Выбор соотношения между пропускной способностью прямого и обратного каналов в гибридных сетях спутниковой связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 004.738.5, 621.396

Выбор соотношения между пропускной способностью прямого и обратного каналов в гибридных сетях спутниковой связи

А.С. Пастухов

Приводятся результаты исследования влияния коэффициента использования и параметров протокола ARQ-SR на показатели гибридной сети спутниковой связи.

Investigation results of influence of cannel usage and ARQ-SR protocol parameters on the behavior of hybrid satellite link are shown.

C развитием систем спутникового доступа в Internet на основе гибридных сетей спутниковой связи (ГССС) и протокола автоматической повторной передачи с выборочным повтором ARQ-SR (Automatic Repeat Request - Selective Repeat) появляется необходимость в эффективном использовании данных систем. Очевидно, что эффективная работа гибридной сети определяется параметрами протокола ARQ-SR, их влияние на работу сети является важной задачей при построении систем спутникового доступа в Internet.

Исследования показывают, что для построения спутниковых систем асимметричного доступа в Internet удобно использовать ГССС [1, 2, 9, 10]. Многие работы посвящены эффективному использованию ГССС, но при этом наблюдается ряд недостатков [4, 5, 6, 8]. В настоящее время отсутствуют исследования по выбору пропускной способности (ПС) между прямым и обратным каналами в ГССС. Слабо изучено воздействие используемых протоколов на функционирование ГССС. В этой статье автору удалось провести исследование с учетом перечисленных недостатков.

Показав, что ГССС в некоторых случаях [3, 8] может обеспечить лучшую ПС, чем спутниковая сеть связи (ССС), можно задаться вопросом выбора соотношения между ПС спутникового и наземного каналов. В статье анализируется, как влияет отношение ПС между спутниковым и наземным каналами на ПС и коэффициент эффективности (КЭ) ГССС с учетом параметров протокола ARQ-SR.

Оценка коэффициента использования в ГССС.

Пусть Л0б - ПС для передачи информации от передатчика к M приемникам ГССС, которая является суммой ПС спутникового и M наземных каналов. Структура и модель исследуемой ГССС подробно описаны в [3, 8]. Пусть также р - коэффициент ис-

пользования (КИ), определяемый частью ПС, предназначенной для наземных каналов 0 <р < 1. Тогда каждому из М приемников выделяется наземный канал с ПС, равной К3= рЯ0б/М. Задача состоит в нахождении такого значения р, которое максимизировало бы ПС ГССС. Если найти р, можно найти Л0б и определить ПС спутникового и наземного каналов для каждого приемника Кс= (1-р)Яоб, Я3= рК-ов/М соответственно.

Для нахождения величины р, максимизирующего ПС, предположим, что размер заголовка, Ьсп, фиксирован для каждого кадра. Также положим, что известны BER для спутникового и наземного каналов, и они не изменяются и не зависят от СП. Во избежание тривиальных случаев предположим, что ВЕК удовлетворяют условиям 0< q с, q 3 <1. Случай с фиксированной длиной пакета. Для понимания влияния р на ПС будет полезно временно предположить длину кадра ЬИ фиксированной. Тогда ПС будет изменяться согласно рис. 1.

Если р=0, то имеет место спутниковая сеть связи (ССС), если р=1 - наземная сеть связи (НСС), при 0<р<1 - ГССС. Так как все три случая

\ \ 1 \ 1 \ 1 \ • \ * \ 1 \ 1 \ 1 \ 1 V

о а ]

Ко iijir'iLIIдоенI ИС180ЛМОМHi-' В

Гийрндиал есть. Гибридная сеть.

нестабильным режим режим

* Только спутниковая сеть Тол ько наземная сеть Г

Рис. 1. Пропускная способность в зависимости от КИ СП

относятся к разным сетям, функция зависимости ПС от р обрывается в точках р=0 и р= 1.

В ГССС, для которой 0</>< 1, при слишком малой ПС наземного канала, проявляется работа в нестабильном режиме. Если ПС достаточна, то работа стабильна.

Пусть р - значение р, разграничивающее работу на стабильную и нестабильную. Точнее 0< р <1, - максимальное значение р, при котором работа еще нестабильна, т.е., р должно быть больше, чем р , чтобы работа была стабильной. Значит, если р < р , то работа ГССС нестабильна.

С уменьшением р от значения р , ПС отбирается от наземных каналов к спутниковому. Это усугубляет характер нестабильной работы: больший поток повторных передач обеспечивается НСС, а ресурс ее уменьшается. Таким образом, спутниковый передатчик простаивает длительное время и ПС стремится к нулю. При уменьшении р изменяется поток повторных передач (увеличивается), возможность НСС обслужить этот поток уменьшается линейно. Также уменьшается линейно ПС.

При р <р< 1 работа ГССС стабильна. Добавление ПС наземного канала (ресурса) не увеличит ПС, так как для обслуживания потока повторных передач была использована достаточная ПС. При увеличении р уменьшается использование ресурса спутникового канала и уменьшается загруженность повторными передачами НСС. Это только улучшает стабильность системы. Увеличение р также уменьшает скорость успешной доставки кадров через спутник к данному приемнику. Поэтому увеличение р от р до единицы вызывает уменьшение ПС до нуля. Так как ПС изменяется линейно с изменением объема ресурса СК, то она уменьшается линейно с увеличением р.

Из проведенных исследований, видно, что максимум ПС в ГССС достигается при р немного большим, чем р , и ПС при этом немного меньше, чем Ьш р Л0б/(/ / с ).

Для нахождения р запишем условие стабильности [7] в величинах р

О - р )лЛ [1 - (1 - (1 - ?,)

м

р >р

+ Lc,

Решая (1) относительно р, получим

(1)

М

Рз

(\-q3)L"+L™ +(l-qc)L"'

1

М

(2)

(1-Рз)+Рс

где в измерения в BER преобразуются в измерения в FER. Это выражение также указывает на увеличение р с ростом М, что и понятно: с увеличением числа приемников меньше ресурсов отдается спутниковому каналу и больше - наземному каналу для повторных передач.

Случай с переменной длиной пакета. Если длина кадра ZH не фиксирована, тогда /,„ можно установить такую, чтобы максимизировать ПС для заданной комбинации qc, q ,. для случая ()<р< 1.

Для случая р <р< 1, т.е. при стабильной работе длина информационной части кадра L № определяется по формуле (1), представленной в [7]. Отметим, что данный параметр является функцией от ^сл, Я с- q3 и не зависит от Rc и R3, а также определяется без учета частного значения р. Тогда для р </)< 1 оптимальная длина кадра равна I,„.

Из рис. 1 видно, что ПС максимальна при р= р для соответствующей I, п. ПС в таком случае (р <р<1) будет равна

у _ 4Аб-----------^—Кз (з)

г 4+4л (1-р3)/м + рс ’ где рси р3 - величины FER спутникового и наземного каналов, вычисленные при ЬИ= I.„. Выражение (3) дано как неравенство, потому что /,,, должно быть немного меньше Ь и, чтобы обеспечить стабильность. Аналогично, вместо этого можно допустить р немного больше, чем р .

Пока было показано, что оптимальный КИ в случае 0</К1 не превышает значение р , соответствующего числу Ьл. При ()<[>< р ГССС может еще использоваться, но /,,, должно быть меньше чтобы обеспечить стабильность по (1). Так как нет аналитического решения для каждого ЬИ, р должно меняться, и для каждого значения р необходимо вычислить соответствующее /,„ и проверить ПС. Вполне возможно, что ПС при р=0 или р= 1 меньше, чем при р .

Поэтому для 0</К1 нельзя найти оптимальную комбинацию р и прямым способом, как для р=0 и р=\. Здесь следует использовать процедуру

(1-Рз )/М

Т*

поиска следующего вида: находим Ь и - величину Ьи, удовлетворяющую выражению (1) представленному в [7]; находим рс и р3, соответствующие Ьи, и р по выражению (2); вычисляем максимальную ПС для стабильной работы ГССС с р е р ,1 по выражению (3); изменяя р, для каждого значения находим максимальное Ьи, которому удовлетворяет (1). Далее используем это значение для

Ь

вычисления ПС Кс =------- ---(1 - р )Яоб ;

Ьи + Ьсл

Величина р и соответствующее значение Ьи, полученные ранее и есть комбинация, соответствующая максимальной ПС ГССС для 0<р <1. Оценка влияния КИ на показатели ГССС. С целью исследования влияния КИ на ПС и КЭ ГССС были построены зависимости по соотношениям (1) и (3). Эффективность работы ГССС характеризуется коэффициентом эффективности (КЭ) и находится по выражению (11), представленному в [79]. Основные показатели ГССС приведены на рис. 2-7.

На рис. 2 и 3 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях числа

Рис. 2. Г рафики изменения ПС ГССС при различных значениях КИ и числе приемников ЗС

Рис. 3. Г рафики изменения КЭ при различных значениях КИ и числе приемников ЗС

ІОҐ* ЇС* !«гг №* 10*

Км «{н}чіі імеи( мі. им и. нмы!

Рис. 4. Графики изменения пропускной способности при различных значениях КИ и БЕЯ наземного канала

0>„1 ----------------------------.--------------------------------------------------

І£Ґ 10* їв’ ІвГ* 1<Г

К«ггфф||11№*41 ИСІпЛ ІгК>К.ііі!і:і|^Ц

Рис. 5. Графики изменения пропускной способности при различных значениях КИ и БЕЯ наземного канала

1} -----------------,---------------.----------------.--------------—■---------------4

10’ 10 і юг* «Г3 1ФВ ПОР*

Кінффііідаїгг илю/и-тсыниян

Рис. 6. Графики изменения пропускной способности при различных значениях КИ и БЕЯ спутникового канала

10* ї(г* НГ* ІСГ- 1(1' цц!"

Кур+фнІїгкгнІ МіМпіяііяНііЦ

Рис. 7. Г рафики изменения КЭ при различных значениях КИ и БЕЯ спутникового канала

приемников ЗС. Видно, что с увеличением числа приемников ЗС ПС растет, а КЭ падает. Используя рис. 2 и 3 можно выбрать оптимальное значение КИ, при котором наблюдаются максимальные значения ПС и КЭ, т. е. можно выбрать такое значение КИ, которое максимизирует КЭ.

На рис. 4 и 5 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях ВЕЯ наземного канала. Видно, что с ростом КИ влияние ВЕЯ при д3>10"5 на ПС и КЭ растет. При значениях ВЕЯ д3>10"5 КИ не оказывает заметного влияния на ПС и КЭ. В результате можно выбрать такие значения КИ и ВЕЯ, которое максимизируют значение КЭ.

На рис. 6 и 7 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях ВЕЯ спутникового канала. Видно, что с ростом ВЕЯ необходимо увеличивать КИ для максимизации ПС и КЭ. При росте ВЕЯ наблюдается существенный рост КИ, он стремится к значению р=1 и ГССС превращается в НСС. Такое явление объясняется тем, что с ростом ВЕЯ спутниковый канал ухудшается и при этом растет нагрузка на наземную сеть. В результате можно подобрать значения КИ и ВЕЯ, максимизирующие КЭ.

Оценка влияния КИ на показатели ГССС с учетом параметров протокола АЯ0-8Я. С целью исследования влияния КИ и параметров протокола ARQ-SR на ПС и КЭ ГССС были построены зависимости с помощью выражений (1) и (3). Описание и анализ параметров протокола ARQ-SR подробно рассмотрены в [79]. Основные показатели ГССС с учетом параметров протокола ARQ-SR представлены на рис. 8-15.

На рис. 8 и 9 приведены графики параметра ш как функций от КИ при различных значениях параметра еш и числа приемников ЗС, соответственно. Видно, что параметр ю зависит от параметров

О а,* 0.2 <М в| 0,6 С/ 0,0 1

Котффм 1||с|1« рэ язежяии

Рис. 9. Максимальное число попыток передачи кадра при различных значениях КИ

КИ и параметра ет

О I I

НЛП сцп о.| 1

ЕСатффшшпгЕ рпдс.тстиищ

Рис. 11. Графики изменения КЭ при различных значениях КИ и параметра ет

КЬ ффг.илсп I ря».ве.п.-1111*|

Рис. 8. Максимальное число попыток передачи кадра при Рис. 12. Графики изменения ПС при различных значениях

различных значениях КИ и параметра ет КИ и числа ЗС

Рис. 13. КЭ при различных значениях КИ и числа ЗС

Рис. 14. КЭ при различных значениях КИ и параметра ав

Рис. 15. КЭ при различных значениях КИ и параметра ав

еш и не зависит от значения КИ; с ростом числа приемников ЗС и КИ наблюдается рост ю.

Оценим, как влияет изменение параметра еш на ПС и КЭ. Чтобы исключить влияние числа приемников ЗС, примем М= 1 и проследим, как изменяется ПС и КЭ при изменении КИ. На рис. 10 и 11 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях параметра еш. Видно, что параметр еш слабо влияет на ПС и КЭ при всех значениях КИ. При значениях р >0,03 наблюдаются максимальные значения ПС и КЭ. В результате

для дальнейших исследовании можно предложить использовать значение параметра ею=10"2, а варьируя значением КИ, можно максимизировать значение КЭ.

На рис. 12 и 13 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях числа приемников ЗС. Видно, что с ростом числа приемников ЗС ПС растет, а КЭ и диапазон КИ уменьшается. В результате можно выбрать такое значение КИ, которое максимизирует КЭ.

На рис. 14 и 15 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях параметра ав Видно, что параметр ав слабо влияет на ПС и КЭ, а при значениях КИ р>0,03, наблюдаются максимальные значения ПС и КЭ. В результате для дальнейших исследований можно предложить использовать значение параметра а0=0,1, а варьируя значением КИ можно максимизировать значение КЭ.

Таким образом, в данной работе получены следующие результаты.

• Для выбора ПС спутникового и наземного каналов введен параметр р, представляющий собой КИ ПС в наземном канале. Показано, что для ГССС КИ находится в интервале 0 <р < 1. Получены аналитические выражение для определения ПС спутниковых и наземных каналов в зависимости от КИ. Предложена методика определения ПС ГССС с учетом КИ. Получено аналитическое выражение для определения ПС ГССС в зависимости от параметров протокола ARQ-SR и КИ. Выявлено, что ПС ГССС зависит от числа приемников. Показано, что ПС и КЭ сильно зависят от КИ и с увеличением числа приемников ЗС КЭ снижается и уменьшается диапазон КИ, при котором достигается максимальная эффективность ГССС. Найдено, что при значениях р ~ 0,03, М = 1...5 и vг~ 1,5 Мбит/с наблюдается высокий КЭ ^ ~ 0,88.0,96. Показано, что значения д3 < 10-3, р ~ 0,001.0,03 ВЕЯ наземного канала не влияют на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях р~ 0,01.1, М = 1 наблюдается высокая ПС ьг~ 1,5 Мбит/с и КЭ ^ ~ 0,88.0,96. Показано, что диапазон КИ сильно зависит от ВЕЯ спутникового канала, а при значениях дс < 10-5, р ~ 0,01.1 ВЕЯ спутникового канала слабо влияет на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях р ~ 0,01.1, М=1 наблюдается высокая ПС (иг~1,5 Мбит/с) и КЭ (^ ~ 0,95.1). Параметр ю зависит от ею Ми КИ. Найдено, что при значениях р > 0,3,

ник Чувашского университета, 2007, №2. с. 233243.

6. Пастухов А.С. «Анализ спутниковых и гибридных сетей для мультивещания». Информационные тех-

М > 10 наблюдается рост параметра ш и что параметр ею слабо влияет на ПС и КЭ. Предложено для дальнейших исследований использовать значение параметра ею=10"2. С увеличением числа приемников ЗС КЭ снижается и уменьшается диапазон КИ, при котором достигается максимальная эффективность ГССС, а при значенияхр~ 0,1, М = 1.5 и иг ~ 1,5 Мбит/с наблюдается высокий КЭ (ц ~ 0,82.0,96). Показано, что при значениях р > 0,03 параметр ав слабо влияет на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях р~0,1.1, ав = 0,1 наблюдается высокая ПС ъг~ 1,5 Мбит/с и КЭ щ ~ 0,96.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ванина Н. М. Системы спутниковой связи с асимметричным доступом / Н. М. Ванина, В. М. Пономарев, А. Ф. Шатров // Технологии и средства связи. Спутниковая связь. Специальное приложение 1999г., с. 11-13.

2. Лукъянцев Н. Ф. Построение сетей передачи данных в корпоративных сетях спутниковой связи VSAT. Вестник МГУС. Сер. Радиоэлектроника и информатика. Тематический выпуск «Цифровая передача информации по радиоканалам». Сб. науч-ныхтрудов. МГУС, 1999 г., с. 123-129.

3. Пастухов А.С. Сети спутниковой связи VSAT: Учеб. пособие для вузов / О.И. Шелухин, ДА. Лукъянцев, А.С. Пастухов, С.В. Голованов; под ред. профессора О.И. Шелухина. - М.: МГУЛ, 2004 г.

4. Пастухов А.С. Анализ влияния параметров протокола ARQ на эффективность гибридной спутниковой сети связи. М.: - Наукоемкие технологии, 2007, №7, т.8, с. 61-71.

5. Пастухов А. С. Оценка влияния параметров протокола ARQ-SR на эффективность пропускной способности гибридной спутниковой сети связи. Вест-

нологии в электротехнике и электроэнергетике. Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. - Чебоксары: ЧТУ, 2004 г., с. 280283.

7. Пастухов А.С. «Анализ пропускной способности гибридных сетей спутниковой связи при оптимизации длины информационной части кадра». / О.П. Шелухин, А.С. Пастухов // Наука сервису. 10-я Международная научно-практическая конференция. Сборник материалов круглого стола «Техника и технологии сервиса» 4.1. Под ред. Ю.Н. Маслова, ГОУ ВПО «МГУС», 2006 г., с.183-188.

8. Пастухов А.С. «Сравнительный анализ эффективности одноадресной и многоадресной спутниковой и гибридной сетей передачи данных». / А.С. Пастухов, С.В. Голованов // - «Радиотехника». Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2006 г., №2, т.2, с. 38-42.

9. Шелухин О. И. Анализ протоколов передачи данных в гибридных мультисервисных сетях спутниковой связи / О.И. Шелухин, А. В. Нефедов, Дж.В. Сирухи // Вестник МГУС. Серия: Радиоэлектроника и информатика. Тематический выпуск «Построение и функционирование современных спутниковых и подвижных систем связи»/ Под ред. О.И. Шелухина - Москва, МГУС, 2001 г., с. 28-37.

10. Шелухин О. И. Цифровая обработка и передача речи / О.И. Шелухин, Н. Ф. Лукъянцев // Под ред. О. И. Шелухина. - М.: Радио и связь, 2000 г.

Поступила 10. 04. 2008 г.