ПОВЫШЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.396

Повышение частотной эффективности сети спутниковой связи передачи данных Кащеев А.А.

Аннотация: Предложена математическая модель сети спутниковой связи передачи данных (СССПД) по протоколу транспортного уровня ТСР с топологией построения «точка-точка» на основе системы массового обслуживания М/М/1//Ы. Получено выражение для оценки скорости передачи данных по СССПД на транспортном уровне с учетом числа абонентов земных станций спутниковой связи (ЗС) и надежности линии спутниковой связи СССПД. Предложен способ повышения частотной эффективности СССПД через выбор оптимального объема ТСР окна по критерию максимального использования пропускной способности СССПД, обеспечивающий экономию спутникового ресурса до 41%.

Ключевые слова: сеть спутниковой связи, протокол транспортного уровня, система массового обслуживания, пропускная способность, частотная эффективность, математическая модель.

Increasing to frequency efficiency to network satellite relationship data communication

Kascheev A.A.

Abstract: It is offered mathematical model to network satellite relationship data communication "pointpoint" (SSSPD) on protocol transport level TSR on base of the system of mass service M/M/1//N. Expression is received for estimation send rate given on SSSPD on transport level with provision for numbers abonent terrestrial station satellite relationship and reliability to lines satellite relationship SSSPD. The offered way of increasing to frequency efficiency SSSPD through choice of the optimum volume TSR window on criterion of the maximum use to reception capacity SSSPD, providing spare satellite resource before 41%.

Key words: network satellite relationship, protocol transport level, system of mass service, reception capacity, frequency efficiency, mathematical model.

Введение

В условиях острого дефицита спутникового ресурса отечественной космической группировки геостационарных спутников - ретрансляторов, заявленного в выступлении представителей государственного предприятия «Космическая связь» [1] и ведущими специалистами отрасли спутниковой связи [2,3], чрезвычайно актуальной является задача повышения частотной эффективности СССПД.

Ранее, в работе [4], было приведено косвенное решение поставленной задачи. Однако применяемая здесь модель не учитывала модуляцию передаваемого сигнала, число абонентов ЗС и надежность передачи информации по СССПД.

В статье предлагается и обсуждается модель, учитывающая модуляцию передаваемого сигнала, число абонентов ЗС и надежность передачи информации по СССПД.

Постановка задачи

В статье ставится задача оценки и повышения частотной эффективности СССПД.

Для оценки частотной эффективности применяется модель СССПД, учитывающая следующее: к каналообразующему оборудованию (КО) ЗС подключено N абонентов, формирующих трафик данных, передаваемый на другую ЗС. Предполагается также, что: искажения бит сегмента статистически независимы между собой, метод доступа к спутнику-ретранслятору (далее - СР) - с частотным разделением каналов на постоянной основе, топология построения сети - «точка-точка», потеря сегмента происходит при искажении хотя бы одного бита; протокол передачи данных -ТСР; вид модуляции сигнала - т позиционная фазовая манипуляция сигнала; вид помехоустойчивого кодирования - блочное со скоростью г ; р - вероятность ошибки передачи информации.

Механизм передачи данных по СССПД на транспортном уровне

Передача данных в сетях с коммутацией пакетов на транспортном уровне осуществляется октетами с последующей фрагментацией на сегменты [5]. Высокие временные задержки, обусловленные повторной передачей потерянных данных, приводят к существенному уменьшению скорости передачи информации. Для решения данной проблемы протоколом предусмотрено применение ТСР окна [6,7,8], размер которого определяет количество байт информации, передаваемой по СССПД без подтверждения, и численно равного объему нескольких сегментов.

Протокол осуществляет следующий механизм передачи данных: последовательность октетов фрагментируются на сегменты, которые нумеруются и отправляются получателю. Последний, получив очередной сегмент с данными и не обнаружив искажения данных, посылает отправителю квитанцию с его номером, которая означает, что все предыдущие сегменты тоже приняты без ошибок. Передающий абонент отправляет сразу несколько сегментов без ожидания квитанций, количество которых определяется размером ТСР окна. Каждый сегмент отправляется до тех пор, пока не будет получено подтверждение о его безошибочном приеме. При потере сегмента он и все последующие за ним сегменты будут отправлены повторно. Отправитель пошлет без подтверждения объем информации, равный размеру окна и будет ждать квитанции. Если время передачи отправленных данных и квитанции значительно, пропускная способность канала будет использована только частично.

