CC BY
276
ОПЕРАТИВНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В ИЕРАРХИЧЕСКОЙ РАДИОСЕТИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ПРОТОКОЛОМ ТИПА Х.25
Цимбал
Владимир Анатольевич,
д.т.н., профессор, профессор кафедры автоматизированных систем управления филиала Военной академии РВСН имени Петра Великого, г. Серпухов, Россия, [email protected]
Тоискин
Василий Евгеньевич,
к.т.н., преподаватель кафедры автоматизированных систем управления филиала Военной академии РВСН имени Петра Великого, г. Серпухов, Россия, [email protected]
Сандулов
Николай Васильевич,
к.т.н., заместитель генерального директора Московского Ордена Трудового красного знамени научно-исследовательского радиотехнического института, г. Москва, Россия, [email protected]
Хоптар
Виталий Владимирович,
начальник ВП МО РФ АО НПП «Полёт», г. Нижний Новгород, Россия, [email protected]
?
О л л С
Ключевые слова:
иерархическая радиосеть; соединение типа «точка-многоточка»; конечная марковская цепь; вероятностно-временные характеристики; информационный обмен.
Предметом исследования является своевременность доставки циркулярных сообщений в сети автоматизированной системы управления военного назначения. Целью исследования является разработка научно-методического аппарата для получения количественных значений своевременности. Показано, что процесс информационного обмена в иерархической радиосети автоматизированной системы управления военного назначения с протоколом типа Х.25 при доведении «сверху-вниз» циркулярных сообщений является случайным и может быть описан конечной марковской цепью. Доказано, что для произвольного кластера соединения «точка-многоточка» можно синтезировать конечную марковскую цепь по выявленным правилам, инвариантным к системным параметрам соединения. Постулируется, что качество информационного обмена в сети может быть оценено временными и вероятностно-временными характеристиками доведения сообщений. Для нахождения указанных характеристик используется модификация известного в теории конечной марковской цепи уравнения Колмогорова-Чепмена, которая учитывает разную длину шагов перехода исследуемого процесса информационного обмена из состояния в состояние. Теоретическая значимость исследования заключается во введении в теорию конечной марковской цепи понятия «параллельная конечная марковская цепь», позволяющая описывать параллельно проистекающие вероятностные процессы на разных уровнях иерархии сети. На основе выше указанного научно-методического аппарата синтезирована математическая модель информационного обмена по протоколу типа Х.25 для конкретного кластера соединения сети вида «точка-многоточка». Практическая значимость исследования заключается в нахождении с использованием полученной математической модели временных и вероятностно-временных характеристик процесса доведения сообщений в сети с протоколом Х.25 при исходных данных имеющих место в реальных системах передачи данных. Кроме того, определяется среднее количество радиопередатчиков, работающих в эфире на длительности процесса доведения сообщений в иерархической сети «сверху-вниз», что позволяет исследовать в дальнейшем вопросы скрытности процесса информационного обмена в сетях автоматизированной системы управления военного назначения. Показано, что используемый научно-методический аппарат применим для исследования процессов информационного обмена в сетях автоматизированной системы управления военного назначения с любым числом уровней иерархии и произвольной нормой управляемости на каждом из уровней.
Протокол канального уровня Х.25 (HDLC) является базовым для многих протоколов доведения сообщений в различных сетях передачи данных (СПД), каналы связи в которых имеют невысокое качество по вероятности ошибки (10-2 и менее) и малую пропускную способность (единицы - десятки кбит/с). Последнее обуславливает востребованость данного протокола в радиосетях иерархических автоматизированной системы управления (АСУ) военного назначения (ВН). Типовая структура иерархической АСУ ВН представлена на
Рис. 1. Типовая структура иерархической АСУ ВН рис. 1.
Спецификой информационного обмена в рассматриваемой АСУ ВН является то, что в ней доводятся «сверху-вниз» и «снизу-вверх» как формализованные, так и неформализованные сообщения. Наиболее сложным вариантом информационного обмена является доведение циркулярного сообщения «сверху-вниз». Согласно протоколу Х.25 верхнее по иерархии звено управления (ЗУ) реализует доставку передаваемого циркулярного сообщения в соединении «точка-много-точка» путем его многократной передачи с получением от нижних ЗУ квитанций. Передача верхним ЗУ прекращается при получении квитанции от всех ЗУ в указанном соединении (успех доведения). При исчерпании всех повторов передачи и неуспехе доведения сообщения до одного (или нескольких) абонентов ЗУ выдает в систему управления сетью сигнал «Отказ соответствующего канала». Нижнее ЗУ, получив сообщение, инициирует информационный обмен подобным же образом со своими абонентами. Последние, получив сообщение, в свою очередь инициируют информационный обмен подобным же образом уже со своими абонентами.
Таким образом, в рассматриваемой иерархической радиосети на разных уровнях иерархии одновременно проистекают однотипные процессы доставки одинаковых сообщений. Описание общего процесса доведения предлагается реализовать на базе так называемых «параллельных конечных марковских цепей», предложенных и описанных в [1-5]. Для начала опишем процесс доведения сообщений в типовом варианте соединения «точка-многоточка» (в типовой подсети рассматриваемой иерархической радиосети), структурная схема которой представлена на рис. 2.
Она включает три нижние абонентские станции (АС) и одну верхнюю станцию (В), соединенные ра-диально дуплексными однородными по вероятности
Рис. 2. Структурная схема типовой подсети рассматриваемой иерархической радиосети
ошибки каналами связи. Процесс доведения сообщений происходит в дискретные моменты времени, вызванные передачей сообщения и квитанции, и имеет конечное число состояний. Именно поэтому его удобно представлять в виде поглощающей конечной марковской цепи (ПКМЦ) [1]. Направленный граф переходов ПКМЦ для указанного варианта СПД представлен на рис. 3. Граф включает следующие состояния. Б0 - В выдала повтор сообщения;
Б1 - какая-либо одна из АС-получателей из трех возможных (АС1 или АС2, или АС3) приняла повтор сообщения и выдала квитанцию;
Б2 - В от одной АС-получателя квитанцию получила;
Б3 - вторая из двух оставшихся АС-получателей приняла
повтор сообщения и выдала квитанцию;
Б4 - В квитанции от двух АС-получателей приняла;
Б5 - третья АС-получатель приняла повтор сообщения
и выдала квитанцию;
Б6 - одновременно любые две из трех АС-получателей приняли повтор сообщения и выдали квитанции; Б? - обе оставшиеся АС-получатели приняли сообщение и выдали квитанцию;
Б8 - все три АС-получатели приняли сообщение и выдали квитанции;
Б9 - один из оставшихся получателей сообщение не получил;
Б10 - ни один из двух получателей сообщение не получил; Б11 - ни один из трех получателей сообщение не получил; Б12 - квитанции от всех АС-получателей приняты.
Матрица переходных вероятностей для данного варианта сети имеет вид:
0 А, 0 0 0 0 А 0 Ai 0 0 An 0 1
рш 0 Ра 0 0 Й Û 0 0 0 Û Û 0
0 0 0 Ai 0 0 Pli 0 0 Pl M 0 0
0 0 Ра 0 Рзч 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 Pis 0 0 0 р« 0 D 0
0 0 0 0 Ря 0 0 0 0 0 0 0 Pi 1!
р# 0 0 0 р« 0 0 0 0 0 0 Û 0
0 0 Pli 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Pin
л. 0 Р,1 0 Pu 0 0 0 0 0 0 0 Pi 11
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 G 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 j
(1)
В силу независимости процесса доведения сообщений для любой из N АС переходные вероятности матрицы (1) находятся по биномиальному закону. Конкретные выражения для указанных вероятностей приведены в [1].
Рис. 3. Граф переходов ПКМЦ
Номера состояний графа и их взаимосвязи отображаются переходными вероятностями, а последние, в свою очередь, определяются своими индексами. Исходя из изложенного, задача нахождения (синтеза) элементов матрицы переходных вероятностей выливается в задачу нахождения соответствующих им индексов. Введем параметры I и ) и выразим через них текущие номера состояний к графа переходов. Параметр ) показывает номер ряда, в котором находится состояние Бк и равен 0 < ) < N а параметр { пробегает все значения от 0 до (М-)). Тогда алгоритм такого синтеза следующий.
Пусть N - число абонентов сети передачи данных, тогда:
I. Изменяем I от 0 до М-),) от 2 до N и по ниже приведенным правилам П1-П5 вычисляем ненулевые элементы первых 2М строк матрицы переходных вероятностей. Остальные элементы этих строк равны 0.
(2)
где z = -
i,2N*{2N
N2 + 5 N — 2
2
■ — i
(3)
Пб:
при
117
" 2 <j<N ' 0 <l<j 0 <i<N-j
L*N-j
'J
PlN-t{2N~j+i\j-2)l2-при 2<j<N,l = j,
¡.{N*5N)!2 Pi
(4)
ПКМЦ базируются на следующих определениях [1].
Определение 1. Параллельной КМЦ называется множество КМЦ, находящихся в иерархической зависимости друг от друга и проистекающих параллельно (одновременно).
Определение 2. Иерархическими КМЦ называется множество упорядоченных КМЦ, при этом признаком упорядочения является инициализация одной КМЦ другой.
Определение 3. Первая частная КМЦ, инициализирующая какие-либо другие частные КМЦ, называется материнской. Остальные КМЦ называются дочерними.
Определение 4. Материнским называется граф, отображающий материнскую КМЦ. Дочерним называется граф, отображающий дочернюю КМЦ. Материнский граф располагается горизонтально, а дочерние как вертикально так и горизонтально.
Определение 5. Графы, располагающиеся горизонтально, называются ярусами.
Определение 6. Графы, располагающиеся вертикально, называются уровнями.
Нас интересуют ВВХ передачи сообщений по всей информационной сети. Их можно найти на основе известного в теории КМЦ уравнения Колмогорова-Чепме-на (УКЧ) с некоторой модификацией. УКЧ записывается следующим образом. Если КМЦ имеет п состояний, то распределение вероятностей состояний на ¿-ом шаге находится так [1-5]:
р со = р Ö-J P
Г(и) г(и) г[п,п]
(5)
где P[n n] _ матрица переходных вероятностей МПВ, P®
II. Изменяем ) от 2 до N I от 0 до ), { от 0 до N-3 и по правилам П6,П7 вычисляем ненулевые элементы следующих строк матрицы переходных вероятностей. Остальные элементы этих строк равны нулю.
III. Изменяем i от 0 до N-1 и находим номера строк и столбцов матрицы переходных вероятностей, на пересечении которых стоят 1, т.е. pz _ =1. А остальные элементы предпоследних N строк матрицы (1) равны 0.
IV. Ненулевой элемент последней строки матрицы с номером (N2+ 5N)/2) стоит в последнем столбце с таким же номером равен 1. Остальные элементы последней строки равны 0.
иР(п>- вектор-строка вероятностей состояний на 1-ом и (¿-1) шагах процесса соответственно.
Как материнские, так и все дочерние графы рассчитываются по уравнению (1), однако их взаимосвязь учитывается по следующему правилу.
Правило 1. Результат решения УКЧ в дочернем графе на текущем шаге умножается на вероятность состояния, из которого он выходит на этом же шаге [1].
Правило 2. Общее время процесса, описываемого ПКМЦ (число шагов), отсчитывается от первого шага материнского графа до последнего шага последнего дочернего графа [1].
Одним из достоинств ПКМЦ является их возможность описывать процесс передачи в сети не только «сверху-вниз», но и по рокадным связям. При этом в дочерних ПКМЦ добавляется количество состояний по числу рокадных связей.
Помимо ВВХ разработчика интересует динамика доставки сообщений до абонентов нижнего уровня иерархии. Показателем такой динамики может быть среднее число абонентов и СКО числа абонентов получивших сообщение в произвольный момент времени.
Данные величины рассчитываются по следующим формулам [1, 2]:
M [ A] = £ i- P
(6)
ct, = 4d[Â] = л t (i - M[ A])2 • P
(7)
i=0
где { - количество абонентов получивших сообщение; N -норма управляемости; Р. - вероятность данного события.
Таким образом, представлен подход к математическому моделированию процесса доведения сообщений в иерархической радиосети АСУ ВН на базе теории ПКМЦ. Основываясь на данном подходе, произведем расчет характеристик информационного обмена в иерархической радиосети АСУ ВН при следующих исходных данных: Ь = 120 бит; Ь = 56 бит; рп= {10-2; 5-10-3;
3 4 п кв 0
10-; 5^10-}; N = 48; К - коэффициент готовности
' ' повторов ' гот т т ^
каналов связи; N1 = 3 - норма управляемости первого уровня иерархии; N2 = 3 - норма управляемости второго уровня иерархии; 3 - норма управляемости третьего уровня иерархии; Р = 0,999; V = 1200 бит/с.
Для начала найдем вероятность доведения сообщения за один повтор, вероятность недоведения, вероятность доведения квитанции и вероятность ее недоведения по формулам (8)-(11).
Рп = а- Ро)>
q = 1- p ,
~П Г п'
Ркв = (1- Ро)1кВ'
q = 1- p .
кВ кВ
(8) (9)
(10)
(11)
Из технических требований на АСУ ВН следует, что она устойчиво работает при вероятности ошибки в канале связи, не превышающей 10-2. Реально в каналах УКВ диапазона р0 не может быть меньше. Поэтому исследование искомых характеристик проведено для значения р0 в пределах 10-2-10ч.
Найденные вероятностно-временные и временные характеристики доведения сообщения до абонентов нижнего уровня иерархии для указанных исходных данных представлены в виде следующих зависимостей (рис. 4-5).
Одним из показателей оперативности информационного обмена в иерархической радиосети АСУ ВН является средняя длительность работы одиночного передатчика на излучение в ходе его информационного обмена в соединении «точка-точка». Для такого случая на основе аппарата КМЦ было получено выражение для среднего времени доставки однопакетного сообщения между двумя звеньями АСУ ВН, корреспондирующими по УКВ радиоканалу. Данное выражение имеет вид:
_ ^"ка£п±Ь (12)
РаРк в
Графики зависимости среднего времени излучения одиночного передатчика от вероятности ошибки и скорости передачи представлены на рис. 6. При расчетах вероятность ошибки также бралась в диапазоне 10-10 4, а скорость передачи информации принималась равной 1200, 2400, 4800 бит/с. Из графиков следует, что искомая величина лежит в пределах 0,05-0,68 с.
M[t] =
Гр»$«*( i№.:ni>: m к
*> личксв дкпаки саоОДсмы
'Jf
а)
I _ 1 „
б)
? " S
......i.......j.......... 1П1»ГДП*Й от вря wiairpou ecu метши CQOCI WtlJM
. ;; 1 ■ ш
......1..........
-1
в)
I ..
I
I
Л ИТ.
Грв4
Г
г)
Рис. 4. График зависимости вероятности доведения от длительности процесса доведения сообщений при р0={а) 10-2; б) 540-3; в) 10-3; г) 540-4}
www.h-es.ru
h&es research
29
а)
в)
б)
грлфг* мвиСииОСП МОЖ и СКО Гк*г»-**ию: СОЭ&ц№ме
............ .............
_______
__________
I
г)
Рис. 5. Графики зависимости среднего числа абонентов, получивших сообщение и СКО среднего числа абонентов от времени процесса доведения сообщения при р0
Таким образом, представлен подход к определению оперативности информационного обмена в иерархической радиосети АСУ ВН с протоколом типа Х.25, а также среднего времени излучения одиночного передатчика при доведении информации «сверху-вниз».
Рис. 6. Графики зависимости среднего времени излучения одиночного передатчика от вероятности ошибки и скорости передачи
Литература
1. Цимбал В.А. Качество информационного обмена в сетях передачи данных. Марковский подход: монография. М.: Вузовская книга, 2014. 161 с.
2. Цимбал В.А., Вальваков А.М., Попов М.Ю. Анализ характеристик конечных марковских цепей при разных шагах переходов // Известия Ин-та инженерной физики. 2014. № 1(31). С. 53-56.
3. Цимбал В.А., Косарева Л.Н. Метод фиктивных состояний определения характеристик конечных марковских цепей при разной длине шага переходов // Материалы VI междунар. конф. Пущино, 1999. 286 с.
4. Цимбал В.А. Нахождение характеристик реальных процессов на основе метода фиктивных состояний. Измерительная техника. 2001. № 12. С. 43-45.
5. Цимбал В.А., Попов М.Ю., Дробышев М.Ю. Математическое моделирование процесса доведения сообщения в радиосети без обратной связи с повторениями и накоплением информации / Информационные технологии в проектировании и производстве. 2010. № 3. С. 78-83.
Для цитирования:
Цимбал В.А., Тоискин В.Е., Сандулов Н.В., Хоптар В.В. Оперативность информационного обмена в иерархической радиосети автоматических систем управления военного назначения с протоколом типа Х.25 // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 1. С. 26-31.
