CC BY
142
УДК 621.39
А. А. Сорокин
РАЗРАБОТКА И ОЦЕНКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИЕЙ СЕТИ
Введение
В настоящее время для систем подвижной радиосвязи с интеграцией услуг (СПР-ИУ) разрабатываются способы увеличения зоны покрытия за счет обслуживания крупных подвижных объектов (КПО) - самолетов, кораблей, поездов [1, 2]. Отличительной особенностью способов, описанных в [1, 2], является отсутствие необходимости использовать системы спутниковой связи для организации информационного обмена КПО с наземными системами связи. Реализуются эти способы за счет размещения на КПО подсистемы доступа (ПД) для обслуживания абонентских терминалов и подсистемы организации транспортных каналов связи, аналогичных радиорелейным линиям. Класс сетей, в которых подсистема организации транспортных каналов связи располагается на подвижных объектах, получил название системы связи с динамической топологией сети (ССДТС) [3, 4]. Согласно [3, 4], одним из ограничений существующих ССДТС являются трудности передачи высокоскоростного трафика реального времени, которые вызваны особенностями работы существующих протоколов канального и сетевого уровней, используемых в ССДТС. На канальном уровне ССДТС используются протоколы, основанные на случайном множественном доступе (СМД) [4-6]. Недостатком использования СМД является возникновение коллизий в случае начала одновременной передачи информации несколькими узлами. Альтернативой СМД является использование детерминированного множественного доступа (ДМД) - когда право на использование среды передачи распределяется между сетевыми устройствами заранее. Использование ДМД позволяет избежать возникновения коллизий в сети и, как следствие, осуществлять передачу информации с высокой скоростью и низкими задержками. В настоящее время ДМД получил распространение при организации транспортных каналов в системах связи со статической топологией.
В связи с вышеизложенным целью исследований была разработка модели системы связи с динамической топологией сети, в которой осуществляется ДМД к среде передачи информации, оценка работоспособности предлагаемой модели средствами имитационного моделирования.
Описание модели системы связи с динамической топологией сети
В соответствии с [7, 8], для описания топологии систем связи широкое применение нашли методы теории графов. Согласно теории графов, топология системы связи представляется в виде графа G(V, Е), где V - множество вершин (сетевые узлы), а Е - множество ребер графа (каналы между сетевыми узлами). В зависимости от требований, предъявляемых к модели, каждой вершине или ребру сопоставляется численное значение (вес). При помощи веса вершины или ребра описываются физические параметры узлов или каналов связи (пропускная способность, численность абонентов, расстояние, стоимость и др.). Далее граф описывается при помощи различных матриц - инцендентности, кратчайших путей, распределения нагрузки. На основе полученных матриц производится расчет или корректировка таблиц маршрутизации (ТМ). В ТМ содержится информация об оптимальных по заданным критериям маршрутах. Задачи построения или корректировки ТМ решаются при помощи протоколов маршрутизации. Согласно [7], при изменении топологии СПР-ИУ узлы, находящиеся рядом с местом изменения топологии, генерируют служебные сообщения о характере изменения топологии, далее служебное сообщение рассылается по узлам сети для проведения корректировки ТМ.
Если в состав СПР-ИУ входят подвижные узлы, то требуется постоянная корректировка ТМ из-за постоянных изменений характеристик каналов между подвижными и стационарными узлами сети. Изменения характеристик каналов связи вызваны изменением расстояний между узлами. Постоянное реагирование на изменения характеристик каналов связи между узлами приводит к увеличению в системе связи объема служебного трафика. Увеличение объема служебного трафика снижает полезную пропускную способность каналов связи. В [3] предлагается описывать непрерывные топологические изменения в виде последовательности статических
графов. Характеристики каждого элемента последовательности (статического графа) определяются заранее на основе расчета параметров беспроводных каналов. Данное представление позволяет производить предварительный расчет ТМ, осуществлять предварительную рассылку ТМ по узлам сети и затем заменять используемые ТМ согласно спрогнозированным топологическим состояниям. В целом преимущество во введении дискретности в описание непрерывных топологических изменений заключается в сокращении объемов служебной информации, а также снижении вероятности потери информационных пакетов. Однако применимость предварительного расчета ТМ ограничивается тем, что подвижный объект подвержен воздействию случайных возмущающих воздействий. Наличие возмущающих воздействий снижает достоверность и дальность прогноза, что в результате может привести к потере актуальности информации, содержащейся в ТМ, в момент ее использования.
В рамках проводимых исследований предлагается представить ССДТС в виде статического графа с постоянным числом вершин и изменяемым количеством ребер. Закон изменения состава ребер определяется в зависимости от характеристик движения КПО. Считается, что система между изменениями топологического состояния связи находится в стационарном состоянии. Формально данное обстоятельство представляется в следующем виде:
"е [0;+¥) $Мп = гп _гп_1 и ге (гпч; гп) и Оп(0 = в(Ып), (1)
где Агп - время стационарного состояния системы; гп-1 - время начала стационарного состояния; гп - время окончания стационарного состояния; {О (Аг )} - статический граф, описывающий состояние в момент времени Агп .
Топологическое состояние сети изменяется с течением времени и представляется в виде конечной последовательности графов:
{О(Аг)} = О(Аг0) ® О(А^) ®... ® О(Агп). (2)
Каждый последующий граф отличается от предыдущего на определенное приращение АО(У, ):
О(Агп) = О(Агп-1) и АО(У, Еперех) , (3)
где АО(У, Еперех) - приращение к графу О(Агп-1), необходимое для перехода в состояние графа О(Агп); Еперех - ребра, добавляемые (или исключаемые) приращением АО(У, Еперех).
Таким образом, последовательность дискретных топологических состояний (2), с учетом (3), описывается статическим графом, эволюционирующим по закону, определяемому параметрами движения узлов сети. Процесс эволюции графа заключается в «рождении» и «гибели» ребер между парами узлов. Время «рождения» и «гибели» ребер определяется на основании особенностей перемещения КПО и физических характеристик каналов связи между узлами сети. Пример эволюции графа, описывающего ССДТС из четырех вершин в моменты времени А^, Аг2, Аг3, показан на рис. 1.
£ 1 «г
1
1 X.
1 *
* •
1 **ч
1 '
%
Рис. 1. Последовательность топологических изменений ССДТС
Использование предлагаемой модели применительно к решениям задач сетевого уровня означает, что ССДТС представляется в виде системы связи со статической топологией, работающей в режиме «открытия» и «закрытия» каналов. Протокол маршрутизации, работающий на сетевом уровне данной системы связи, должен обеспечивать поиск альтернативных маршрутов при переходе системы связи из одного топологического состояния к последующему. Необходимым условием работоспособности ССДТС является обеспечение связанности графа сети в моменты перехода, описываемые формулой (2). С учетом формулы (3) при переходе системы из одного топологического состояния в последующие отсутствует необходимость перерасчета ТМ для всей сети, производится только корректировка отдельных элементов ТМ с учетом изменения топологии сети. Использование предлагаемой модели применительно к решениям задач канального уровня позволяет определить временные и пространственные характеристики системы связи при «открытии» и «закрытии» каналов связи между парами узлов, произвести предварительное распределение среды передачи для каждого узла и обеспечить наличие каналов связи гарантированного качества. Физически это означает возможность предварительно планировать использование частотных номиналов для организации каналов связи между КПО в зависимости от места нахождения.
Основу расчета времени «открытия» и «закрытия» каналов связи гарантированного качества составляет методика, описанная в [3]. Допущениями данной методики было то, что КПО перемещаются по гладкой поверхности равномерно и прямолинейно. Условия, наиболее близкие к условиям, предусмотренным методикой [3], наблюдаются, если под КПО понимается судно, перемещающиеся по морю. С учетом концепции развития водного транспорта [9] методика [3] была модернизирована в методику расчета времени «открытия» и «закрытия» каналов связи между КПО, перемещающимся по кривой линии, и статическими узлами. В рамках данной методики под кривой линией понимается фарватер реки. Например, при перемещении по акватории КПО а взаимодействует со стационарными узлами А, В, С, В. В процессе перемещения КПО изменяет траекторию движения в точках П1, П2, П3, П4 (рис. 2). В качестве допущения принимается, что антенны, установленные на узлах А, В, С и В, обеспечивают сплошное покрытие в зоне обслуживания, а на узле а установлена антенна с круговой направленностью (рис. 2).
Рис. 2. Перемещение КПО по сложной траектории
Для расчета времени взаимодействия подвижного узла а с узлами А, В, С и В требуются следующие начальные данные:
1. Начальные условия расположения узла а {ха,уа,\а,аа} - начальные координаты, скорость и угол направления движения.
2. Характеристики статических узлов, например узла А, описываются параметрами {ха,Уа,Яа}, где Ха,Уа, координаты узла А, а Яа - радиус зоны покрытия узла А. Аналогично описываются характеристики остальных статических узлов.
3. Характеристики точек, изменения направления движения, например, точки П1, описываются параметрами (хП1,уП2,аП1} , где (хП1,уП2,} - координаты точки П1, а аП1 - угол поворота при совершении маневра. Аналогично задаются характеристики точек, на которых КПО совершает маневры.