Математическая модель СССПД

В качестве математической модели СССПД предлагается выбрать систему массового обслуживания (СМО) М/М/1//К, оптимальным образом удовлетворяющую условиям задачи и механизму передачи данных по СССПД на транспортном уровне. СМО данного вида учитывает следующее [9]: на вход КО с одним прибором обслуживания от N абонентов,

действующими независимо друг от друга, поступает поток данных с показательными распределениями времени между двумя последовательно поступающими сегментами и времени обслуживания.

Математическая модель СССПД (рис.1) может рассматриваться как связь выходных

параметров X =

R , DfTCP, T ,V

TCP J zs TCP TCP

opt

с входными внутренними параметрами

X =

P , D, m, r,V ,V ,Я,и

per zs TCP SEG ^

и внеш-

ними параметрами Y = [С, p, N]. Здесь 1 -средняя интенсивность поступления сегментов протокола от каждого источника; ¡1 -средняя интенсивность обслуживания сег-

ментов; R

TCP

скорость передачи данных

ТСР окна; T

TCP г TCP

время передачи данных ТСР окна; AfTCP - ширина спектра данных

zs

ТСР окна; Vtcp и V - объем ТСР окна и

opt

оптимальный объем ТСР окна соответственно; V - объем сегмента ТСР окна; m - ин-

SEG

декс фазовой манипуляции сигнала; r - скорость помехоустойчивого кодирования; P - мощность передатчика ЗС.

per zs

В соответствии с механизмом работы протокола время, затрачиваемое на передачу одного сегмента данных T , можно запи-

SEG '

сать следующим образом:

Т5Ш = 2 • (^ + TBUF) + ^), (1)

где Тшр. - аппаратная задержка сигнала на входных буферах КО ЗС; 7Р »0,3 с - время

распространения сигнала между ЗС в одном направлении; VKV - объем квитанции, бит; C - пропускная способность СССПД.

Учитывая выражение (1), скорость передачи сегмента RSEG можно представить как [4]:

= ^ + Vкv) • С . (2)

2' С' (TSP + Твш ) + VSEG + ^

Как следует из (2), скорость передачи сегментов существенно зависит от времени распространения сигнала Т8Р, а также от ожидания подтверждения правильности принятых данных и при необходимости их повторной передачи. Для решения данной проблемы, как было указано ранее, применяется ТСР окно. Размер окна определяет объем данных, передаваемых без подтверждения. Учитывая выражения (1) и (2), а также пренебрегая малым объемом квитанции VKV, время и скорость передачи данных ТСР окна можно представить в следующем виде:

V

Г ту

TTCP _ 2 ' (TSP + 2TBUF ) +

ТСР

С

R _ VTCP

lXTrri

ТСР

т V

ttcp 2 ' (T + 2T ) + TCP

^ У1 SP т BUF > т

(3)

(4)

C

С учетом того, что по мере увеличения ТСР окна данные не будут переданы полностью к моменту приема квитанции от первого принятого получателем сегмента, равенство (4) можно представить как:

R _ VTCP

lXTrri

min (VTCP ,2' C' TTCP) Ttcp 2' (Tsp + 2Tbuf ) + VCP

(5)

TBUF _ Toch + Tobs _ D !1D ■■

В формуле (3) величину Твш можно рассматривать как время пребывания сегментов данных в приборе обслуживания и буфере СМО вида М/М/1//М

(6)

где ТоЛ - среднее время ожидания сегментов в очереди (в нашем случае - буфере КО), с; ТоЬб, - среднее время обслуживания, с; Б -среднее число сегментов в системе; Ла -средняя интенсивность поступления сегмен-

тов от N источников при наличии Б сегментов в буфере КО.

Для описания СМО применяется процесс размножения и гибели с параметрами [9]: 1' (N - к) ,0 < к < Ь

1 _•

0, к > L

(7)

1 =т, к =1,2...,

где к - число сегментов, находящихся в системе; 1 - средняя интенсивность поступления сегментов от каждого источника; 1к -средняя интенсивность поступления сегментов от N источников при наличии к сегментов в буфере КО; ¡1 и ¡к - средняя интенсивность обслуживания сегментов при отсутствии и наличии к сегментов в буфере КО соответственно.

Распределение вероятности нахождения к сегментов в системе определяется как:

Рк _

Я

po' m

0, к > N

N!

(N - K)!

0 < к < N

(8)

где po _

L [ m

к _ o 1 m

N!

(N - к)!

- вероятность

отсутствия в СМО сегментов.

Важной характеристикой модели является среднее число сегментов в системе Б , задаваемое равенством [9,10]:

D _Lh Рк Ро ■{-

к_0 m

ЯЯ N

1<к < N. (9)

(N-k)!'

Подставив выражение (9) в (6), получим:

N ч _Ы\_

1 (N-к)!

TBUF_mLhРоim!'

1< к < N .

(10)

Учитывая выражение (10) в выражении (3), время передачи сегментов ТСР окна будет определяться как:

( - ,Г /,лк „Л

T _2'

T -

2 ^ (Я

я L' Р0' -

N.

(N-к)!

VTCP

C

(11)

Ч Б ■■ - V - - ' J

Так как искажения бит сегмента статистически независимы между собой, вероятность появления хотя бы одной ошибки в переданном ТСР окне составит:

к

-

Р(Угср ) = 1 - (1 - РРср . (12)

Учитывая выражения (6) и (12), после несложных преобразований выражения (11) окончательно получим:

17 n

2-£К• Ро •

T = 2-

1tcp

V

+ r TCP

Tp+

А! - (А - К)!

нА - - Ро-[m

А

(А - К)!

(13)

C

-(1 - Р)-

Результаты исследования скорости передачи данных ТСР окна RTCP для разных p и N приведены на рис.1 и рис.2 при: С =512 Кбит/с, 1=1280, Vtcp max=64 Кбайт.

Согласно [11, 12], ширина спектра данных ТСР окна вычисляется в соответствии с выражением:

f tcp _ 1,3 • Rtcp zs r • log2 m

где RTCP вычисляется по формуле (5) с учетом выражения (13).

р=10"В -1 I

5*10"6 З^СГб ч > V' '....... / I I

\ / V..... ■■■ г X / \ ■■I..... I I

4 ✓ \ / > / V 1

I |

20 уЗ 30

ТСРЧ1

40 V2 50

VTCPoplVTCP, Кбайт

Рис. 2. Зависимость скорости передачи Я.тср от Утср при разной надежности СССПД

Как следует из графика (рис.2), увеличение скорости передачи информации с ростом объема ТСР окна при низком уровне вероятности ошибки передачи данных по СССПД ( р =10-6 и ниже) объясняется увеличением числа сегментов, передаваемых без подтверждения. Снижение надежности СССПД приводит к заметному уменьшению скорости передачи данных (рис. 2) в связи с ростом потерь сегментов данных ТСР окна.

Повышение времени задержки сегментов в буферах КО ЗС с ростом числа абонентов объясняется увеличением среднего количества сегментов в системе и сопровождается уменьшением скорости (рис. 3).

100

N=20

40

60 / _____________

/ / / '■■i а

/ ^ ///

/// ш !

О 10 20 30 40 50 60 VT,

Рис. 3. Зависимость скорости передачи Ктср от Утср при разном количестве абонентов N

В [4] с целью максимального использования пропускной способности ЛСС было получено выражение для оптимального объема ТСР окна следующего вида: V'

= 2T C

TCP

opt

(14)

которое не учитывает влияние вероятности ошибки передаваемой информации по СССПД и количество абонентов, подключенных к ЗС. Устранить приведенный недостаток можно, осуществив выбор оптималь-

ного объема ТСР окна V

TCP

посредством

opt

решения задачи оптимизации по критерию максимального использования пропускной способности СССПД следующего вида:

dR (VTCP) = maxdR (VTCP) > V

fV < V < V

) TCP min TCP TCP m [А Азад ' C Cзад

(15)

где dR (утСР) - коэффициент использования

пропускной способности СССПД.

В результате решения задачи (15) оптимальный объем ТСР окна определяется выражением:

К=1

+

к

VTCP ={TCP Vtcp~2'Ttcp'C . (16) TCPopt 2.T C V <2-T C

^ 1TCP TCP 1TCP ^

Подставив выражение (13) в (16), окончательно получим:

Vtcp^-2 ' TTCP c

) (n-k)!

4-

ZK-Po

tSp+

hn-Zk- JC ik Ы (N-K)!

(17)

C

x(1- p)-VTCP- C,

Оценка частотной эффективности СССПД

Эффективность функционирования СССПД определяется ее частотной эффективностью [13], которая в случае применения VTCP

определяется как:

g =-

' opt

RTCP (VTCPopt)

Df

и в случае применения

С

зс

V'

TCP

opt

определяется

следующим образом:

RTCP (VTCPoPt )

g =-

' opt

Df:

где А/ - ширина полосы пропускания

зс

СССПД.

Частотный выигрыш от применения VTCP (16) по сравнению с V,Ср (14) мо-

opt

opt

жет быть определен как

d (%) = 100 -

g

opt

-1

g opt

В таблице 1 приведены значения g, gopt и d при m = 8, r = 7/8, N = 20 .

Таблица 1. Значения g , g и d

' opt ' opt

P g t, opt бит/с Гц g t, opt бит/с Гц d, % V , TCP opt байт

10-8 0,98 0,98 0 47104

10-/ 0,95 0,95 0 47104

10-6 0,67 0,68 0,70 47100

2 10-6 0,46 0,48 4,30 35328

4 10-6 0,22 0,31 40,90 21504

Таким образом, в работе предложен способ повышения частотной эффективности СССПД на основе выбора оптимального объема ТСР окна V

TCP

в соответствии с

opt

выражением (17), обеспечивающий экономию частотной составляющей спутникового ресурса до 41% при вероятности ошибки передаваемой информации 4*10-6 по сравнению

с применением vtcp (таблица 1).

Литература

1. Комарицкий А. В условиях дефицита спутниковой емкости // Технологии и средства связи. Спутниковая связь и вещание. 2009. С. 40.

2. Специалисты об отрасли // Технологии и средства связи. Спутниковая связь и вещание.

2012. С. 8-10.

3. Специалисты об отрасли // Технологии и средства связи. Спутниковая связь и вещание.

2013. С. 34-35.

4. Ибрагимов Ф.М., Кузнецов В.Н. TCP/IP в спутниковом канале // Технологии и средства связи. 2001, №2. С. 60-63.

5. Протоколы информационно - вычислительных сетей. Справочник / Под ред. И.А. Мизи-на, А.П. Кулешова. М.: Радио и связь. 1990. 504 с.

6. Postel J. Transmission Control Protocol, RFC 761, USC/ Information Sciences Institute, January

1980.

7. Postel J. Transmission Control Protocol, RFC 793, USC/ Information Sciences Institute, September

1981.

8. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. М.: Мир. 1990.

9. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение. 1979. 432 с.

10. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. 600 с.

11. Спутниковая связь и вещание. Справочник/ Под ред. Л.Я. Кантора. М.: Радио и связь, 1997. 344 с.

2 . v

yTCP

VTCP<2 . TTCP C

+

12. Кащеев А.А. Анализ влияния информационного объема канального кадра на выбор параметров подвижных земных станций // Мобильные системы. 2006, №4. С. 100-103.

13. Прокис Дж. Цифровая связь: пер. с англ. М.: Радио и связь, 2000. 800 с.

References

1. Komaritskiy А. Tekhnologii i sredctva sviazi. Sputnikovaia sviaz i veshchanie. 2009. pp. 40.

2. Tekhnologii i sredctva sviazi. Sputnikovaia sviaz i veshchanie. 2012. pp. 8-10.

3. Tekhnologii i sredctva sviazi. Sputnikovaia sviaz i veshchanie. 2013. pp. 34-35.

4. Ibragimov F.H., Kuznetsov V.N. Tekhnologii i sredctva sviazi. 2001, №2. pp. 60-63.

5. Protokoly informatsionno- vychislitelnykh setey. Spravochnik/ Pod red. 1.А. Mizina, А.Р. Kule-shova. М.: Radio i sviaz. 1990. 504 p.

Поступила 20 января 2013 г.

6. Postel J. Transmission Control Protocol, RFC 761, USC/ Information Sciences Institute, January

1980.

7. Postel J. Transmission Control Protocol, RFC 793, USC/ Information Sciences Institute, September

1981.

8. Blek U. Seti EVM: protokoly, standarty, inter-feysy. М.: Мir. 1990.

9. Kleyrok L. Teoriy massovogo obsluzhivania. М.: Маshinostroenie. 1979. 432 p.

10. Kleyrok L. Vychislitelnye sistemy s ocheredi-ami. М.: Мir, 1979. 600 p.

11. Sputnikovaia sviaz i veshchanie. Spravochnik/ Pod red. L.Ya. Kantora. М.: Radio i sviaz, 1997. 344 p.

12. Kashcheev А.А. Mobilnye sistemy. 2006, №4, pp. 100-103.

13. Prokis J. Tsifrovaya svyaz. М.: Radio i sviaz, 2000. 800 p.

Информация об авторах

Кащеев Алексей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических систем. ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет». E-mail: alexei_k1@mail.ru. Адрес: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Kascheev Aleksey Anatolievich - a candidate of the technical sciences, assistant professor of the pulpit of the radiotechnical systems. Ryazanskiy state radiotechnical university. Address: 390005, g. Ryazani, str. Gagarina, 59/1.