CC BY
34
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ
УДК 004.7
DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-3-173-180
ОЦЕНИВАНИЕ ЖИВУЧЕСТИ СИСТЕМ СВЯЗИ ЛИНЕЙНОГО ТИПА С НАЗЕМНЫМИ ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Лэй Чжао, А. Г. Карманов, И. Б. Бондаренко, К. О. Ткачев
Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: zl_2321@hotmail.com
Представлен алгоритм оценивания живучести систем связи линейного типа с множеством подвижных объектов. Особое внимание уделено основному показателю живучести систем связи — плотности распределения пользователей. Разработана математическая модель системы связи линейного типа и приведены результаты эксперимента.
Ключевые слова: подвижный объект, зона покрытия, количество занятых каналов, живучесть систем связи
Введение. При разработке открытых систем связи на основе беспроводных протоколов с множеством наземных объектов предполагается, что на компоненты системы оказывают влияние внешние факторы, соответствующие нормальным условиям ее эксплуатации с учетом коэффициентов запаса. Степень избыточности объектов определяется субъективно и зависит от уровня квалификации и опыта разработчика. При эксплуатации таких систем энергетические и информационные воздействия (Ев) могут превысить предельно возможный уровень (Епр), вследствие чего компоненты сложной системы (один или несколько) перестанут выполнять свои локальные функции, а система — глобальную функцию. Поведение сложной системы и характер разрушений при воздействии на нее дестабилизирующих факторов как со стороны внешней среды, так и в результате действий злоумышленника зависит от степени живучести. Разрушение компонентов сложной системы может привести к катастрофическим последствиям, что, в свою очередь, вызовет каскадный эффект с возрастающим ущербом. Поэтому определение видов внешних дестабилизирующих воздействий и прогнозирование их уровней является актуальной задачей, возникающей при проектировании систем связи с наземными объектами.
Постановка задачи. Живучесть системы связи [1], в данном случае время до официального факта взлома (Гж), в зависимости от типа беспроводного протокола радиосвязи [2] можно определить, используя аппарат искусственных нейронных сетей, по алгоритму, описанному в работе [3]. В этой работе показано также, что структурную живучесть сети характеризует связность графа G — ее модели. Однако при этом не учитывалось, что, во-первых, при отказе одного узла сети Sk происходит перераспределение потоков информации и энергии между другими узлами Si, i Ф к, и соответственно при росте нагрузки Ев>Епр и сеть потеряет связность; во-вторых, не учитывалась также мощность графа.
В настоящей статье рассматривается следующая задача. Имеется некоторое множество размещенных одна за другой базовых станций (БС) в системах связи. Структура линейной закрытой системы сотовой связи (GSM, CDMA, WiMAX) представлена на рис. 1. Каждая
зона покрытия И характеризуется максимально возможным числом каналов £тах, а следовательно, максимальной плотностью распределения абонентов. При превышении величины £тах произойдет отказ в обслуживании абонентов. Так как объекты (пользователи) могут перемещаться внутри зоны, а также из одной зоны в другую, количество узлов отдельно взятой Б С — величина переменная.
Другая картина наблюдается в открытых системах связи (Wi-Fi, DSRC), а также в микросотовых и сенсорных сетях (рис. 2) [4]. В этом случае абоненты (узлы Si—S4) могут связываться между собой. Поскольку количество каналов ограничено, то при меньшей плотности распределения абонентов, по сравнению с предыдущим случаем, может наступить переполнение сети. При передаче информации от одного источника разным абонентам сети может произойти конфликтная ситуация (см. рис. 2), т.е. возникает дилемма: от какого узла — S2 или S3 — должен принимать сигнал узел S4.
При варианте с закрытыми системами (см. рис. 1) в БС имеется возможность ограничения количества абонентов в зоне покрытия И и количества передаваемой информации (трафика). Так как БС в этом случае являются стационарными, то расчет необходимой зоны покрытия и выбор частотного канала — задачи, решаемые для каждого конкретного ландшафта. Живучесть закрытых систем связи достаточно высокая [5] и определяется плотностью распределения абонентов в зоне И
В открытых системах связи с подвижными объектами (см. рис. 2) не представляется возможным ограничить количество соединений, а следовательно, плотность распределения абонентов может стремительно вырасти, достигнув критической величины. Принимающие/передающие станции не имеют привязки к местности, соответственно зона покрытия И
Рис. 1
Рис. 2
может динамически изменяться в зависимости, например, от ландшафта [6]. В таких системах отсутствует возможность отключения канала связи при перегрузке; увеличение зоны охвата приводит к тому, что сигналы связи легче перехватить или заглушить. При увеличении числа подвижных объектов (пользователей) стремительно возрастает вероятность отказа в обслуживании, а живучесть снижается.
Перечисленные аспекты и являются основой для решения рассматриваемой задачи.
Методы решения и полученные результаты. Для структуры сети, показанной на рис. 1, необходимость ограничения числа пользователей определяется выполнением условия непревышения максимальной плотности абонентов (ртах ) в зоне покрытия Н для любой базовой станции:
N (1)
—Г < Ртах , (1)
пН 2
где N — количество узлов сети, работающих в зоне охвата данной БС.
Так как
с
^ тяу
пН2
то условие (1) преобразуется к виду
N <
(Г)
(3)
При нарушении условия (3) произойдет отказ в обслуживании БС системы связи. Для беспроводных сетей открытой системы связи линейного типа при условии, что в зоне действия каждой БС находятся п, к, I и т активных пользователей (узлы С11, С21, С31, С41 — см. рис. 3), можно записать:
_ п +1
р1 _ 2 < Ртах
пНГ
Р2 _ Р3 _
к + 2 пН 2 I + 2 пН 3
•<Рп
•<Рп
т +1
Р4 _ 772 < Ртах.
пН4
(4)
¿С
Рис. 3
В системе уравнений (4) принято допущение, что активные пользователи первого кластера не „расходуют" каналы соседних кластеров, находящихся в их зоне приема (например, узел с32 находится в зоне доступа узла с21 и т. д.; в принципе все кластеры могут оказаться
в зоне покрытия, допустим, станции На практике узлы могут находиться в зоне двух соседних станций (рис. 4, а): в этом случае они занимают дополнительно еще по одному каналу (а, Ь, с на рис. 5) у соседних БС. Узлы, находящиеся в зоне сразу трех БС (рис. 4, б), занимают по два дополнительных канала (й, е на рис. 5) у соседних станций, а узлы, находящиеся в зоне четырех БС (рис. 4, в), — по три канала (§■ на рис. 5).
Рис. 4
Рис. 5
В результате система уравнений (4) изменится следующим образом (при условии, что дополнительные каналы заимствуются у БС, находящихся правее источника, — см. рис. 3):
Pi ='
n +1
•<Pn
P2 =
жЩ k + 2 + a + d + g жИ 22
<Pn
(5)
= l + 2 + b + d + e + g
p3 = TT2 < pmax,
ЖИ32
= m +1 + c + e + g
p4 = < Pmax •
жИ 42
Использовав выражение (2), получим математическую модель для линейной сети открытой системы связи „источник—приемник" с двумя промежуточными узлами:
n +1 < ^max;
k + 2 + a + d + g < Smax; l + 2 + b + d + e + g < Smax,
m +1 + c + e + g < Smax.
(6)
Анализируя модель (6), можно сделать следующий вывод. Добавление мобильных узлов к сети (см. рис. 3) может привести к тому, что информация от источника к приемнику по причине отсутствия свободных каналов не сможет дойти. При этом увеличение числа занятых каналов п, к, I и т приведет к медленному снижению живучести сети, а добавление каналов а, Ь, с, й, е, g — к стремительному снижению (см. рис. 5 — чем выше по пирамиде, тем быстрее). Анализ модели (6) показывает также, что БС источника будет загружаться медленнее,
чем промежуточные БС и приемник в случае подключения абонентов, использующих сразу несколько станций. В модели (6) не учитывается вариант, когда происходит превышение величины Smax для БС, не участвующих в передаче информации от источника к приемнику.
Полученную модель можно исследовать с помощью имитационного компьютерного эксперимента.
Эксперимент. Авторами настоящей статьи на основе системы уравнений (5) был разработан алгоритм, структурная схема которого представлена на рис. 6. Для задания координат узлов связи в работах [7, 8] использовалось распределение Пуассона. При разработке алгоритма генерация узлов связи и их координат производилась с помощью датчика случайных чисел, что позволило воссоздать стохастический характер появления новых абонентов. Поэтому распределение по типам узлов связи также случайное. Движение узлов связи не моделировалось, а также не учитывался ландшафт. В качестве примера был выбран протокол Wi-Fi 802.11, для которого Smax =14, зоны покрытия приняты одинаковыми, т.е. #¿=300/2=150 м. Число абонентов, полученное посредством генерации случайным образом, равнялось 30. Для определения расстояний, например, между источником и объектом (или между двумя объектами) использовалась евклидова метрика:
г (X, Y) = ^1 (Х2 - Х1)2 + (Л - Л)2 .
Начало ^
— Координаты узлов
S11, S21, S31, S41
-Зоны покрытия Нi
_S
'-'max
Рис. 6
Результаты работы программы по представленному алгоритму приведены в таблице, анализ которой позволяет сделать вывод о корректности рассмотренной математической модели для линейной системы связи открытого типа.
