close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение оперативности передачи сообщений в каналах управления мультиплексированных цифровых потоков.

код для вставкиСкачать
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 9
УДК 621.39
ПОВЫШЕНИЕ ОПЕРАТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ
В КАНАЛАХ УПРАВЛЕНИЯ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫХ
ЦИФРОВЫХ ПОТОКОВ
А.А. Горшков, А.В. Плахов, К.С. Щуров
Рассмотрена задача формирования сообщений в каналах управления магистральных мультиплексоров с динамической перестройкой структуры цикла. Определены факторы, оказывающие влияние на оперативность передачи сообщений в каналах
управления мультиплексированных цифровых потоков. Предложен подход
к формированию сообщений в каналах управления мультиплексоров с динамической перестройкой структуры цикла мультиплексированного цифрового потока на основе
описания элементов структуры цикла значениями коэффициентов арифметической
прогрессии.
Ключевые слова: мультиплексированный цифровой поток, канал управления,
структура цикла, управление структурой.
Одним из основных направлений совершенствования телекоммуникационных систем (ТКС) в настоящее время является глобальная интеграция сетей связи на основе унификации форматов передаваемой информации. При этом обеспечивается универсальный подход к передаче различных видов информации, что обусловило развитие методов оптимизации
ресурсов ТКС, и в том числе методов мультиплексирования [1].
Мультиплексирование представляет собой метод распределения ресурса общего канала между многими пользователями, при котором временной ресурс канала распределяется через общее оконечное оборудование, формирующее групповой сигнал (ГС). При мультиплексировании ГС
представляет собой мультиплексированный цифровой поток (МЦП), в котором объединяются потоки уплотняемых источников сообщений (ИС), а
каждому каналу соответствует некоторая совокупность временных интервалов (ВИ) цикла МЦП (структура цикла).
Значительное увеличение спроса на телекоммуникационные услуги,
обусловленное высокими темпами информатизации, требует повышения
информационной эффективности [2] систем передачи информации (СПИ),
представленной выражением (1)
η = ηм ηк ηи ,
(1)
где ηм = 1 − χм – эффективность системы модуляции; ηк = 1 − χк – эффективность системы помехоустойчивого кодирования; ηи = 1 − χи – эффективность кодера источника сообщений; χм , χк , χи – избыточности систем
модуляции, помехоустойчивого кодирования и кодера источника сообщений.
60
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 9
отдельные промежутки времени не способны удовлетворить потребности
уплотняемых ИС в своевременной передаче сообщений и обеспечивают
невысокую степень использования пропускной способности группового
канала.
Системы с динамическим мультиплексированием более эффективны, поскольку позволяет учитывать и, следовательно, в той или иной степени удовлетворять реальные текущие потребности ИС в передаче информации [1]. Динамическое мультиплексирование позволяет варьировать долю пропускной способности МЦП, выделяемую каждому из множества
уплотняемых ИС, передающих сообщения с различной канальной скоростью. Таким образом, динамическое мультиплексирование снимает ограничение, состоящее в допустимости лишь некоторых заданных номиналов
скорости передачи сообщений уплотняемых ИС. Важной особенностью
МЦП с динамическим мультиплексированием является нарушение цикличности МЦП относительно позиций ВИ, закрепленных за различными
ИС, в процессе функционирования оборудования мультиплексирования.
Это требует в ТКС обеспечения возможности распознавания в групповых
потоках данных, выделенных различным ИС. Поэтому все изменения
в структуре МЦП, независимо от причины их возникновения, передаются
на приемную сторону с использованием специально организованного
в структуре кадра МЦП канала управления (КУ).
В настоящее время происходит замещение устаревших систем
со статическим мультиплексированием, на системы с динамическим
мультиплексированием. При этом очевидно, что для эффективного использования пропускной способности группового канала при динамическом мультиплексировании, управление процессом выделения ВИ каналам уплотняемых ИС в цикле МЦП должно строиться на основе прогнозирования потребностей передачи информации уплотняемых ИС [3].
Большинство современных ТКС с мультиплексированием (DCME,
DTX, Celtic-3G и т. п.) представляют собой системы с динамической перестройкой СЦ МЦП. В случае, когда суммарная потребность всех
ИС в обеспечении скорости передачи не превышает скорости МЦП, учет
осуществляется за счет перераспределения числа ВИ, выделяемых
индивидуальным ИС в кадре МЦП на основе использования детектора активности каналов [1]. В противном случае снижается скорость передачи
сообщений некоторых ИС на основе использования алгоритмов сжатия
с потерями. В первую очередь это относится к каналам с речевой нагрузкой.
Однако, разнородный характер передаваемой в уплотняемых каналах накладывает существенные ограничения на возможность перераспределения структуры кадра МЦП.
