УДК 654.02
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-92-93
РАЦИОНАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ТРАФИКА ПРИ ДОВЕДЕНИИ ИНФОРМАЦИИ ДО ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
Е.М. Палехин
В статье приводится модель функционирования многоканальных линий радиосвязи, обладающих нестационарными свойствами, при доведении информации до подвижного объекта, действующего в условиях взволнованной поверхности моря. Предложенная модель разработана с помощью метода топологического преобразования стохастических сетей. Новизна предложенного подхода заключается в учете вероятностно-временных характеристик каналов при распределении по ним, для передачи частей сообщения в целях сокращения времени его передачи.
Ключевые слова: линии связи, каналы связи, доставка сообщения, передача данных.
Введение. Среди многообразия возможных факторов, влияющих на сигнал вблизи приемной антенны подвижного объекта (ПО) в условиях взволнованной поверхности моря, являются интерференционные замирания сигнала вследствие сложения прямой, отраженной и рассеянной составляющих электромагнитного поля [1], а также периодическое погружение антенны в воду. Таким образом, прием информации на ПО происходит по каналам с нестационарными свойствами непосредственно влияющими на интегральный показатель оценки эффективности связи - гарантированное время передачи сообщения заданного объема [2].
При передаче сообщения значительного объема до ПО, обладающего повышенной скрытностью, по нестационарным низкоскоростным многоканальным линиям связи требуется обоснованный способ связи и рациональное распределение информационного трафика, обеспечивающих требования по достоверности.
Постановка задачи. Пусть имеются несколько линий радиосвязи, под которыми понимаются элементы системы связи, образующие каналы и групповые тракты. По ' каналам данных радиолиний осуществляется передача сообщения имеющего объем 55т5, которое разделяется на ' частей, имеющие объемы 55т5;. Части сообщения разделяются на пакеты (кадры), имеющие объем 5пак;, передаваемых со скоростями Упр1. Тогда £оп; - время однократной передачи одного пакета (1) по г'-му каналу, является случайной величиной, характеризуемой функцией распределения (фр) В;(£).
£ = 51и и (1)
'-от ,, . к и
Указанные радиолинии функционируют в условиях постоянно действующих помех. При этом предварительная обработка (кодирование) сообщения обеспечивает возможность достоверного приема однократно переданного пакета Роп1. С обратной вероятностью (1 — Роп;) по обратному каналу связи передается запрос объем 5запр;, передаваемого со скоростью Уобр1, о повторной передачи пакета, который принимается с достоверностью приема однократно переданного запроса Рзапр;. С обратной вероятностью (1 — Рзапр;) через случайное время паузы £ож; с фр запрос будет передан повторно. Время передачи запроса является случайной величиной £запр; и характеризуется фр !>;(£). В каждом пакете имеется контрольная информация, имеющая объем 5конт;.
Если все пакеты по всем ' каналам приняты достоверно и пройдена верификация сообщения, то адресат за случайное время £подгквт с фр К(Ъ) подготовит и передаст корреспонденту квитанцию объем 5квт, которая будет им принята успешно с вероятностью Рк. В противном случае, с вероятностью (1 — Рк) через случайное время ожидания квитанции £ок с фр 1(£) процесс передачи сообщения повторится.
Требуется определить:
- рациональное распределение частей сообщения по i каналам;
- фр #(£) времени передачи сообщения;
- гарантированное время передачи сообщения до корреспондента.
Решение. В соответствии с описанным алгоритмом. процесс доставки сообщения представлен в виде стохастической сети (Рис.1), на котором Ь(5),^(5),^(5),((5),й(5) - обозначены преобразование Лапласа-Стилтьеса функций распределения В(£),б(£),¿(0,соответственно.
гЮ
Рис. 1. Стохастическая сеть передачи сообщения по I каналам связи
92
Допущение: вероятности приема однократно переданных пакетов и запросов на их повторную передачу по ^му каналу радиосвязи равны между собой: Роп^ = Р0ш2 =...= Р0тп., Рзапр^ = Рзапр12 =...= Рзапр1п. ■
Тогда, эквивалентная функция передачи, определяемая на основе метода топологического преобразования стохастических сетей [3], пакета по г-му каналу будет иметь вид (2)
РопМз)
fnaKi / \ '
1- (1 - РопдРзапрЛ^Шз) - (1-P3anVi)gi(s)
Для определения расчетного соотношения функции распределения допустим:
ÍBi(t) = 1-e-»'t
[D,(t) = 1 -e~d¿
гДе bi = 1/tmi, 9i = 1/гожЬ di = 1/t3anpi.
После подстановки (3) в b(s), g(s), d(s), а полученные результаты в (2), то получим:
с * Ропi ínaKi{S) ~
где Xi=gi + di + bi-(1- P3anPi)di, Y¡ = digi + gibi + dibi -(1 - РоЩ)Рзапр4^ -(l - P3an?i) (1- g^d,
~PoniP3anpjdibigi.
Эквивалентная функция fnaKi(s) является характеристической функцией, позволяющей на основе метода двух моментной аппроксимации [4] определить k-е начальные моменты случайного времени реализации стохастической сети передачи одного пакета по формуле (5)
d fnaKi (s)
(2)
(3)
(4)
-fnaKi (0)
(5)
Отсюда среднее время передачи пакета, определяемое как начальный момент первого порядка определяется по формуле (6)
- _ d ínaKÍ
fnaKi (Ю
f (0) ■ (6) Дисперсия времени передачи пакета определяемая как второй центральный момент, вычисляется
по формуле (7)
Dn
d2 fnarn(.S~) fnaKi (Ю
ds2 fnaKiW_ s=Q ^ fnaKi(.0)_
5 = 0
Вычисление математического ожидания 1пак1 и дисперсии АшюС^ат) позволяет приближенно определить функцию распределения времени передачи пакета как неполную гамма-функцию (8)
(0, t <0
(7)
¡(0 =
^naKÍ
где anaKi = ■
- параметр формы, |inaK¡ =
ГС«^)
^anaKÍ 1Q №naKÍx t 0
- параметр масштаба.
(8)
Таким образом, реальная функция распределения времени передачи пакета была аппроксимирована неполной гамма-функцией, с параметрами, определяемыми из эквивалентной функции стохастической сети.
Первичное распределение объемов частей сообщения, без учета влияния вероятностных характеристик каналов, на пакетов, можно определить в соответствии с (9)
n¡ =
Кк:
где Ккан1 - интегральный показатель относительного качества канала, определяемый по формуле (10)
KKaHi ZUfo
^naKi ^^npi +Ko6pi o■
naKj npj ^Ko6pj ^^ож]^)
(9)
(10)
где КпаК1,Кпр1,Кобр1,КоЖ1 - частные показатели относительного качества каналов по размеру пакета, скорости в прямом и обратных каналах, а также времени ожидания на передачу повторного запроса вычисляются по формулам (11)
- (14)
(11) (12) (13)
^npi
К обр
Z ■ ? . ' i = ^naKj
V ■
Z ■ v ■, 1 = 1 Knp_/
^6pi
Z V Í=1 уобрУ
.....^ (14)
■^7 = 1 » .
Таким образом, наибольший объем сообщения будет распределен для передачи по каналу обладающим большими Бпаы, УпрЬ и меньшим Ь0ж1 ■
Эквивалентная функция для г-го канала при передаче части сообщения, можно определить с помощью систематической процедуры применения метода двухмоментной аппроксимации [5], состоящего из будет иметь вид (15)
№ =
П
/=1
V/
Vi+S
(15)
Т.к. оригиналом функции вида (15) является неполная гамма-функция:
=У(М,«;), (16)
то математическое ожидание и дисперсия времени реализации г'-го канала при передаче п; пакетов будет иметь вид (17), (18)
Т =
1 Т7;
D„, =
ъ
/=1
П1
I
/=1
Dj.
(17)
(18)
Получив математическое ожидание и дисперсию времени передачи п; пакетов, аналогично (8) определяются параметры формы и масштаба, а также фр времени их передачи по '-му каналу. Получив данные фр, требуется определить гарантированное время передачи части сообщения для окончательного перераспределения пакетов по каналам связи с учетом вероятностных характеристик в соответствии с целевой функцией (19)
Щ =/{пг еЛГ^ =Ртреб|^гар1(^) =^гар2(^) =... = ^(О}, (19)
где п; - количество пакетов для г'-го канала из разрешенного множества , в - достоверность приема части сообщения по г'-му каналу, втреб - требуемая достоверность приема, Ргар;(£) - гарантированное время доведения по г'-му каналу.
Так как вершина 8 является вероятностным узлом «И», то она будет реализована только тогда, когда все входящие в нее ветви реализуются. Времени ее реализации соответствует максимальное время свершения подпроцессов, соответствующих всем входящим ветвям. Следовательно, требуется распределить сообщение по ' каналам так, чтобы время гарантированной передачи по каждому из них было одинаковым.
После перераспределения сообщения по каналам связи, определяется эквивалентная фр многоканальной пакетной передачи (20),
№) =--, (20)
где m -
- число задействованных каналов, к = 1/^, 1 = 1/£0&.
Аналогично определению среднего времени, дисперсии и фр при передаче пакета, в соответствии с формулами (6), (7), (8) определяются среднее время, дисперсия и фр времени передачи сообщения по радиолинии связи.
По вышеуказанным выражениям произведены расчеты для передачи сообщения 55т5 = 50 Кбайт по линии связи с характеристиками: 5запр = 50 байт, 5квт = 100 байт, Рк = 0,98, £подгквт = 5 с, £ок = 60 с, (Зтреб = 0,99; по трем каналам связи со следующими характеристиками:
1) '2)
Роп = 0,99, Р„п = 0,95,
3) Роп = 0,92,
= 0,99,
Р =0 99
1 запр
Рзапр =0,98,
5пак = 800 байт,
5пак = 600 байт,
5конт = 40 байт,
5конт = 30 байт,
£ож = 10 с, результаты которых представлены на (рис. 2-5).
Кпр = 600 бит/с, Кпр = 500 бит/с, Кпр = 400 бит/с,
К)бр —
^обр —
^обр —
= 600 бит/с, = 500 бит/с, = 400 бит/с,
H(t) 0.3
Htill(t) ЕЗпЩ!)0-6
Нп1ЭД
jj" '
0.2
Рис.2. Графики функций распределения времени передачи частей сообщения, передаваемых по 3 каналам связи)
без предварительного распределения
На рис. 2 видно, что при передаче сообщения по трем каналам связи без рационального разделения сообщения, т.е. объем сообщения будет распределен на равные части, наибольшее время передачи будет по третьему каналу (Hn13) и гарантированное время доставки по нему составит Тгар3 = 554,7 с, в то время, когда по первому (Hn11) и второму каналу (Ни 12) части сообщения будут уже доставлены.
При применении предварительного распределения в соответствии с формулами (9) - (14) (рис. 3), учитывающего относительное качество каждого канала без его вероятностных характеристик, сообщение будет распределено следующим образом: Ssmsl = 19,5 Кбайт, Ssms2 = 16,7 Кбайт, Ssms3 = 13,8 Кбайт.
Время доставки сообщения по первому (Ни21) и второму (Ни22) каналам увеличится, а по 3-му каналу (Ни23) уменьшиться и максимальное гарантированное время передачи части сообщения уже составит Тгар3 = 473,4 с.
Рис.3 Графики функций распределения времени передачи частей сообщения по 3 каналам связи без учета их вероятностных характеристик с предварительным распределением
При перераспределении сообщения на части между каналами с учетом их вероятностных характеристик (рис. 4), времена доставки части сообщений становятся практически (т.к. характеристики каналов детерминированы, то точное равенство определить затруднительно) равными: Тгар1 = 405,1 с, Тгар3 = 405,8 с, Тгар3 = 406 с, а сообще-
ние будет разделено на следующие части: 55т51 = 21,3 Кбайт, 55,
= 17 Кбайт, 5„
= 11,7 Кбайт■
Рис. 4. Графики функций распределения времени передачи частей сообщения по 3 каналам связи при рациональном распределении с учетом их вероятностных характеристик
Графики функций распределения времени доставки сообщения, полученные с помощью формул (6)-(8) из эквивалентной функции (20) при различных вариантах распределения сообщения на части показано на рис. 3. Рациональное распределение сообщения на части для передачи по нескольким каналам связи непосредственно влияет на гарантированное время передачи сообщения, так в указанном выше примере в первом случае составит Тгар = 630 с, во втором 537 с, а в третьем 461 с. Следовательно, гарантированное время передачи сообщения при рациональном распределении сообщения на части с учетом его характеристик в указанном примере сокращается в 1,37 раза.
/
/
/
/ /
/ X
/ /
/ /
/ У
у у у'
над
Н30)° р
1С
Рис. 5 Графики функций распределения времени передачи сообщения без рационального распределения (111(1)), с предварительным (И2(1)) и при рациональном распределении (ИЗф) частей сообщения
по 3 каналам радиосвязи
95
Заключение. На основании общих принципов функционирования линий радиосвязи и обеспечения требуемого качества связи при передаче сообщения в статье предложен подход учета нестационарных свойств каналов радиосвязи для рационального распределения информационного трафика в целях сокращения времени передачи. Подход основан на представлении процесса доставки сообщения в виде стохастической сети, определении ее эквивалентной функции, вычислении начальных и центральных моментов времени доставки пакетов, распределенных по каналам частей сообщения и сообщения в целом, расчете параметров масштаба и формы неполной гамма функции с последующим определением функции распределения времени успешной доставки сообщения, гарантированного времени доставки сообщения и рациональных значений объемов частей сообщения. Новизна предложенного подхода заключается в учете вероятностно-временных характеристик каналов при распределении по ним для передачи частей сообщения. Показано преимущество использования комплексного подхода при разделении сообщения на части при передаче по каналам радиосвязи, учитывающего как их стационарные, так и нестационарные свойства. Предложенный подход позволяет получать оценки качества функционирования каналов связи на уровне реализации целевого процесса.
Список литературы
1. Кукаркин А.В. Математическая модель сигнала ненаправленной надводной антенны спутниковой связи. Монография. СПб.: в/ч 30895-Ш. 2002. 196 с.
2. Директоров Н.Ф. Автоматизация управления и связь ВМФ / Н.Ф. Директоров, В.И. Дорошенко [и др.]; под общ. ред. Ю.М. Кононова. СПб.: «Элмор». 2001. 512 с.
3. Привалов А.А. Метод топологического преобразования стохастических сетей и его использование для анализа систем связи ВМФ. Монография. СПб.: ВМА. 1999. 176 с.
4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учебник для вузов. 5-е изд. М.: Высш. шк., 1998. 576 с.
5. Канаев А.К., Карабанов Ю.С. Систематическая процедура применения метода двухмоментной аппроксимации для определения функции распределения времени реализации стохастической сети // Региональная информатика и информационная безопасность. 2017. №3. С. 20-25.
Палехин Евгений Михайлович, адъюнкт, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота «Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова»
RATIONAL DISTRIBUTION OF INFORMATIONAL TRAFFIC WHEN ADDING INFORMATION TO A MOBILE OBJECT
E.M. Palekhin
The article presents a model of the functioning of multi-channel radio communication lines with non-stationary properties when bringing information to a mobile object operating under conditions on an agitated sea surface. The proposed model is developed using the method of topological transformation of stochastic networks. The novelty of the proposed approach is to take into account the probabilistic-temporal characteristics of channels when distributing parts of a message over them in order to reduce the time of its transmission.
Key words: communication lines, communication channels, message delivery, data transmission.
Palekhin Evgeniy Mikhailovich, adjunct, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Training and Scientific Center of the Navy «Naval Academy named after Admiral of the Fleet of the Soviet Union N.G. Kuznetsov»
УДК 004.048
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-96-97
ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОЙ ТЕЛЕМЕДИЦИНСКОЙ СИСТЕМЫ
НА БАЗЕ НОСИМЫХ И IOT УСТРОЙСТВ
Н.В. Дорофеев, М.С. Горячев, Р.В. Шарапов, А.М. Костюхина
В работе рассматриваются вопросы построения архитектуры информационной системы для персонализированной медицины на основе портативных устройств. В системе выделяются подсистемы сбора данных, построения математических моделей, предсказания состояний и верификации математических моделей. При построении системы персонализированной медицины по предложенной архитектуре становится возможным реагировать практически в режиме реального времени на изменения состояния пользователя. Это позволяет в кратчайшие сроки проводить корректировку курса лечения, оповещать лечащих врачей и медицинский персонал. В традиционных системах реакция на изменение состояния происходит после посещения лечащего врача или поступления результатов диагностических наблюдений. В работе рассматриваются вопросы балансировки системы по нагрузке. Результаты показывают существенное снижение загрузки.
Ключевые слова: телемедицинские системы, сигналы, акселерометр, движения, походка, мобильный телефон, смартфон, носимое устройство, биометрия, персонализированная медицина.
1. Введение. В настоящее время во всем мире наблюдается тенденция бурного развития персонализированной медицины. При этом осуществляется переход от «стандартных» процедур и методов лечения к индивидуализации подходов, глубоком рассмотрении индивидуальных особенностей того или иного пациента, учетом индивидуальной предрасположенности к тем или иным заболеваниям, реакции на те или иные методы лечения и лекарственные препараты. Другими словами, персонализированная медицина решает задачи не лечения заболеваний как таковых, свойственных большой массе пациентов, а лечения каждого конкретного человека. При этом в рассмотрение берутся не просто симптомы того или иного заболевания, а все знания о пациенте, начиная от перенесенных заболеваниях и результатов анализов и заканчивая данными генома человека и его наследственности.