EFFICIENCY OF AN INFORMATION EXCHANGE IN THAN HIERARCHIAL RADIO NETWORK OF THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM ARE MORE MILITARY- ORIENTED WITH THE PROTOCOL OF TYPE Х.25
Tsimbal Vladimir Anatol'evich,
Serpuhov, Russia, [email protected]
Toiskin Vasilij Evgen'evich,
Serpuhov, Russia, [email protected]
Sandulov Nikolaj Vasil'evich,
Moscow, Russia, [email protected]
Hoptar Vitalij Vladimirovich,
Nizhni Novgorod, Russia, [email protected]
Abstrart
Object of research are timeliness of delivery of circular messages in a network of the automated control system (ACS) are more military-oriented (MO). A research objective are development scientifically - the methodical device for obtaining of the quantitative values of timeliness. It are show that process of an information exchange in a hierarchial radio network of the ASC of MO with the protocol of type X.25 when finishing "from top to down" circular messages are casual and could be describ by a finite Markov circuit (FMC). It are prov that for the arbitrary cluster of connection "point multipoint" it are possible to synthesize FMC by the reveal rules, invariant to system parameters of connection. It are postulat that quality of an information exchange in a network could be estimat temporary and are probability - time response characteristics of finishing of messages. For finding of the specif characteristics modification of FMC of the equation of Kolmogorov Chapman known in the theory who considered different length of steps of passage of research process of an information exchange from a state in a state are us. The theoretical significance of research consisted in introduction in the theory of FMC of concept «parallel FMC (PFMC)», allow to describe parallely result probability processes at different levels of hierarchy of a network. On the basis of above specif scientifically - the methodical device the mathematical model of an information exchange on the protocol of type X.25 for a specific cluster of connection of a network of a type "point-multipoint" are synthesiz. The practical significance of research consisted in finding with usage of the receiv mathematical model temporary and are probability - time response characteristics of process of finishing of messages in a network with the protocol X.25 at the initial data of the data t place in actual transmission systems. Besides, the average amount of the radio transmitters work on air on duration of process of finishing of messages in a
hierarchial network "from top to down" that allowed to research further questions of reserve of process of an information exchange in networks of the ASC of MO are defin. It are show that us scientifically - the methodical device are applicable for research of processes of an information exchange in networks of the ASC of MO with any number of levels of hierarchy and the arbitrary norm of controllability on each of levels.
Keywords: hierarchial radio network; connection of type "point multipoint"; a finite Markov circuit; are probability-time response characteristics; information exchange.
References
1. Tsimbal V.A. Kachestvo informacionnogo obmena v setjah peredachi dannyh. Markovskij podhod. Monografija. [Quality of information exchange in data transmission networks. Markovsky approach. Monograph]. Moscow, Vuzovskaja kniga, 2014. 161 p. (In Russian).
2. Tsimbal V.A., Val'vakov A.M., Popov M.Yu. Analiz harakter-istik konechnih markovskih cepej pri raznih shagah perehodov [The analysis of characteristics of final markovsky chains at different steps of transitions]. Izvestiya Instituta inzhenernoy fiziki. 2014. No. 1(31). Pp 53-56. (In Russian).
3. Tsimbal V.A., Kosareva L.N. Metod fiktivnih sostoyanij opre-deleniya harakteristik konechnih markovskih cepej pri raznoj dline shaga perehodov [Method of fictitious conditions of definition of characteristics of final markovsky chains at different length of a step of transitions]. Materialy VI mezhdunarodnoy konfer-entsii [Materialy VI mezhdunarodnoy konferentsii]. Pushchino, 1999. 286 p. (In Russian).
4. Tsimbal V.A. Finding of characteristics of real processes on the basis of a method of fictitious conditions. Measurement Nechniques. 2001. No. 12. Pp. 43-45.(In Russian).
5. Tsimbal, V.A., Popov M.Yu., Drobyshev M.Yu. Matemati-cheskoe modelirovanie protsessa dovedeniya soobshcheniya v radioseti bez obratnoy svyazi s povtoreniyami i nakopleniem informatsii [Mathematical modeling of process of finishing of the message in a radio network without feedback with repetitions and information accumulation].Informacionnie tehnologii v pro-ectirovanii i proizvodstve. 2010. No. 3.Pp. 78-83. (In Russian).
Information about authors:
Tsimbal V.A., Ph.D., professor, the professor of chair of the automated control systems of military academy. Toiskin V.E. Ph.D., lecturer of chair of the automated control systems of military academy.
Sandulov N.V. Ph.D., assistant to the general director Moscow Award of the Labour red banner research radio engineering institute.
Hoptar V.V. chief of military acceptance of the MD RF of JSC "RPE "Weeded".
For citation:
Tsimbal V.A., Toiskin V.E., Sandulov N.V., Hoptar V.V. Efficiency of an information exchange in than hierarchial radio network of the automatic control system are more military-oriented with the protocol of type X.25. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 1. Pp. 26-31. (In Russian).
