close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

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

код для вставкиСкачать
УДК 004.738.5, 621.396
А.С. ПАСТУХОВ, А.Ю. ДМИТРИЕВ, С.Н. РАХЧЕЕВ
ВЫБОР СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ
ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО КАНАЛОВ
В ГИБРИДНЫХ 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 Roб – 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 ρ, 0≤ρ≤1, – коэффициент использования (КИ), определяемый частью ПС, предназначенной
для наземных каналов. Этот коэффициент необходимо подобрать таким обра-
зом, чтобы ПС ГССС была максимальной. Зная ρ, можно вычислить Roб, ПС
спутникового (Rc) и наземного (Rз) каналов ( Rc = (1-ρ) Rоб , Rз =ρRоб /M ).
Для нахождения значения ρ, максимизирующего ПС, предположим, что
размер заголовка Lсл 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 BER
удовлетворяют условиям 0<qс, qз<1.
Случай с фиксированной длиной пакета. Для понимания влияния ρ на
ПС полезно будет временно предположить длину кадра Lи фиксированной.
Тогда ПС будет изменяться согласно рис. 1.
Если ρ=0, то имеет место ССС, если ρ=1, то имеет место наземная сеть связи (НСС), при 0<ρ<1 имеет место ГССС. Так как все три случая относятся к разным сетям, функция зависимости ПС от ρ обрывается в точках ρ=0 и ρ=1.
В ГССС, для которой 0<ρ<1, при слишком малой ПС наземного канала проявляется работа в нестабильном режиме. Если ПС достаточна, то работа стабильна. Пусть ρ% – значение ρ, разграничивающее работу на стабильную и нестабильную. Точнее ρ% , 0<ρ% <1, – максимальное значение ρ, при котором работа еще нестабильна. То есть ρ должно быть больше, чем ρ% , чтобы работа была стабильной.
Рис. 1. ПС в зависимости от КИ СП
Значит, если ρ≤ ρ% , то работа ГССС нестабильна. С уменьшением ρ от значения ρ% 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 ρ изменяется поток повторных передач (увеличивается) и возможность НСС обслужить
этот поток (уменьшается) линейно. Также уменьшается линейно ПС.
При ρ% <ρ<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 ρ уменьшается использование ресурса спутникового канала и уменьшается загруженность повторными передачами
НСС. Это только улучшает стабильность системы. Увеличение ρ также уменьшает
скорость успешной доставки кадров через спутник к данному приемнику. Поэтому увеличение ρ от ρ% до 1 вызывает уменьшение ПС до нуля.
Из исследований видно, что максимум ПС в ГССС достигается при ρ,
немного большем, чем ρ% , и ПС при этом немного меньше, чем
Lиρ% Roб /(Lи +Lсл ) .
Для нахождения ρ% запишем условие стабильности [8] в величинах ρ:
ρ
L +L
L +L
(1)
(1-ρ ) Roб ⎡⎣1- (1-qс ) и сл ⎤⎦ < Roб (1-qз ) и сл ,
M
решая относительно ρ, получим:
L +L
1- (1-qс ) и сл
pз
,
(2)
=
ρ > ρ% =
1
1
Lи +Lсл
Lи +Lсл
+1- (1-qс )
(1-qз )
(1-pз ) +pс
M
M
где pс и pз – значения FER спутникового и наземного каналов, qс, qз – значения BER спутникового и наземного каналов; Lи – длина кадра; Lсл – размер
заголовка; М – количество приемников наземных станций.
Выражение (2) указывает на увеличение ρ% с ростом M, 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 Lи не фиксирована, тогда Lи можно установить такую, чтобы максимизировать ПС для заданной комбинации qс, qз, для случая 0<ρ<1.
Для случая ρ% <ρ<1, т.е. стабильной работы, длина информационной части кадра L*и определяется по формуле (1), представленной в [8]. Отметим, что
данный параметр является функцией от Lсл, qс, qз и не зависит от Rc и Rз, а
также определяется без учета частного значения ρ. Тогда для ρ% <ρ<1 оптимальная длина кадра равна L*и . Из рис. 1 видно, что ПС максимальна при ρ= ρ%
для соответствующей L*и .
ПС в таком случае ( ρ% <ρ<1)
L*и Rоб (1-pз )/M ,
(3)
L*и +Lсл (1-pз )/M +pс
где pс и pз – значения FER спутникового и наземного каналов, вычисленные
при Lи= L*и . Выражение (3) дано как неравенство, потому что Lи должно быть
немного меньше L*и , чтобы обеспечить стабильность. Аналогично, вместо
этого можно допустить ρ немного больше, чем ρ% .
Пока было показано, что оптимальный КИ в случае 0<ρ<1 не превышает
значения ρ% , соответствующего числу L*и . При 0<ρ≤ ρ% ГССС может еще испольνг ≤
зоваться, но Lи должно быть меньше L*и , чтобы обеспечить стабильность по (1).
Так как нет аналитического решения для каждого Lи, ρ должно меняться, и для
каждого значения ρ необходимо вычислить соответствующее Lи и проверить
ПС. Вполне возможно, что ПС при ρ=0 или ρ=1 меньше, чем при ρ% .
Поэтому для 0<ρ<1 нельзя найти оптимальную комбинацию ρ и Lи прямым способом, как для ρ=0 и ρ=1. Здесь следует использовать процедуру поиска следующего вида: 1) находим L*и – величину Lи, удовлетворяющую выражение (1), представленное в [8]; 2) находим pc и pз, соответствующие L*и , и
затем находим ρ% по выражению (2); 3) вычисляем максимальную ПС для
стабильной работы ГССС с ρ ∈ ( ρ% ,1) по выражению (3); 4) изменяя ρ, для каждого значения ρ находим максимальное значение Lи, которое удовлетворяет
выражение (1). Далее используем это значение для вычисления ПС
L*
Rс = * и (1-ρ)Rоб ; 5) величина ρ и соответствующее значение Lи, полученLи +Lсл
ные в предыдущих пунктах, и есть комбинация, соответствующая максимальной ПС ГССС для 0<ρ<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.