После формирования базы данных решается последовательность тригонометрических уравнений и формируется выходная база данных, в которой содержится время «открытия» и «закрытия» каналов связи между КПО и статическими узлами сети.
Моделирование передачи трафика в ССДТС по исследуемой системе осуществлялось при помощи программного пакета NS-2.31 [10]. На сетевом уровне моделируемой системы использовался динамический протокол маршрутизации, на транспортном уровне - протокол UDP (Universal Datagram Protocol), не гарантирующий доставку информационных пакетов, на канальном уровне использовался детерминированный доступ к среде передачи. По сети передавался трафик с постоянной скоростью (CBR, Constant Bit Rate). В процессе моделирования производилось изменение скорости движения узлов и скорости передачи трафика между узлами. Всего было выполнено три серии экспериментов для скорости 0,2, 0,5 и 1 ед./сек. Время, затрачиваемое на обеспечение смены рабочей частоты, скорость реакции оборудования на изменение топологии сети не учитывались. Начальные условия моделирования показаны в табл. 1.
Таблица 1
Начальные условия эксперимента
Параметры подвижных узлов № узла Координаты Скорость Угол движения
Среднее значение Отклонение Среднее значение Отклонение
а 1,5; 3 0,2 0,2 | 0,5 | 1 0,15 0
Параметры статических узлов № узла Координаты Радиус покрытия
A 4,5; 4,5 3
B 9,5; 5,5 5
C 15; 5 4
D 20; 5,5 4
Параметры точек поворота № узла Координаты Угол поворота, град
Среднее значение Отклонение
П1 7,5; 3 0,2 11
П2 10; 3,5 0,2 35
П3 14,5; 6,5 0,2 19
П4 17,5; 7,5 0,2 0
Каждая серия экспериментов состояла из четырех подсерий, в каждой подсерии задавалась скорость передачи информации «Объект-Сеть» и «Сеть-Объект» - 1, 2, 4 и 8 Мбит/с соответственно. Число выборок в каждой подсерии составляло 10. По результатам моделирования оценивалась средняя задержка передачи информационного пакета из конца в конец и вероятность потери информационного пакета в процессе передачи информации. После оценки результатов моделирования производился расчет средних значений и среднеквадратичных отклонений (СКО). Результаты моделирования представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты моделирования системы связи
Скорость движения узла, ед./сек Скорость передачи информации, Мбит/сек Вероятность потери информационного пакета Абсолютное число потерянных пакетов Средняя задержка из конца в конец
Математи- ческое ожидание СКО Математи- ческое ожидание СКО Математи- ческое ожидание СКО
0,2 1 0,00032 5,79-10"5 17 2 0,0284 2,3-10"4
2 0,0003 4,62-10"5 32 2 0,0285 2,2-10"4
4 0,0003 4,43-10"5 63 1 0,286 2,3-10"4
8 0,00029 4,05-10-5 122 1 0,286 2,4-10"4
0,5 1 0,00082 2,1-10"4 19 4 0,0286 2,1-10"4
2 0,00072 1,110-4 32 1 0,0287 2,1-10-4
4 0,00071 1,110-4 62 1 0,029 1,7-10"4
8 0,00071 1,2-10"4 122 1 0,0281 4,2-10"4
Продолжение табл. 2
Скорость движения узла, ед./сек Скорость передачи информации, Мбит/сек Вероятность потери информационного пакета Абсолютное число потерянных пакетов Средняя задержка из конца в конец
Математи- ческое ожидание СКО Математи- ческое ожидание СКО Математи- ческое ожидание СКО
1 1 0,0012 2,1-10"4 16 2 0,0286 3,110-4
2 0,002 1-10-4 32 1 0,0284 2,4-10-4
4 0,00201 1-ю-4 63 1 0,0284 2,8-10-4
8 0,00203 1,110-4 126 8 0,0283 2,8-10-4
На основании данных табл. 2, для случая использования антенн, обеспечивающих сплошное покрытие в зоне обслуживания узлов А, В, С, В, и антенны с круговой направленностью на узле а, с учетом норм, установленных Европейским исследовательским центром в области телекоммуникаций [11], получены:
1. Качественные выводы
1.1. Абсолютное число потерянных информационных пакетов незначительно зависит от скорости движения узлов.
2.2. Абсолютное число потерянных пакетов сильно зависит от скорости (объема) передаваемой информации - чем больше скорость передачи информации, тем выше абсолютное число потерянных пакетов.
3.3. Вероятность потери информационного пакета возрастает с увеличением как скорости движения, так и скорости передачи информации.
4.4. В диапазоне скоростей движения узла а от 0,2 до 0,5 ед./сек вероятность потери информационного пакета обратно пропорциональна скорости движения узла.
5.5. В диапазоне скоростей от 0,5 до 1 ед./сек вероятность потери информационного пакета прямо пропорциональна скорости движения узла.
2. Количественные выводы.
2.1 Смоделированная система связи обеспечивает передачу информации трафика реального времени (1Р-телефония, видеосвязь) в диапазоне скоростей движения узла а от 0,2 до 0,5 ед./сек (норма по задержке 1Р-телефония 500 мс, видеосвязь 30 мс, норма по вероятности потери информационного пакета - 10" ). При увеличении скорости до 1 ед./сек вероятность потери увеличивается до 20-3, согласно [11], влияние вероятности потери информационного пакета на трафик реального времени оценивается как умеренное.
2.2 Смоделированная система связи, при использовании на транспортном уровне ЦОР-протокола, не обеспечивает передачу трафика обычных данных в соответствии с установленными нормами - установлено 10-6, получено >10-5. Следовательно, для передачи трафика обычных данных (обмен файлами, телеметрия и др.) в качестве протоколов транспортного уровня в ССДТС необходимо использование протоколов, гарантирующих доставку информационных пакетов.
Моделирование показало работоспособность модели и позволило оценить работоспособность системы связи с динамической топологией сети в процессе передачи трафика с постоянной скоростью.
Выводы
В процессе исследований разработана модель системы связи с динамической топологией сети, в которой процесс движения узлов заменяется процессом «открытия» и «закрытия» каналов между узлами. Топологические изменения сети представляются в виде эволюционирующего графа, эволюция заключается в последовательном изменении состава ребер графа между узлами. Необходимым критерием работоспособности системы является наличие связанности графа в момент перехода из одного топологического состояния в последующие.
В процессе моделирования системы связи с динамической топологией сети установлено: вероятность потери информационного пакета возрастает с увеличением как скорости движения, так и скорости передачи информации; смоделированная система обеспечивает передачу информации трафика реального времени в диапазоне скоростей движения узла а от 0,2 до 0,5 ед./сек; при увеличении скорости до 1 ед./сек наблюдается увеличение вероятности потери информационного пакета выше установленных норм; при передаче по системе трафика, требующего высокой вероятности доставки, необходимо использование протоколов, гарантирующих доставку информационных пакетов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. РФ № 2208296. Кластерная телекоммуникационная система / В. В. Мокрышев, С. В. Мокрышев, С. К. Колганов, В. А. Шувалов.
2. Пат. РФ № 2341896. Способ мобильной связи между подвижными и стационарными объектами /
В. Н. Дмитриев, А. А. Сорокин.
3. Дмитриев В. Н., Сорокин А. А., Пищин О. Н. Системы связи с динамической топологией сети // Ин-фокоммуникационные системы и технологии: проблемы и перспективы. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - С. 59-118.
4. Amitava Mukherjee, Somprakash Bandyopadhyay, Debashis Saha. Location Management and Routing in Mobile Wireless Networks Artech. - House Boston • London 2003. - 250 p.
5. Ad hoc networks, Technologies and Protocols / Edited by Prasant Mohapatra (University of California, Davis), Srikanth V. Krishnamurthy (University of California, Riverside) Springer Science + Business Media, Inc. 2005. - 295 p.
6. Yi Lu. Adaptive and heterogeneous mobile wireless networks / Center for Education and Research in Infor-
mation Assurance and Security, Purdue University, West Lafayette, 2004. - 160 p.
7. Комашинский В. И., Максимов А. В. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации. Основы моделирования. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 176 с.
8. Семейкин В. Д. Сети связи: Курс лекций. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2006. - 256 с.
9. Концепция развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации (одобрена распоряжением Правительства РФ от 3 июля 2003 г., № 909-р).
10. Программный пакет Network Simulator 2.31 / http://www.isi.edu.
11. Телекоммуникационные системы и сети / В. В. Величко, Е. А. Субботин, В. П. Шувалов, А. Ф. Ярославцев: учеб. пособие: в 3 т. Т. 3. Мультисервисные сети / под ред. проф. В. П. Шувалова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 592 с.
Статья поступила в редакцию 11.06.2009
DEVELOPMENT AND ANALYSIS OF THE COMMUNICATION SYSTEM MODEL WITH DYNAMIC NETWORK TOPOLOGY
A. A. Sorokin
The communication system model with dynamic network topology is presented. The serviceability of communication system with dynamic network topology by means of the developed model is analysed.
Key words: dynamic topology, large mobile object, system of communication, model, graph, a discrete condition, evolution.
