре современных наземных ИКС, но с отличительными особенностями верхнего прикладного уровня, взаимодействующего с прикладными процессами в объектах ИСУ, а также нижнего физического уровня, взаимодействующего с физической средой (физическими каналами) подводной связи.
Полноценная обобщенная модель сети, чувствительная к основным управляемым внутренним функциональным характеристикам сети, представляющей собой совокупность взаимосвязанных узлов и линий, должна включать как минимум три модели:
топологическую модель (характеризующую пространственную структуру сети),
энергетическую модель (отражающую характеристики линий между узлами сети),
маршрутную модель (отражающую характеристики узлов коммутации/ретрансляции и многоинтервальных линий).
В настоящей статье основное внимание уделяется предлагаемой топологической модели, а на другие две (известные) модели приводятся ссылки (в библиографии).
Учитывая сходство сетей информационного обмена между, например, автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА) отдельных групп, с одной стороны, и отдельных наземных беспроводных локальных сетей, с другой стороны, а также сходство сети, связывающей АНПА нескольких групп друг с другом, с удаленными «носителями» (подво-
дными лодками — ПЛ, надводными кораблями — НК) и с береговыми объектами связи (БОС), с одной стороны, и транспортной сетью (или транспортной составляющей сети доступа), связывающей множество локальных сетей между собой, с другой стороны, в качестве топологической модели физической структуры ИКС ПС можно использовать обобщенную топологическую модель многоступенчатой сети беспроводного абонентского доступа (СБАД), описанную в [2].
Топология современных СБАД в общем случае описывается довольно сложной структурой, в которой можно выделить несколько вложенных уровней, звеньев или ступеней, выполняющих различные (взаимно дополняющие или дублирующие) функции доступа сетевых элементов друг к другу и транспортировки (передачи) информации как напрямую, так и через промежуточные сетевые элементы, причем как по отдельным, так и по множеству маршрутов как для резервирования (с целью повышения надежности) так и для увеличения пропускной способности (скорости передачи).
Будем считать, что все вопросы согласования протоколов взаимодействия отдельных сетевых элементов и подсетей ИКС ПС (как и обычных СБАД) решаются (или могут быть решены) на каждой ступени (уровне) стандартными аппаратно-программными способами, соответствующими используемым технологиям, и в рассматриваемой модели не затрагиваются.
Основное же внимание будем уделять физической реализуемости соединений сетевых
элементов ИКС ПС по физическим каналам с ограниченной пропускной способностью, зависящей от оптимизируемого пространственного расположения данных элементов и источников помех, а также от общих частотно-энергетических ресурсов, распределяемых в соответствии с оптимизируемыми технологиями каналообразования и коммутации на основании текущих потребностей информационного обмена между объектами ИСУ.
Обобщая вышесказанное, предлагается следующее формализованное представление топологической модели многоступенчатой ИКС ПС (рис. 2).
Вся сеть состоит из некоторого множества сетевых элементов КЕг, 1= 1, ..., N
Каждый сетевой элемент может принадлежать к одному из следующих трех типов сетевых элементов:
Оконечные N£0 — абонентские ^Еоа) или пограничные ^Еоп) сетевые устройства (на границе зоны ответственности ИКС ПС), являющиеся источниками и потребителями полезной трафиковой нагрузки.
Узловые NEn — промежуточные сетевые устройства, которые могут не только коммутировать и ретранслировать информационный трафик, но и добавлять служебную нагрузку.
О МЕ оа - оконечный абонентский сетевой элемент МЕ оп - оконечный пограничный сетевой элемент
МЕ^а- транзитно-оконечный абонентский сетевой элемент МЕ^- транзитнооконечный пограничный сетевой элемент
МЕ и - узловой сетевой элемент
Рис. 2. Графическое представление топологической модели многоступенчатой ИКС ПС
Рис. 3. Вариант графического представления топологической модели многоступенчатой
ИКС ПС ИСУ группами АНПА
Транзитно-оконечные — абонентские
^Е,оа) или пограничные (NEt0П) сетевые устройства, которые могут генерировать трафик и одновременно выполнять функции узловых устройств.
Каждый из сетевых элементов КЕг- поддерживает N¡1 > 0 интерфейсных технологий ТН; ¡, 1= 1, ..., N¡1, взаимодействия с другими сетевыми элементами из множества всех N технологий ТНг, I = 1, ..., N которые используются в ИКС ПС.
Будем полагать, что каждой различимой технологии ТНг, 1=1, ..., N взаимодействия сетевых элементов соответствует свой уровень физической архитектуры многоступенчатой ИКС ПС.
В общем случае отдельные технологии взаимодействия могут быть специализированными для разных пар типов устройств. Например, технологии взаимодействия оконечных сетевых элементов между собой (как и узловых — между собой), как правило, существенно отличаются от технологий взаимодействия оконечных и узловых сетевых элементов. В других случаях отличия технологий взаимодействия могут быть менее принципиальными, что позволяет
считать их одинаковыми даже при взаимодействии сетевых элементов разного типа (см. на рис. 2 условные номера технологий в скобках).
Сплошными линиями с номерами 1, 2, 3 на рис. 2 отмечены технологии взаимодействия элементов типовой трехступенчатой ИКС ПС, обеспечивающей доступ всех абонентских устройств через узловые элементы (базовые станции) друг к другу и к пограничному устройству на границе транспортной сети.
Пунктирными линиями с номерами 4, 5 обозначены альтернативные технологии взаимодействия элементов двухступенчатой ИКС ПС, обеспечивающей доступ абонентских устройств друг к другу и к пограничному устройству напрямую или транзитом без использования базовых станций.
Штрихпункгирными линиями с номерами 6,7,8 обозначены дополнительные технологии взаимодействия элементов многоступенчатой ИКС ПС, позволяющие резервировать или повышать пропускную способность отдельных участков сети.
Совпадение хотя бы одной пары поддерживаемых технологий взаимодействия: 3, I, к ТН,г = Щк, I = 1, ..., Ми, к = 1, ..., Щ, у двух
разных сетевых элементов КЕг-и г г, 7 = 1, ..., является основным логическим признаком потенциальной возможности соединения их между собой для взаимодействия и передачи информации.
На рис. 3 приведен другой вариант представления топологической модели многоступенчатой ИКС ПС (изображенной на рис. 2) в подводном пространстве, в переделах которого находятся объектовые (локальные) сети АНПА отдельных групп и сеть (абонентского) доступа АНПАквнешнейтранспортнойсети, элементы которой находятся на Земле, над водой и в воздушном (а также околоземном) пространстве, а пограничные элементы, соответственно, находятся на границах раздела подводной и воздушной сред, а также подводной и наземной (вт.ч., придонной) сред. Нумерация линий (1...^= 8) на данном рисунке соответствует нумерации типовых технологий взаимодействия элементов многоступенчатой ИКС ПС на рис. 2, расшифровка которых была приведена выше.
Для обеспечения беспроводной связи между объектами ИКС ПС должны выполняться условия энергетической доступности (между теми сетевыми элементами, между которыми должен быть обеспечен информационный обмен) и энергетической недоступности или совместимости (между теми сетевыми элементами, которые не должны мешать друг другу
и между которыми не должно быть информационного обмена). К последнему условию для ИКС ПС специального назначения можно также свести условия выполнения требований к помехозащищенности и разведзащищенности сетевых элементов по отношению к источникам преднамеренных помех и разведывательным приемникам противника.
Для контроля, учета и оценки указанных выше условий энергетической доступности и/ или совместимости необходимо иметь соответствующую энергетическую модель линий подводной связи. Поскольку в качестве физических каналов связи с АНПА в настоящее время используются в основном гидроакустические каналы, то в качестве энергетической модели можно использовать соответствующую модель, описанную, например, в[3]
Как следует из описанной выше топологической модели ИКС ПС, лишь в редких случаях для обмена информацией между объектами ИСУ группами АНПА будет достаточно одноинтер-вальных линий (маршрутов) без ретрансляций, для оценки качества связи в которых можно ограничиться использованием только энергетической модели. В общем случае для оценки качества связи в многоинтервальных линиях необходимо иметь еще и маршрутную модель ИКС ПС. Примером подобной маршрутной модели может служить модель, описанная в [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Новые информационные и сетевые технологии в системах управления военного назначения. Часть 1. Новые сетевые технологии в системах военного назначения / Под ред. С. М. Одоевского. — СПб.: ВАС, 2010.— 432с.
2. Одоевский С. М., Калюка В. И. Адаптивно-игровое моделирование военных сетей беспроводного абонентского доступа / Под. ред. д-ра техн. наук, проф. А. М. Чуднова. — СПб.: Изд-во Политехи, унта, 2017,- 342с.
3. МакаровА. И., Дворников В. Д., КонопелькоВ. К.
Передача информации в гидроакустическом канале // Сборник докладов БГУИР. — Минск: БГУИР, 2004.— № 2. — С. 103-118.
4. Абаренов С. П., Арсентьев В. Г., Криволапое Г.И.
Овыборечастотныхипространственныхпараметров гидроакустических информационно-управляющих сетей на основе обобщенных энергетических показателей // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. — Новосибирск: СибГУТИ, 2014. - Т. 7,- № 2. - С. 27-35.
