CC BY
7А.А. Ковальский С.Х. Зиннуров
Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского
ОПЕРАТИВНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИОРЕСУРСА СПУТНИКА-РЕТРАНСЛЯТОРА
ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ВХОДНОМ ПОТОКЕ СООБЩЕНИЙ
АННОТАЦИЯ. В статье сформулированы задачи оперативного распределения (резервирования) радиоресурса спутника-ретранслятора в виде задачи нелинейного программирования и приведен пример ее решения при обслуживании нестационарного потока сообщений, формируемого группой речевых абонентов. В качестве модели нестационарного потока сообщений, формируемого речевыми абонентами с учетом подавления сигнала в паузах, использован модулированный марковский процесс и его частный случай — прерываемый пуассоновский процесс.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: спутник-ретранслятор, радиоресурс, земная станция, прерываемый пуассоновский поток, модулированный марковский процесс, нелинейное программирование, речевой трафик.
Необходимость применения систем спутниковой связи (ССС) при организации доступа к современным инфокоммуникационным услугам особенно отчетливо ощущается абонентами, находящимися в труднодоступных и удаленных регионах России. Обширность обслуживаемых территорий с большой абонентской базой и принципиальная ограниченность частотно-энергетического ресурса (далее — радиоресурса) спутников-ретрансляторов (СР) обусловливают особую актуальность задачи динамического перераспределения радиоресурса СР между активными и пассивными направлениями связи. Основным фактором, осложняющим решение этой задачи, являются высокие задержки распространения сигналов в спутниковых радиолиниях и, соответственно, запаздывание в управлении [1, 2]. Поэтому традиционно при распределении радиоресурса операторы связи ориентируются на пиковую нагрузку для каждого радионаправления (рис. 1, а) с тем, чтобы обеспечить требуемое качество обслуживания даже в часы наибольшей нагрузки. В работе предлагается альтернативный подход к распределению ресурса, в основе которого лежит оперативный маневр свободными ресурсами между более и менее загруженными радионаправлени-
ями Достигаемый в результате статистического уплотнения [3] эффект экономии пропускной способности АС (рис. 1, б) по сути составляет выигрыш в пропускной способности СР.
Для компенсации запаздывания в управлении текущий ресурс, закрепляемый за конкретной земной станцией (ЗС), выделяется с некоторым запасом (резервом), который способен на некоторое время обеспечить требуемое качество обслуживания при внезапном повышении интенсивности нагрузки. Очевидно, величина этого резерва определяется запаздыванием управления и динамикой изменения интенсивности нагрузки: чем выше эти показатели, тем больше должен быть запас. И, соответственно, чем выше резерв, тем меньше ожидаемый выигрыш в пропускной способности за счет оперативного резервирования. Собственно, обоснование рациональной величины резервируемого радиоресурса для каждого направления связи и составляет предмет исследования в данной работе.
В дальнейшем в работе под радиоресурсом СР понимается некоторое число стандартных цифровых каналов, либо некоторое число частотно-временных слотов, подобных ресурсным единицам в стандарте LTE [4], которые
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 2 (142). 2018
a)
, С, бит/с
3 абонент
2 абонент
I абонент
Рис. 1. Вариант «жесткого» (а) и «гибкого» (б) распределения радиоресурса
распределяются между множеством ЗС неким диспетчером (протоколом МД или ЦС) [4].
Дополнительным аргументом в пользу применения динамического перераспределения радиоресурса в спутниковой связи, несмотря на высокие задержки в управлении, является неоднородная и, как следствие, нестационарная с долговременной зависимостью структура трафика, формируемого новыми и вновь появляющимися мультимедийными службами [5, 6].
Рис. 2. Граф модели прерываемого пуассоновского процесса
Однако учет такой долговременной зависимости, так называемого эффекта «самоподобия» трафика, не позволяет воспользоваться классическим математическим аппаратом теории телетрафика на основе формул А. Эрланга при обосновании рационального резерва для радионаправлений и требует использования более сложных моделей для «самоподобного» трафика, например, на основе модулированных марковских процессов [7, 8]. Частным случаем модулированных марковских процессов является прерываемый пуассоновский процесс (ППП),
который хорошо подходит для моделирования отдельного телефонного источника в режиме подавления пауз. Граф модели прерываемого пуассоновского процесса представлен на рис. 2.
Состояние «OFF» марковской цепи на рис. 2, например, соответствует паузе в процессе телефонного разговора, а состояние «ON» соответствует периоду активности. В течение периода активности предполагается, что источник генерирует пуассоновский поток сообщений (пакетов, переносящих фрагменты оцифрованной речи) с некоторой интенсивностью X.
Модель процесса обслуживания одного абонента в логическом канале c подавлением передачи в паузах при ограниченной емкости буфера R = N— 1 в виде двумерной цепи Маркова представлена на рис. 3.
Состояния марковской цепи на рис. 3 характеризуются парой чисел (i, j), где переменная i отражает состояние источника: i = 0 соответствует состоянию «OFF» (абонент молчит), i = 1 соответствует состоянию «ON» (абонент говорит); переменная j = 0, N отражает число речевых пакетов, одновременно находящихся в канале обслуживания и в буфере.
Процесс динамического резервирования радиоресурса рассмотрим на примере одного радионаправления. Радиоресурс выделяется ЗС в зависимости от текущей активности абонента, но с некоторым запасом (резервом) для компенсации
Рис. 3. Двумерная цепь Маркова с прерываемым источником
задержки в управлении. Управление заключается в подключении дополнительного канала (ресурса) при возрастании активности абонента и возникновении угрозы снижения качества связи ниже нормы (например, возрастания задержки, переполнения буфера и т. п.). Учитывая высокий процент (>60 %) пауз в процессе телефонного разговора [1, 5, 8] и использование пакетной формы
передачи речи в режиме подавления пауз, следует ожидать, что удастся существенно сократить величину выделяемого ЗС ресурса и, соответственно, повысить емкость радиосети в целом. Дополнительно следует учесть некоторую смысловую избыточность речи, которая допускает до 1—5 % потерь от общего числа речевых пакетов без снижения качества диалога [1, 5, 8].
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. N 2. P. 170-186.
3. Chandra K. Statistical Multiplexing // The Wiley Encyclopedia of Telecommunicates. — John Wiley & Sons Publication, 2002. Vol. 5. P. 2420-2432.
4. Cox C. An Introduction to LTE: LTE, LTE-Ad-vanced, SAE and 4G Mobile Communications. — John Wiky & Sons Ltd, 2012. — 337 p.
5. Коган А.В. IP-телефония: оценка качества речи // Технологии и средства связи. 2001. № 1. С. 78-84.
6. Петров В.В. Структура телетрафика и алгоритм обеспечения качества обслуживания при влиянии эффекта самоподобия: дис. ... канд. техн. наук / МЭИ (ТУ). — М., 2004. — 199 с.
7. Michiel H., Laevens K. Teletraffic Engineering in a Broad-Band Era // Proc. IEEE. 1997. Vol. 85. N 12. P. 2007-2033.
8. Шелухин О.И., Лукьянцев Н.Ф. Цифровая обработка речи. — М.: Радио и связь, 2000. — 256 с.