Структурная схема многоканальной системы связи с мультиплексированием и формирование ГС в общем виде представлены на рис. 2.
62
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 9
В процессе своего функционирования мультиплексор принимает
решения относительно назначения некоторого подмножества свободных
ВИ (не обслуживающих заявку некоторого ИС) для передачи сообщений
нового активного ИС. При освобождении ВИ, выделенных ИС, прекратившему передачу сообщений, мультиплексор также осуществляет передачу управляющих сообщений в КУ.
На выбор конкретной структуры МЦП оказывает влияние значительное количество технических характеристик. К ним относятся:
− совокупность доступных для использования номиналов длин
кадра и ВИ;
− максимальное количество одновременно уплотняемых ИС;
− диапазоны скоростей передачи, разрешенные для использования
при уплотнении потоков ИС;
− варианты объединения ВИ, выделенных уплотняемым ИС в
МЦП;
− особенности организации каналов синхронизации;
− правило назначения ВИ для передачи сообщений новых активных ИС;
− правило кодирования информации о текущем варианте закрепления ВИ в кадре МЦП для передачи сообщений уплотненных ИС;
− дисциплина обслуживания при наличии приоритетов у ИС;
– значения приоритета и скорости передачи сообщений ИС, требующего передачи в МЦП;
– ситуация с использованием общего ресурса канала, характеризующаяся количеством (долей) свободных ВИ, значениями приоритетов
уплотняемых в данный момент времени ИС, и используемой в текущей
момент времени структурой кадра МЦП.
Необходимо отметить, что современный уровень развития технологий, на основе которых могут быть реализованы мультиплексоры с программной перестройкой структуры кадра таков, что серьезные ограничения, связанные с какими-либо сложностями, накладываемыми со стороны
аппаратного обеспечения или его стоимости, практически отсутствуют. В
результате, могут быть обеспечены широкие диапазоны возможных значений параметров мультиплексирования и, как следствие, значительное разнообразие сочетаний значений этих параметров [5].
Возможные способы формирования сообщений в КУ МЦП можно
классифицировать согласно следующим признакам:
– по полноте использования информации о текущей структуре
кадра: с полным описанием структуры и с описанием изменений в структуре кадра. Существуют варианты организации КУ, в которых при перестройке структуры кадра передается служебная информация, описывающая всю текущую структуру (сообщения с полным описанием структуры
64
Информатика, вычислительная техника, обработка и защита информации
кадра), и варианты, основанные на передаче сообщений, отражающих
только изменения в текущей структуре кадра, связанные с назначением ВИ
новому активному ИС (сообщения с описанием изменений в структуре
кадра). Последний случай получил наиболее широкое распространение на
практике в силу большей экономичности.
– по способу описания информации о структуре кадра: с явным
описанием позиций ВИ, выделенных различным ИС, при использовании
которых осуществляется перечисление всех ВИ, и с указанием подмножества назначенных ВИ на основе параметров аналитического выражения,
при использовании которых расчет конкретных значений ВИ на приемной
стороне осуществляется посредством использования значений указанных
параметров в заранее известном выражении. Высокие требования
к оперативности, предъявляемые абонентами современных ТКС, с одной
стороны, и необходимость минимизации ресурса уплотненного канала,
с другой стороны, определяют перспективность использования второй
группы способов формирования сообщений в канале управления.
– по способу принятия решения о выборе структуры кадра:
с фиксированным множеством возможных вариантов структуры, исходя из
которых мультиплексор осуществляет выбор того или иного варианта организации структуры, и с программным управлением, при использовании
которого подсистема управления мультиплексора рассчитывает позиции
ВИ, выделенных различным ИС на основе некоторого алгоритма. Очевидно, что качественный учет потребностей абонентов при фиксированном
множестве вариантов структуры кадра возможен лишь при наличии значительного количества заранее предусмотренных вариантов структур кадра,
поэтому практическая реализация указанного способа ограничена объемом
памяти, требуемой для хранения этих вариантов. В случае программного
управления существует возможность более гибкого реагирования мультиплексора на потребности пользователей.
– по способу кодирования сообщений, передаваемых в канале
управления. Варианты кодирования сообщений в КУ разделяются на уникальное кодирование, при котором каждая управляющая комбинация переносит информацию об используемой структуре кадра в виде порядковых
номеров структур, и адресное кодирование, согласно которому номера позиций ВИ, назначенных ИС, или значения параметров аналитических выражений, кодируются посредством одного из двоично-десятичных представлений.
Очевидно, наиболее гибкий подход к формированию сообщений в
КУ предоставляет подход на основе комбинации способов с описанием
изменений в структуре кадра, с указанием подмножества назначенных ВИ
на основе параметров аналитического выражения, программным управлением и адресным кодированием. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением указанного подкласса организации КУ.
65
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 9
К параметрам, оказывающим влияние на результат функционирования алгоритмов управления структурой кадра МЦП, относятся:
– количество уплотняемых ИС;
– распределение количества активных ИС;
– распределение скоростей ИС;
– длина цикла МЦП;
– текущая структура цикла;
– правило выделения временных интервалов активным ИС;
Аналитически текущая СЦ МЦП описывается N-мерным m-ичным
вектором ai, порядковые номера элементов которого соответствуют
номерам ВИ в кадре МЦП, а значения равны номерам ИС, для передачи
информации которых они выделены СУ мультиплексора в момент
времени i.
Пусть информация, передаваемая в сообщениях КУ МЦП,
характеризует изменения в СЦ, т. е. подмножество ВИ, выделяемых
новому активному ИС. Рассмотрим процесс принятия СУ мультиплексора
решения о выделении ВИ.
В процессе функционирования мультиплексора по обслуживанию
потребностей ИС в передаче сообщений на вход мультиплексора
поступают заявки на передачу информации нового активного ИС. К
исходным данным, определяющим результат принятия решения о
параметрах обслуживания заявки в МЦП отнесем:
– требуемую скорость передачи сообщений нового активного ИС
(необходимое количество ВИ);
– количество свободных ВИ в кадре МЦП, имеющихся на момент
прихода заявки на обслуживание нового ИС;
– распределение свободных ВИ в кадре МЦП.
При наличии в текущей структуре кадра МЦП количества ВИ, не
закрепленных за ИС, требуемого для передачи сообщений нового
активного ИС, СУ мультиплексора осуществляет поиск и принятие
решения о назначении совокупности свободных ВИ новому активному ИС.
В противном случае ИС получает отказ в обслуживании.
Учитывая независимый характер ИС, поток заявок на перестройку
СЦ будем считать ординарным. Поэтому ограничимся случаем, при котором за один цикл мультиплексор передает управляющее сообщение по изменению СЦ МЦП, связанное с обслуживанием не более одного ИС.
Математической схемой, пригодной для отражения процесса
выбора СУ мультиплексора того или иного варианта совокупности ВИ,
выделенных ИС, является модель конечного автомата первого рода
(Мили) [6]. В некотором t-м такте работы автомата, находящегося в состоянии z(t), соответствующем моменту прихода очередной заявки на уплотнение сообщений нового активного ИС, на его вход подается некоторый входной сигнал x(t), содержащий информацию о количестве ВИ, тре66
Информатика, вычислительная техника, обработка и защита информации
бующихся для передачи сообщения этого ИС за один кадр. Мультиплексор
реагирует переходом на (t+1)-м такте в новое состояние z(t+1), представляющее собой новую структуру МЦП и выдачей некоторого входного сигнала об изменениях структуры в КУ. Такой автомат описывается уравнениями:
z (t + 1) = ϕ[ z (t ), x(t )], t = 0,1,2,...
(5)
y (t ) = ψ[ z (t ), x(t )], t = 0,1,2,...
(6)
Пример автоматной таблицы, описывающей преобразования состояний, под которыми следует понимать варианты структур МЦП, в зависимости от текущего состояния и вида управляющего воздействия, имеет
вид, представленный в таблице.
Пример автоматной таблицы автомата Мили
Z
X
z1
z2
z3
x1
z3/y1
z3/y1
z1/y3
x2
z2/y2
z2/y3
Z2/y1
Таким образом, процесс поступления заявок на обслуживание
в мультиплексоре имеет случайный характер не только относительно времени поступления заявок, но также и относительно значений количества
ВИ, требуемых для передачи сообщений нового активного ВИ. При этом,
процесс принятия СУ мультиплексора решений о текущей структуре кадра
МЦП, представляет собой процесс с памятью, а процесс изменения СЦ
МЦП представляет собой реализацию процесса смены состояний конечного автомата.
Задача организации поиска пригодной совокупности свободных ВИ
и принятия решений о назначении ВИ новому активному ИС в СУ
мультиплексора может быть решена, в случае программного способа
управления, на основе подбора совокупности коэффициентов выражения
арифметической прогрессии, позволяющей описать выделяемое ИС
множество ВИ выражением вида
ñ j = c0 + j∆c ,
(3)
где с j – j-й ВИ, выделенный ИС; c0 – смещение первого ВИ, выделенного
тому же ИС, что и j-й ВИ, от начала кадра МЦП; ∆c – дистанция между
соседними ВИ, выделенными одному и тому же ИС.
67
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 9
В результате совокупность ВИ, выделяемых СУ активным ИС в
кадре МЦП, имеет регулярный характер. Под регулярным характером
подмножества ВИ, выделенных ИС, будем понимать фиксированную
дистанцию между ВИ, выделенных одному и тому же ИС, в структуре
кадра МЦП.
Предложенный подход к описанию всей совокупности ВИ,
выделенных одному ИС, позволяет минимизировать длину сообщений,
содержащих информацию об изменении структуры, за счет передачи
только значений c0 и ∆c в КУ МЦП.
Повышение гибкости выбора СЦ возможно на основе
использования варианта описания СЦ, когда в одном сообщении КУ
используется несколько значений c0 и ∆c для формировании
совокупности ВИ, выделенных одному ИС. В случае, когда начальных
смещений несколько, выражение (3) принимает вид
ñ j = c0 , c1 ,..., cn + j∆c ,
(4)
где с j = c0 , c1 ,..., cn образуют группу ВИ, позиции которых повторяются
с дистанцией ∆c в кадре МЦП.
При нескольких значениях дистанции в (4) требуется также
указывать, до какого ВИ действует значение каждой из применяемых
дистанций. Так, например, при c0 = 3 , c1 = 7 , c2 = 9 и ∆c1 = 20 при i<129, и
∆c2 = 40 при i>129, совокупность ВИ, выделенных ИС, имеет вид: 3, 7, 9,
23, 27, 29, 43, 47, 49, 63, 67, 69, 83, 87, 89, 103, 107, 109, 123, 127, 129, 163,
167, 169, 203, 207, 209, 243, 247, 249….
Необходимо также отметить, что использование предложенного
подхода позволяет решить не только задачу экономного описания изменений в СЦ МЦП, но также обеспечить значительное разнообразие параметров СЦ МЦП, характеризующих число и взаимное расположение ВИ, закрепленных за уплотняемыми ИС, в современных динамических мультиплексорах, используемых на магистральных линиях связи.
Список литературы
1. Григорьев В.А. Передача сообщений / В.А. Григорьев,
С.В. Григорьев. СПб.: ВУС, 2002. 460 с.
2. Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации / А.Г. Зюко, А.И. Фалько, И.П. Панфилов, В.Л. Банкет,
П.В. Иващенко. М.: Радио и связь, 1985. 272 с.
3. Близнюк В.И. Математическая модель мультиплексированного
цифрового потока для систем потокового сжатия / В.И. Близнюк,
М.Ю. Конышев, А.В. Панкратов, Ю.В. Санин // Информация и космос.
Санкт-Петербург, 2014. Вып. 3. С. 14−18.
68
Информатика, вычислительная техника, обработка и защита информации
4. Близнюк В.И. Математическая модель дискретного канала связи
с динамическим мультиплексированием / В.И. Близнюк, М.Ю. Конышев,
С.В. Захаркин, С.В. Харченко, Р.Р. Марченков // Известия института инженерной физики. Серпухов, 2014. Вып. 4 (34). С.71−75.
5. Терентьев В.М. Управление телекоммуникационными системами: пособие. / В. М. Терентьев, А. А. Илюхин. Орел: Академия ФАПСИ,
2003. 182 с.
6. Советов Б.Я. Моделирование систем: учеб. для вузов / Б.Я. Советов, С. А. Яковлев. М.: Высш. шк., 1998. 319 с.
Горшков Алексей Анатольевич, канд. техн. наук, gorsch@inbox.ru, Россия,
Орёл, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Плахов Алексей Валерьевич, адъютант, alexey_@list.ru, Россия, Орёл, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Щуров Константин Сергеевич, преподаватель, skss.82@mail.ru, Россия, Москва, Московский государственный университет приборостроения и информатики
IMPROVING THE EFFICIENCY OF MESSAGE TRANSMISSION
IN THE CONTROL CHANNELS MULTIPLEXING DIGITAL STREAMS
A.A. Gorshkov, A.V. Plakhov, K.S. Schurov
The problem of formation of messages in the control channels of the main multiplexer with a dynamic reconfiguration cycle. The factors that influence the efficiency of the management structure of the cycle multiplexed digital stream. The approach to the formation of
messages in the control channels of the multiplexers with dynamic reconfiguration cycle multiplexed digital stream based on the description of the structural elements of the cycle the values of the coefficients of an arithmetic progression.
Key words: multiplexed digital stream, the control channel, a loop structure, control
structure.
Gorshkov Aleksey Anatol'yevich, candidate of technical sciences, gorsch@inbox.ru,
Russia, Orel, Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation,
Plakhov Aleksey Valer'yevich, adjunct, alexey @list.ru, Russia, Orel, Academy of
the Federal Guard Service of the Russian Federation,
Schurov Konstantin Sergeevich, lecturer, skss.82@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of instrument engineering and informatics
69
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа