CC BY
45
УДК 004.738.5, 621.396
АС. ПАСТУХОВ, А.Ю. ДМИТРИЕВ, С.Н. РАХЧЕЕВ
ВЫБОР СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО КАНАЛОВ В ГИБРИ ДНЫХ СЕТЯХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
Ключевые слова: гибридные сети, спутниковая связь, коэффициент использования, коэффициент эффективности, пропускная способность, протокол ARQ-SR.
Приведены результаты исследования влияния коэффициента использования и параметров протокола ARQ-SR на показатели гибридной сети спутниковой связи.
A.S. PASTUHOV, A.YU. DMITRIEV, S.N. RAHCHEEV SELECTION OF RATIO BETWEEN THROUGHPUTS OF UPLINK AND DOWNLINK CHANNELS IN HYBRID SATELLITE NETWORKS Key words: hybrid satellite networks, utilization ratio, efficient factor, throughput of protocol ARQ-SR. Investigation results of influence of cannel usage and ARQ-SR protocol parameters on the behavior of hybrid satellite link are shown.
Актуальность. C развитием систем спутникового доступа в Internet на основе гибридных спутниковых сетей 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, и их влияние на работу сети является важной задачей при построении систем спутникового доступа в Internet.
Обзор результатов. Исследования показывают, что для построения спутниковых систем асимметричного доступа в Internet удобно использовать ГССС [1, 2, 9, 7]. Многие работы посвящены эффективному использованию ГССС, но при этом наблюдается ряд недостатков [3, 5, 4, 6]. 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. Авторам удалось провести исследование с целью устранения перечисленных недостатков и отразить результаты работы в настоящей статье.
Цель работы. Показав, что ГССС в некоторых случаях [10, 6] может обеспечить лучшую ПС, чем спутниковая сеть связи (ССС), можно задаться вопросом выбора соотношения между ПС спутникового и наземного каналов. В статье анализируется, как отношение ПС между спутниковым и наземным каналами влияет на ПС и коэффициент эффективности (КЭ) ГССС с учётом параметров протокола ARQ-SR.
Оценка коэффициента использования в ГССС. Пусть Ro6 - 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 [10, 6]. Пусть также р, 0<р<1, - коэффициент использования (КИ), определяемый частью ПС, предназначенной для наземных каналов. Этот коэффициент необходимо подобрать таким обра-
зом, чтобы ПС ГССС была максимальной. Зная р, можно вычислить Яоб, ПС спутникового (Яс) и наземного (Яз) каналов (Яс=(1-р) Яоб, Яз =рЯоб/М).
Для нахождения значения р, максимизирующего ПС, предположим, что размер заголовка Ьсл фиксирован для каждого кадра. Также положим, что известны БЕЯ для спутникового и наземного каналов, и они не изменяются и не зависят от СП. Во избежание тривиальных случаев предположим, что БЕЯ удовлетворяют условиям 0<дс, дз<1.
Случай с фиксированной длиной пакета. Для понимания влияния р на ПС полезно будет временно предположить длину кадра Ьи фиксированной. Тогда ПС будет изменяться согласно рис. 1.
Если р=0, то имеет место ССС, если р=1, то имеет место наземная сеть связи (НСС), при 0<р<1 имеет место ГССС. Так как все три случая относятся к разным сетям, функция зависимости ПС от р обрывается в точках р=0 и р=1.
В ГССС, для которой 0<р<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 р, 0< р <1, - максимальное значение р, при котором работа еще нестабильна. То есть р должно быть больше, чем р, чтобы работа была стабильной.
Коэффициент использования, р и А
^ _ Гибридная сеть,
Гибридная сеть, _. _ „
*---------- _ „ ----------^стабильным -►
нестабильный режим
г режим
I Только спутниковая сеть Только наземная сеть \
Рис. 1. ПС в зависимости от КИ СП
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) и 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 1 вызывает уменьшение ПС до нуля.
Из исследований видно, что максимум ПС в ГССС достигается при р, немного большем, чем р, и ПС при этом немного меньше, чем
4рЯоб/(4 +4л).
Для нахождения р запишем условие стабильности [8] в величинах р:
(1-р )Яоб [1-(1-?с)+"“ ] < ММ Яоб (Ы )+'“, (1)
решая относительно р, получим:
I-(Ы )
р>р =
М(Ы)£ +" +1-(Ы+1- М(Ы)+Рс
(2)
где рс и рз - значения ЕЕЯ спутникового и наземного каналов, qс, дз - значения БЕЯ спутникового и наземного каналов; - длина кадра; £сл - размер
заголовка; М - количество приемников наземных станций.
Выражение (2) указывает на увеличение р с ростом М, это и понятно: с увеличением количества приемников меньше ресурсов отдается спутниковому каналу и больше - наземному каналу для повторных передач.
Случай с переменной длиной пакета. Если длина кадра не фиксирована, тогда Ьи можно установить такую, чтобы максимизировать ПС для заданной комбинации qс, qз, для случая 0<р<1.
Для случая р <р<1, т.е. стабильной работы, длина информационной части кадра £и определяется по формуле (1), представленной в [8]. Отметим, что данный параметр является функцией от £сл, qс, qз и не зависит от Яс и Яз, а также определяется без учета частного значения р. Тогда для р <р<1 оптимальная длина кадра равна . Из рис. 1 видно, что ПС максимальна при р= р для соответствующей £и .
ПС в таком случае (р <р<1)
V < 4Аб (1-Рз )/М , (3)
г £ +ьсл (1-Рз )/м +Рс где рс и рз - значения ЕЕЯ спутникового и наземного каналов, вычисленные при Ьи= £и. Выражение (3) дано как неравенство, потому что Ьи должно быть
немного меньше £ , чтобы обеспечить стабильность. Аналогично, вместо
и
этого можно допустить р немного больше, чем р .
Пока было показано, что оптимальный КИ в случае 0<р<1 не превышает значения р, соответствующего числу £и. При 0<р< р ГССС может еще использоваться, но Ьи должно быть меньше £и, чтобы обеспечить стабильность по (1). Так как нет аналитического решения для каждого Ьи, р должно меняться, и для
каждого значения р необходимо вычислить соответствующее Ьи и проверить ПС. Вполне возможно, что ПС при р=0 или р=1 меньше, чем при р .
Поэтому для 0<р<1 нельзя найти оптимальную комбинацию р и Ьи прямым способом, как для р=0 и р=1. Здесь следует использовать процедуру поиска следующего вида: 1) находим ^ - величину Ьи, удовлетворяющую выражение (1), представленное в [8]; 2) находим рс и рз, соответствующие ^, и затем находим р по выражению (2); 3) вычисляем максимальную ПС для стабильной работы ГССС с р е (р,1) по выражению (3); 4) изменяя р, для каждого значения р находим максимальное значение Ьи, которое удовлетворяет выражение (1). Далее используем это значение для вычисления ПС
^ ^— (1-р\я ; 5) величина р и соответствующее значение 1и, получен-
с ь*+1 06
и сл
ные в предыдущих пунктах, 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 [9]. Основные показатели ГССС представлены на рис. 2-7.
На рис. 2 и 3 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях количества приёмников ЗС. Видно, что с увеличением количества приёмников ЗС ПС растёт, а КЭ падает. Используя рис. 2 и 3, можно выбрать оптимальное значение КИ, при котором наблюдаются максимальные значения ПС и КЭ. В результате можно выбрать такое значение КИ, которое максимизирует значение КЭ.
1,00
0,90 +
0,80 |
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Коэффициент использования, р
Рис. 2. ПС ГССС при различных значениях КИ и количества приёмников ЗС
Рис. 3. КЭ при различных значениях КИ и количества приёмников ЗС
На рис. 4 и 5 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях БЕЯ наземного канала. Видно, что с ростом КИ влияние БЕЯ при дз>10-5 на ПС и КЭ растёт. При значениях БЕЯ #з>10-5 КИ не оказывает заметного влияния на ПС и КЭ. В результате можно выбрать такие значения КИ и БЕЯ, которые максимизируют значение КЭ.
Ко «ффицмсмг использования, р
Рис. 4. ПС при различных значениях КИ и БЕЯ наземного канала
Коэффициент испольюпания. р
Рис. 5 ПС при различных значениях КИ и БЕЯ наземного канала
На рис. 6 и 7 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях БЕЯ спутникового канала. Видно, что с ростом БЕЯ необходимо увеличивать КИ для максимизации ПС и КЭ. При росте БЕЯ наблюдается существенный рост КИ, которое стремится значению р=1, и ГССС превращается в НСС. Такое явление объясняется тем, что с ростом БЕЯ ПС гибридной сети уменьшается и при этом растёт нагрузка на наземную сеть. В результате можно подобрать значения КИ и БЕЯ, максимизирующие КЭ.
Коэффициент испольюпания. р
Рис. 6. ПС при различных значениях КИ и БЕЯ спутникового канала
Ко|ффишк'Н1 испольюшння. р
Рис. 7. КЭ при различных значениях КИ и БЕЯ спутникового канала
Оценка влияния КИ на показатели ГССС с учётом параметров протокола ARQ-SR. С целью исследования влияния КИ и параметров протокола AЯQ-SЯ на ПС и КЭ ГССС были построены зависимости с помощью выражений (1) и (3). Описание и анализ параметров протокола AЯQ-SЯ подробно рассмотрены в [9]. Основные показатели ГССС с учётом параметров протокола AЯQ-SЯ представлены на рис. 8-15.
На рис. 8 и 9 приведены графики параметра ю как функций от КИ при различных значениях параметра ет и количества приёмников ЗС, соответственно. Видно, что параметр ю зависит от параметров ет и не зависит от значе-
ния КИ, а также с ростом количества приёмников ЗС и КИ наблюдается рост параметра ю.
Коэффициент разделения, р
Рис. 8. Максимальное число попыток передачи кадра при различных значениях КИ и параметра ею
Коэффициент разделения, р
Рис. 9. Максимальное число попыток передачи кадра при различных значениях КИ и количества ЗС
Оценим, как влияет изменение параметра ет на ПС и КЭ. Чтобы исключить влияние количества приёмников 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 ет. Видно, что параметр ет 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 исследований можно предложить использовать значение параметра ет=10-2, варьируя значением КИ, можно максимизировать значение КЭ.
□—о „ = 10'-' _
0-0 а=1(Г3
д-д а = Ю-4
0-0 = 10' -
- Ьа=40 бит, Яс—1536000 бит/с. Б^ЗЗбОО бит/с, ^-Цг5, Ч,=10'5, М=1,1.-0.3 с, 4ру:25 с, 0^0,25, Е„=Ю'', е*г11
Коэффициент разделения, р
Рис. 10. ПС при различных значениях КИ и параметра ею
Коэффициент разделения, р
Рис. 11. КЭ при различных значениях КИ и параметра ею
На рис. 12 и 13 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях количества приёмников ЗС. Видно, что с ростом количества приёмников ЗС ПС растёт, а КЭ и диапазон КИ уменьшаются. В результате можно выбрать такое значение КИ, которое максимизирует значение КЭ.
' и=40 бит, 1^=1536000 бит/с, К,=33600 бит/с, ]я<Г
хе=0,25, е^гЮ'2, £ф,=10'2
Коэффициент разделения, р
Рис. 12. ПС при различных значениях КИ и количества ЗС
Ьсл=40 бит, Яс=1536000 бит/с, 1^=33600 бит/с, чс=10 ,
" Яз=10 5, М=1, ^=0,3 с, I,=0,125 с, «8=0,25, с^гШ'2, е(г10'!
Коэффициент разделения, р
Рис. 13. КЭ при различных значениях КИ и количества ЗС
На рис. 14 и 15 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях параметра ае Видно, что параметр ае 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 ае=0.1, а варьируя значением КИ, можно максимизировать значение КЭ.
Коэффициент разделения, р
Рис. 14. КЭ при различных значениях КИ и параметра ае
•Э- | —
и/Г
///? 0-0 «„=1 0-0 ь-олз <М> ■•=“3
/////
/////
/ /
Цп=40 бит, 1^=1536000 бит/с, И,=33600 бит/с, яс-105, с|гЮ \ М=1,тс=0,3 с, ^=0,125 с, ао=0,25, еф,=10‘2, кф,=102
Коэффициент разделения, р
Рис. 15. КЭ при различных значениях КИ и параметра ае
Таким образом, в данной работе получены следующие результаты.
1. Для выбора ПС спутникового и наземного каналов введён параметр р, представляющий собой КИ ПС в наземном канале. Показано, что для ГССС КИ находится в интервале 0<р<1. Получены аналитические выражения для определения ПС спутниковых и наземных каналов в зависимости от КИ. Предложена методика определения ПС ГССС с учётом КИ. Получено аналитическое выражение для определения ПС ГССС в зависимости от параметров протокола ARQ-SR и КИ. Выявлено, что ПС ГССС зависит от количества приёмников.
2. Показано, что ПС и КЭ сильно зависят от КИ. Показано, что с увеличением количества приёмников ЗС КЭ снижается и уменьшается диапазон КИ, при котором достигается максимальная эффективность ГССС. Найдено, что при значениях р«0,03, М=1...5 и иг«1,5 Мбит/с наблюдается высокий КЭ П~0.88...0.96. Показано, что при значениях дз<10-3, р~0,001...0,03 BER наземного канала не 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 п~0,88_0,96. Показано, что диапазон КИ напрямую зависит от BER спутникового канала. Показано, что при значениях дс<10"5, р~0,01_1 BER 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 п~0,95_1.
3. Показано, что параметр ю зависит от 8ю М и КИ. Найдено, что при значениях р>0,3, М>10 наблюдается рост параметра ю. Показано, что параметр 8ю слабо влияет на ПС и КЭ. Предложено для дальнейших исследований использовать значение параметра 8ю=10-2. Показано, что с увеличением количества приёмников ЗС КЭ снижается и уменьшается диапазон КИ, при котором достигается максимальная эффективность ГССС. Найдено, что при значениях р~0,1, М=1_5 и иг«1,5 Мбит/с наблюдается высокий КЭ п~0,82_0,96. Показано, что при значениях р>0,03 параметр ае слабо влияет на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях р~0,1_1, ае=0.1 наблюдается высокая ПС иг«1,5 Мбит/с и КЭ п~0,96.
Литература
1. Ванина Н.М. Системы спутниковой связи с асимметричным доступом / Н.М. Ванина,
B.М. Пономарев, А.Ф. Шатров // Технологии и средства связи. Спутниковая связь. Специальное приложение. 1999. С. 11-13.
2. Лукьянцев Н. Ф. Построение сетей передачи данных в корпоративных сетях спутниковой связи УБЛТ / Н.Ф. Лукьянцев // Вестник МГУС. Сер.: Радиоэлектроника и информатика. Тематический выпуск «Цифровая передача информации по радиоканалам»: сборник научных трудов. М.: МГУС, 1999. С. 123-129.
3. Пастухов А. С. Анализ влияния параметров протокола ЛЯ^ на эффективность гибридной спутниковой сети связи / А.С. Пастухов // Наукоемкие технологии. 2007. № 7. Т. 8.
C. 61-71.
4. Пастухов А.С. Анализ спутниковых и гибридных сетей для мультивещания / А. С. Пастухов // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы V Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2004. С. 280-283.
5. Пастухов А.С. Оценка влияния параметров протокола ЛЯ^-БЯ на эффективность пропускной способности гибридной спутниковой сети связи / А.С. Пастухов // Вестник Чувашского университета. 2007. № 2. С. 233-243.
6. Пастухов А.С. Сравнительный анализ эффективности одноадресной и многоадресной спутниковой и гибридной сетей передачи данных / А.С. Пастухов, С.В. Голованов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2006. № 2. Т. 2. С. 38-42.
7. Шелухин О.И. Цифровая обработка и передача речи / О.И. Шелухин, Н. Ф. Лукьянцев; под ред. О. И. Шелухина. М.: Радио и связь, 2000. 456 с.
8. Шелухин О.И. Анализ пропускной способности гибридных сетей спутниковой связи при оптимизации длины информационной части кадра / О.И. Шелухин, А.С. Пастухов // Наука сервису. 10-я Междунар. науч.-практ. конф.: сборник материалов круглого стола «Техника и технологии сервиса» / под ред. Ю.Н. Маслова. М.: ГОУ ВПО «МГУС», 2006. Ч. 1. С.183-188.
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. Сер.: Радиоэлектроника и информатика. Тематический выпуск «Построение и функционирование современных спутниковых и подвижных систем связи» / под ред. О.И. Шелухина. М.: МГУС, 2001. C. 2S-37.
10.Шелухин О.И. Сети спутниковой связи VSAT: учеб. пособие для вузов / О.И. Шелухин, Д.А. Лукьянцев, А.С. Пастухов, С.В. Голованов; под ред. О.И. Шелухина. М.: МГУС, 2004. 2S1 с.
ПАСТУХОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ. См. с. 190.
ДМИТРИЕВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ родился 1985 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры радиотехники и радиотехнических систем Чувашского университета. Область научных интересов - телекоммуникации. Автор 2 научных работ.
РАХЧЕЕВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ родился 1986 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры радиотехники и радиотехнических систем Чувашского университета. Область научных интересов - телекоммуникации. Автор 2 научных работ.
