ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ IP-ПАКЕТОВ В СИСТЕМЕ ШИРОКОПОЛОСНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

The article considers the scheme of formalization of the generalized and detailed descriptions of the information space, illustrating a set-theoretic tools involved. The need for the introduction of additional formalisms, due to the specific information flows that are available for monitoring at formalization of information space produced by social media resources. The simulation of the cognitive activity of users of social media resources that helped to identify the combination of factors-indicators of the status of the individual (public) opinion, play a key role in the automated assessment of the information environment.

Key words: information environment, social media resources, cognitive modeling.

Pilkevich Sergey Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, ambers@,list.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named À.F.Mozhaysky.

Kuzmichev Vladimir Andreevich, adjunct, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy namedÀ.F.Mozhaysky,

Pirukhin Vitaly Aleksandrovich, candidate of military sciences, Senior Researcher, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named À.F.Mozhaysky

УДК 621.391

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-333-339

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ IP-ПАКЕТОВ В СИСТЕМЕ ШИРОКОПОЛОСНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

К. С. Новосадов

В статье описан алгоритм повышения качества обслуживания IP-пакетов при передаче шифрованного трафика в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи. Под качеством обслуживания в статье понимается выполнение требований по своевременности доставки пакетов. Предлагаемый алгоритм позволяет оценить качество обслуживания пакетного трафика с учетом распределения его по приоритетным очередям спутникового абонентского терминала, доступного ресурса ретранслятора и разной длительности цикла его выделения для разноприоритетных очередей абонентского терминала.

Ключевые слова: обслуживание пакетов; приоритет; модель доставки; алгоритм; абонентский терминал; пакетный трафик; пропускная способность; время доставки.

Особенностью передачи пакетного трафика в сети связи специального назначения является применение средств криптографической защиты на основе протокола IP-Sec в результате работы которого исходный заголовок IP-пакета подменяется новым, а механизмы дифференцированного обслуживания мультимедийного трафика, заложенные в модем спутникового абонентского терминала (АТ), не используются. Таким образом весь входящий поток пакетов передается как эластичный трафик (через приоритетную очередь 2). На практике это приводит к нестабильной работе голосовых и видеокодеков вследствие значительного времени доставки пакетов, которое в условиях России может составлять до 1 секунды.

Другая особенность пакетных сетей заключается в том, что моменты поступления пакетов случайны, по большей части случайна и длительность их обслуживания. В связи с этим процесс работы АТ протекает нерегулярно: в потоке образуются местные сгущения и разрежения. Сгущения могут привести либо к отказам в обслуживании вследствие переполнения буфера, либо к образованию очередей. Разрежения могут привести к простоям канала обслуживания.

В статье предлагается решение задачи повышения качества обслуживания пакетного трафика при передаче шифрованных пакетов в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи специального назначения. Под качеством обслуживания понимается среднее время доставки пакетов и вероятность своевременной доставки.

Постановка задачи. В общем виде процесс передачи трафика АТ в сети связи специального назначения включает в себя следующие этапы:

1. Определение интенсивности входящего трафика X.

2. Расчет требуемой интенсивности обслуживания ц* с учетом выполнения требования по своевременности доставки для очереди с приоритетом 2.

3. Отправка АТ запроса на выделение временных слотов с пропускной способностью ц*; назначение центральной станцией ресурса пропускной способности ц терминалу (в общем случае выделенная пропускная способность не соответствует требуемой, т.е. ц Ф ц ).

4. Передача АТ информационного потока на выделенном ресурсе ц.

Для решения задачи повышения качества обслуживания пакетного трафика в работе предлагается часть трафика передавать через приоритетную очередь 1.

Более короткая длительность цикла выделения временных слотов для приоритетной очереди 1 позволит значительно сократить среднее время передачи пакетов, но в то же время требует значительного увеличения расхода пропускной способности. Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что после окончания передачи трафика через приоритетную очередь 1, за этой очередью на протяжении некоторого времени резервируется часть ресурса пропускной способности Дц, которая фактически эквивалентна штрафу. Время резервирования, как правило, для всех станций одинаково. Обозначим это время Тштраф.

Основываясь на вышеизложенном, необходима разработка алгоритма для решения задачи уменьшения времени доставки шифрованных /Р-пакетов с учетом распределения их по приоритетным очередям АТ, доступного ресурса ретранслятора и разной длительности цикла его выделения для разноприоритетных очередей.

Целевую функцию определим следующим образом:

Тдост Т д

^^- > тах

Р > Р"

дост дост

Т < Т"

дост дост

(1)

3

где -1, -2, -з - коэффициенты распределения входящего трафика X, Е- = 1, - Е (0;1) . Ко-

1=1

эффициент -1 характеризует часть трафика, передаваемого через приоритетную очередь 1; -2 -через приоритетную очередь 2; -з - через приоритетную очередь 2 с учетом накладываемого штрафа Дц; Тт - интервал усреднения на котором осуществляется оценка интенсивности входящего трафика X; Т дост - среднее время доставки пакетов на интервале усреднения Тт; Рдост

- требуемая вероятность своевременной доставки; Тдост - требуемое время доставки.

Таким образом целевая функция отражает стремление как можно быстрее обслуживать входящие пакеты - максимизировать разницу между требуемым и реальным временем обслуживания пакетов.

Время доставки пакетов. Основой методики является модель доставки [1]. Время доставки пакетов при передаче эластичного трафика (через приоритетную очередь 2) и трафика реального времени (через приоритетную очередь 1) определяется выражениями (1), (2), соответственно:

Тдост 2 Тож + 3Tпер.пакетов, (1)

Тдост 1 Тож + Tпер.пакетов, (2)

где Тож - время нахождения пакета в модеме; Тпер.пакетов - время необходимое для физической передачи пакетов по каналу связи от АТ до центральной станции. Второе слагаемое в (1) также включает в себя время, необходимое для передачи запроса на выделение временных слотов от АТ к центральной станции, а также доведение плана передачи от центральной станции до АТ.

В [2, 3] приведены выражения для расчета времени нахождения пакета в системе обслуживания в зависимости от интенсивности обслуживания ц:

Тож =1Р (-1), (3)

| |(1 -а)

где Р:(ц) - вероятность того, что в приборе обслуживается одна заявка, а очередь пуста; Ро(ц) -вероятность того, что канал не занят (отсутствуют заявки); а =__Первое слагаемое в (3) ха-

Е

рактеризует среднее время обслуживания пакета; второе слагаемое - среднее время нахождения пакета в очереди.

Выражения для вероятностей Ро(ц) и представлены ниже:

1 , (4)

Ро (ц) =-

1

а

1+ Р

т

1+1-

а

П(1 + (1 + т)Р)

т=1

а

Р = Ро М

...... (5)

(1+ Р)

На рис. 1 представлен график времени доставки пакетов от интенсивности обслуживания для приоритетной очереди 1, 2 абонентского терминала.

1

. \

ч — — - ---

во 70 90 1оо

Рис. 1. Время доставки 1Р-пакетов при передаче через различные приоритетные очереди абонентского терминала

Далее приводится разработанный алгоритм повышения качества обслуживания 1Р-пакетов в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи специального назначения.

повышения качества обслуживания 1Р-пакетов

Порядок работы алгоритма заключается в следующем.

335

В блоке 2 производится инициализация исходных данных: интенсивности поступления пакетов X, размера буфера очередей АТ т,; требований по своевременности для приоритетных очередей: времени доставки Тзост1, Тзост2, вероятности своевременной доставки р* р*

дост1' дост2 '

*

В блоке 3 производится определение интенсивности обслуживания цтах входящего

потока при передаче максимально возможной доли трафика через очередь с приоритетом 1 (х1 = 1 — хз; Х2 = 0; хз) при выполнении требований по своевременности.

*

В блоке 4 производится сравнение выделенной ц и требуемой цтах пропускной способности. В случае, если терминалу выделено пропускной способности не меньше, чем рассчитано в блоке 3, то работа алгоритма завершается и трафик распределяется между очередями с коэффициентами Х1 = 1 — хз; Х2 = 0; хз.

Если выделенной пропускной способности недостаточно, то в блоке 6 проводится

*

определение интенсивности обслуживания цш;п входящего потока при передаче всего трафика

через очередь с приоритетом 2 (х1 = 0; х2 = 1; х3 = 0) при выполнении требований по своевременности.

*

Сравнение выделенной ц и требуемой Цш;п пропускной способности осуществляется

в блоке 7. В случае, если терминалу выделено пропускной способности не больше, чем рассчитано в блоке 6, то работа алгоритма завершается и трафик передается только через приоритетную очередь 2 (х1 = 0; Х2 = 1; хз = 0). Иначе осуществляется коррекция коэффициентов распределения х, в блоке 9.

Расчет требуемой интенсивности обслуживания трафика ц, с коэффициентами х, при выполнении требований по своевременности для каждой приоритетной очереди производится в блоке 10.

В блоке 11 осуществляется суммирование интенсивностей обслуживания ц, полученных на предыдущем шаге с учетом накладываемого за использование приоритетной очереди 1 штрафа Дц.

В блоке 12 производится сравнение суммы интенсивностей обслуживания и выделенной пропускной способности. В случае, если эти величины не совпадают, то осуществляется коррекция коэффициентов распределения в блоке 9.

Условия окончания алгоритма:

1. х1 = 1 — хз; х2 = 0; хз - передача максимально возможной части трафика через приоритетную очередь 1 (выделение достаточной пропускной способности).

2. х1 = 0; х2 = 1; хз = 0 - передача всего трафика через приоритетную очередь 2 (недостаточное выделение пропускной способности - возможно невыполнение требований по своевременности).

3. Нахождение коэффициентов х, при которых ц^ = ц.

При расчете интенсивности обслуживания, осуществляемые в блоках з, 6, 10 имеются свои особенности, которые рассматриваются в следующем разделе.

Для проведения расчетов используются исходные данные, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета

Технические характеристики, требования и ограничения Значение

Скорость входного потока Кь, кбит/с 2зб8

Размер информационного пакета ¿пакета, бит 64 800

Длина очереди т,, пакетов 100

Время распространения радиоволн между АТ и центральной станцией Тпер.пакетов, с 0,25

Длительность суперкадра Тск, с 12,8

Длительность штрафа Тштраф, с 10

Штраф за использование приоритетной очереди 1 Дц, пакет/с 0,5ц1

Точность расчета 8 0,001

Требование по своевременности доставки:

для обслуживающего прибора 1, с 0,4 (с вероятностью 0,9)

для обслуживающего прибора 2, с 1 (с вероятностью 0,95)

зз6

Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета требуемой интенсивности обслуживания _и среднего времени доставки _

Выделенная интенсивность обслуживания Распределение трафика по очередям Среднее время доставки Результат

значение, с относительное изменение, %

1 2 3 4 5

75 Х1 = 0; Х2 = 1; хз = 0 0,767 + 3,9 выделено недостаточно пропускной способности,требования не выполняются даже для очереди 2

80,845 Х1 = 0; Х2 = 1; Х3 = 0 0,764 0 * выделено Цт;п - трафик передается через очередь 2

90 Х1 = 0; Х2 = 1; Х3 = 0 0,761 - 3,9 требования выполняются только при передаче всего трафика через очередь 2

100 Х1 = 0,1253; Х2 = 0,4361; Х3 = 0,4386 0,703 - 8,0 требования к вероятности доставки выполняются для очередей 1, 2

105 Х1 = 0,2461; Х2 = 0,0500; Х3 = 0,4386 0,644 - 15,7 требования к вероятности доставки выполняются для очередей 1, 2

110 Х1 = 0,3810; Х2 = 0,1804; Х3 = 0,4386 0,582 - 23,8

115 Х1 = 0,4318; Х2 = 0,1296; Х3 = 0,4386 0,556 - 27,2

121,326 Х1 = 0,5614; Х2 = 0,0000; Х3 = 0,4386 0,488 - 36,1 * выделено Ц___ - максимально * max возможная доля трафика передается через очередь 1

135 Х1 = 0,5614; Х2 = 0,0000; Х3 = 0,4386 0,484 - 36,6 максимально возможная доля трафика передается через очередь 1

Как видно из результатов применения алгоритма, увеличение пропускной способности канала свыше рш;п не гарантирует выполнение требований по своевременности доставки пакетов для всех очередей. Это связано с влиянием штрафа к пропускной способности при подключении передачи через приоритетную очередь 1 на низких информационных скоростях. При дальнейшем увеличении пропускной способности канала связи удается компенсировать штраф.

Повышение пропускной способности сверх ртах не приводит к сколь-нибудь значительному

уменьшению среднего времени доставки пакетов.

Особенности расчета интенсивности обслуживания. Для каждого обслуживающего прибора зависимость вероятности своевременной доставки пакетов от интенсивности их обслуживания Рдост{(р) является монотонно возрастающей функцией. Это означает, что отсутствуют локальные экстремумы функции. Для поиска минимально необходимой интенсивности обслуживания пакетов в очереди р* такого, что Рдост 1 (р*^ = Рд*ост^, можно использовать один

из прямых методов минимизации [4, 5], в частности в работе использован подход на основе метода золотого сечения.

Применительно к решаемой задаче метод золотого сечения включает следующие операции (см. рис. 3):

1. На отрезке [рл; рп] отметить две точки р1 и р2 каждая из которых делит отрезок на две неравные части таким образом, что отношение длины всего отрезка к длине его большей части равно отношению длин большей и меньшей части отрезка, т. е. (6):

рп - рл = р2 - рл , рп - рл = рп - р1 . (6)

р2 - рЛ рП - р2 рП - р1 р1 - рЛ

Точки с таким свойством называются точками золотого сечения отрезка [Цл; Цп]. Значения Ц1 и Ц2 определяются следующим образом [4]:

М = Цл + ( - Цл) Ц2 = Цл (Цп - Мл) . (7)

В полученных точках ищется значение функции /Дост (Ц) и РДост (Ц2 ).

2. Если интервал допустимой погрешности Рд*ост ^ + £ лежит полностью между

найденными значениями функции на шаге 1, то найденные точки Ц1 и Ц2 становятся новыми крайними точками отрезка [Цл; Цп] и шаг 1 повторяется.

Если интервал допустимой погрешности Рд*ост ■ + £ лежит полностью ниже (выше)

найденных значений функции на шаге 1, то найденная точка Ц1 (ц2) становятся новой крайней правой (левой) точкой отрезка [Цл; Цп] и шаг 1 повторяется.

Если в интервал допустимой погрешности Рд*ост ■ + £ попало одно из найденных значений функции на шаге 1, то соответствующий аргумент функции является искомым значением интенсивности обслуживания. Осуществляется переход к шагу 3.

3. Окончание поиска: положить Р * « Р ( ц ) , ц* « ц.

дост дост\г/'^ "

Р

итерация 2

Цл Ц1 Ц2 Цп

Ц

Рис. 3. Иллюстрация к расчету интенсивности обслуживания

Как показано в [3], величина ц* гарантированно находится в интервале (к,, 10к), то область поиска решения целесообразно ограничить именно этим интервалом: ц е (к,, 10к).

Количество итераций для достижения заданной точности расчета определяется выражением (8):

Л, _ ,, ^

п > 2,11п

Цп _ Мл

(8)

2е

Для системы широкополосной спутниковой связи в худших условиях, количество итераций для достижения заданной точности £ = 0,001 составляет п > 27 итераций для каждой приоритетной очереди.

Заключение. Разработанный алгоритм может быть использован для повышения качества обслуживания пакетов при передаче шифрованного трафика в обратном канале системы широкополосной спутниковой связи специального назначения. Основным результатом работы алгоритма является значительное уменьшение среднего времени доставки шифрованных пакетов при наличии некоторого запаса пропускной способности обратного канала.

В дальнейшем разработанный алгоритм предлагается использовать в составе программного обеспечения спутниковых абонентских терминалов при решении практических задач в системе широкополосной спутниковой связи специального назначения.

Список литературы

1. Новосадов К. С. Модель доставки пакетов разнородного трафика в сети спутниковой связи специального назначения // Цифровые средства связи: Вопросы их внедрения (25 ноября 2021 г.). Мат-лы междунар. науч.-практ. конф. Алматы, Военно-инженерный институт радиоэлектроники и связи, Республика Казахстан, 2021. С. 28-33.

2. Вентцель Е. С. Теория вероятностей: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2006. 575 с.

3. Новиков О.А., Петухов С.И. Прикладные вопросы теории массового обслуживания. М.: Советское радио, 1969. 400 с.

4. Хемди А. Таха. Введение в исследование операций. -7-е изд. М.: Вильямс, 2005.912 с.

5. Гончаров В.А. Методы оптимизации: учебное пособие. М.: Высшее образование, 2009. 191 с.

Новосадов Кирилл Сергеевич, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного

IMPROVING THE QUALITY OF IP-PACKET SERVICE IN A SPECIAL-PURPOSE BROADBAND SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM

K.S. Novosadov

The article describes an algorithm for improving the quality of service of IP packets when transmitting encrypted traffic in the reverse channel of a broadband satellite communication system. The quality of service in the article refers to the fulfillment of the requirements for the timely delivery of packages. The proposed algorithm makes it possible to assess the quality of packet traffic service, taking into account its distribution among priority queues of the satellite subscriber terminal, the available repeater resource and the different duration of its allocation cycle for different priority queues of the subscriber terminal.

Key words: package service, priority, delivery model, algorithm, subscriber terminal, packet traffic, throughput, delivery time.

Novosadov Kirill Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budenny

УДК 629.7

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-339-348

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗВЕРТЫВАНИЯ МНОГОСПУТНИКОВОЙ ГРУППИРОВКИ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

В.Я. Пророк, А.П. Кадочников, Д.С. Осадчая

В статье описана модель развертывания многоспутниковой группировки (МГ) космических аппаратов (КА). Рассмотрены особенности моделирования процесса выведения КА с электроракетными двигателями (ЭРД) на целевую орбиту и динамика изменения основных параметров орбитального перелета. Представлены различные схемы выведения МГ с учетом характеристик ЭРД, полного времени выведения и длительности нахождения на промежуточных орбитах.

Ключевые слова: многоспутниковая группировка, электрореактивный двигатель, опорная и целевая орбиты.

Непрерывное увеличение количества космических объектов, вызванное, в значительной степени, интенсивным развертыванием МГ КА (например: Starlink, OneWeb, Telesat LEO) на низких околоземных орбитах, повышает вероятность возникновения опасных сближений

339