Ввод начальных данных
Номер эксперимента Протяженность линии связи, м Количество Число занятых каналов, находящихся в зоне покрытия Превышение
пользователей одной БС двух БС трех БС четырех БС с ^шах
1 23 7 0 0 Нет
2 28 9 0 0 Нет
3 29 9 2 0 Нет
4 30 10 1 0 Нет
5 360 20 30 10 2 0 Есть
6 30 11 1 0 Есть
7 32 12 2 0 Есть
8 32 12 3 0 Есть
9 33 14 4 0 Есть
10 23 8 2 0 Нет
11 24 9 1 0 Нет
12 25 8 2 0 Нет
13 25 9 2 0 Нет
14 26 10 0 0 Нет
15 26 11 2 0 Есть
16 27 9 2 0 Есть
17 300 20 27 10 1 0 Нет
18 28 10 1 0 Есть
19 28 10 2 0 Нет
20 28 12 2 0 Есть
21 29 10 0 0 Нет
22 29 11 2 0 Есть
23 29 12 4 0 Есть
24 29 13 2 0 Есть
25 24 12 7 2 Есть
26 20 29 13 3 1 Есть
27 39 22 9 1 Есть
28 15 5 2 0 Нет
29 16 5 0 0 Нет
30 18 7 2 0 Нет
31 200 18 9 5 1 Есть
32 15 19 8 2 0 Нет
33 20 7 2 0 Нет
34 20 8 3 0 Нет
35 21 9 4 0 Нет
36 23 9 3 0 Нет
37 24 11 4 0 Есть
Заключение. Согласно результатам эксперимента, предсказать количество узлов связи, при котором наступит отказ в обслуживании линейной сети открытой системы связи, на практике затруднительно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Махутов Н. А., Петров В. П., Резников Д. О. Оценка живучести сложных технических систем // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2009. № 3. С. 47—66.
2. Чжао Л., Карманов А. Г., Бондаренко И. Б., Ткачев К. О. Разработка модели угроз информационной безопасности при организации системы связи с наземным подвижным объектом // Актуальные вопросы науки и техники: Сб. науч. тр. по итогам Междунар. науч.-практ. конф., 7 апр. 2015 г. Самара. 2015. Т. II. С. 194—196.
3. Чжао Л., Карманов А. Г., Бондаренко И. Б., Ткачев К. О. Оценка живучести сложных информационных систем связи с подвижными объектами // Информация и космос. 2015. № 3. С. 36—41.
4. Трифонов С. В., Холодов Я. А. Исследование и оптимизация работы беспроводной сенсорной сети на основе протокола ZigBee // Компьютерные исследования и моделирование. 2012. Т. 4, № 4. С. 855—869.
5. Синтез и анализ живучести сетевых систем: монография / Ю. Ю. Громов, В. О. Драчев, К. А. Набатов, О. Г. Иванова. М.: Машиностроение-1, 2007. 152 с.
6. Маковеева М. М., Шинаков Ю. С. Системы связи с подвижными объектами: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 2002. 440 с.
7. Хрусталев Д. А. Новейшее руководство по сотовой связи. М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 176 с.
8. Голуб Б. В., Кузнецов Е. М., Максимов Р. В. Методика оценки живучести распределенных информационных систем // Вестн. СамГУ. Естественно-научная серия. 2014. № 7(118). С. 221—232.
Сведения об авторах
Лэй Чжао — аспирант; Университет ИТМО; кафедра геоинформационных систем;
E-mail: zl_2321@hotmail.com Андрей Геннадьевич Карманов — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО; кафедра геоинформационных систем; E-mail: karmanov.nip@gmail.com Игорь Борисович Бондаренко — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО; кафедра проектирова-
ния и безопасности компьютерных систем; E-mail: igorlitmo@rambler.ru
Константин Олегович Ткачев — Университет ИТМО; кафедра проектирования и безопасности компьютерных систем; старший преподаватель; E-mail: kottok1@yandex.ru
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
геоинформационных систем 28.10.15 г.
Ссылка для цитирования: Чжао Лэй, Карманов А. Г., Бондаренко И. Б., Ткачев К. О. Оценивание живучести систем связи линейного типа с наземными подвижными объектами // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 3. С. 173—180.
SURVIVABILITY ASSESSMENT FOR COMMUNICATION SYSTEM OF LINEAR TYPE
WITH MOBILE GROUND UNITS
Lei Zhao, A. G. Karmanov, I. B. Bondarenko, K. O. Tkachev
ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia E-mail: zl_2321@hotmail.com
An algorithm is proposed for survivability assessment of communication system of linear type with a large number of mobile ground units. A special attention is paid to the key indicator of communication system survivability - the system users' density. A mathematical model of communication system of linear type is developed; results of experimental testing are presented.
Keywords: mobile unit, coverage area, zone, number of occupied channels, communication system survivability
Data on authors
Lei Zhao — Post-Graduate Student; ITMO University, Department of Geoinformation
Systems; E-mail: zl_2321@hotmail.com Andrey G. Karmanov — PhD, Associate Professor; ITMO University, Department of Geoinformation Systems; E-mail: karmanov.nip@gmail.com Igor B. Bondarenko — PhD, Associate Professor; ITMO University, Department of Computer
System Design and Security; E-mail: igorlitmo@rambler.ru Konstantin O. Tkachev — ITMO University, Department of Computer System Design and Security;
Senior Lecturer; E-mail: kottok1@yandex.ru
For citation: Zhao Lei, Karmanov A. G., Bondarenko I. B., Tkachev K. O. Survivability assessment for communication system of linear type with mobile ground units // Izv. vuzov. Priborostroenie. 2016. Vol. 59, N 3. P. 173—180 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-3-173-180