3,5
1,00
0,90
3
0,80
2,5
2
1,5
M=1
M=5
M=10
M=50
M=100
1
0,5
0
Рис. 2. ПС ГССС при различных значениях
КИ и количества приёмников ЗС
0,70
M=1
M=5
M=10
M=50
M=100
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
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 BER наземного канала. Видно, что с ростом КИ влияние
BER при qз>10-5 на ПС и КЭ растёт. При значениях BER qз>10-5 КИ не оказывает заметного влияния на ПС и КЭ. В результате можно выбрать такие значения КИ и BER, которые максимизируют значение КЭ.
Рис. 4. ПС при различных значениях
КИ и BER наземного канала
Рис. 5 ПС при различных значениях
КИ и BER наземного канала
На рис. 6 и 7 приведены графики ПС и КЭ как функций от КИ при различных значениях BER спутникового канала. Видно, что с ростом BER необходимо увеличивать КИ для максимизации ПС и КЭ. При росте BER наблюдается существенный рост КИ, которое стремится значению ρ=1, и ГССС
превращается в НСС. Такое явление объясняется тем, что с ростом BER ПС
гибридной сети уменьшается и при этом растёт нагрузка на наземную сеть. В
результате можно подобрать значения КИ и BER, максимизирующие КЭ.
Рис. 6. ПС при различных значениях
КИ и BER спутникового канала
Рис. 7. КЭ при различных значениях
КИ и BER спутникового канала
Оценка влияния КИ на показатели ГССС с учётом параметров протокола ARQ-SR. 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 [9]. Основные показатели ГССС с учётом параметров протокола ARQ-SR представлены на рис. 8-15.
На рис. 8 и 9 приведены графики параметра ω как функций от КИ при
различных значениях параметра εω и количества приёмников ЗС, соответственно. Видно, что параметр ω зависит от параметров εω и не зависит от значе-
ния КИ, а также с ростом количества приёмников ЗС и КИ наблюдается рост
параметра ω.
Рис. 8. Максимальное число попыток
передачи кадра при различных значениях
КИ и параметра εω
Рис. 9. Максимальное число попыток
передачи кадра при различных значениях
КИ и количества ЗС
Оценим, как влияет изменение параметра εω 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 εω. Видно,
что параметр εω слабо влияет на ПС и КЭ при всех значениях КИ. При значениях ρ>0,03 наблюдаются максимальные значения ПС и КЭ. В результате
для дальнейших исследований можно предложить использовать значение
параметра εω=10-2, варьируя значением КИ, можно максимизировать значение КЭ.
Рис. 10. ПС при различных значениях
КИ и параметра εω
Рис. 11. КЭ при различных значениях
КИ и параметра εω
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.
Рис. 12. ПС при различных значениях
КИ и количества ЗС
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 αθ Видно, что параметр αθ слабо влияет на ПС и
КЭ, а при значениях КИ ρ>0,03 наблюдаются максимальные значения ПС и
КЭ. В результате для дальнейших исследований можно предложить использовать значение параметра αθ=0.1, а варьируя значением КИ, можно максимизировать значение КЭ.
Рис. 14. КЭ при различных значениях
КИ и параметра αθ
Рис. 15. КЭ при различных значениях
КИ и параметра αθ
Таким образом, в данной работе получены следующие результаты.
1. Для выбора ПС спутникового и наземного каналов введён параметр ρ,
представляющий собой КИ ПС в наземном канале. Показано, что для ГССС
КИ находится в интервале 0≤ρ≤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 ρ≈0,03, М=1…5 и υг≈1,5 Мбит/c наблюдается высокий КЭ
η≈0.88…0.96. Показано, что при значениях qз<10–3, ρ≈0,001…0,03 BER наземного канала не влияет на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях ρ≈0,01…1,
М=1 наблюдается высокая ПС υг≈1,5 Мбит/c и КЭ η≈0,88…0,96. Показано,
что диапазон КИ напрямую зависит от BER спутникового канала. Показано,
что при значениях qс<10-5, ρ≈0,01…1 BER спутникового канала слабо влияет
на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях ρ≈0,01…1, М=1 наблюдается высокая ПС υг≈1,5 Мбит/c и КЭ η≈0,95…1.
3. Показано, что параметр ω зависит от εω М и КИ. Найдено, что при значениях ρ>0,3, М>10 наблюдается рост параметра ω. Показано, что параметр
εω слабо влияет на ПС и КЭ. Предложено для дальнейших исследований использовать значение параметра εω=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
ρ≈0,1, М=1…5 и υг≈1,5 Мбит/c наблюдается высокий КЭ η≈0,82…0,96. Показано, что при значениях ρ>0,03 параметр αθ слабо влияет на ПС и КЭ. Найдено, что при значениях ρ≈0,1…1, αθ=0.1 наблюдается высокая ПС υг≈1,5
Мбит/c и КЭ η≈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. 1999. С. 11-13.
2. Лукьянцев Н.Ф. Построение сетей передачи данных в корпоративных сетях спутниковой связи VSAT / 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 ARQ на эффективность гибридной спутниковой сети связи / А.С. Пастухов // Наукоемкие технологии. 2007. № 7. Т. 8.
С. 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 ARQ-SR 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 c.
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. 28-37.
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.
281 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.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа