автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы и модели сопряжения устройств передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи

На правах рукописи

СТУПИНА Анна Александровна

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ СОПРЯЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ И ПАКЕТНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ 2013

Воронеж - 2013

005540840

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Питолин Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах

Хохлов Николай Степанович,

доктор технических наук, профессор Воронежский институт МВД РФ, профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий;

Болкунов Александр Анатольевич,

кандидат технических наук, доцент, директор Воронежского филиала «Центра системных исследований и разработок ОАО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Защита состоится «26» декабря 2013г. в 14°° часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу 394026, г.Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат диссертации разослан ноября 2013 г.

Макаров О. Ю.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Все возрастающие потребности в передаче больших объемов информации обуславливают необходимость проведения исследований в области улучшения характеристик систем связи, разработки новых методов и средств передачи информации.

Работа посвящена разработке и исследованию устройств восстановления непрерывной информации при передаче её по пакетным каналам связи.

В настоящее время широкое распространение получили сетевые технологии, в основе которых лежит пакетная передача данных, имеющая ряд преимуществ по сравнению с другими методами цифровой передачи: прозрачность, коррекция и автоматическое управление. Работа пакетной станции прозрачна для конечного пользователя: контакт с другой станцией, разбиение информации на пакеты и передача идут автоматически. При приеме пакетов исправляются ошибки, если они есть. Если исправить невозможно, то автоматически осуществляется перезапрос пакета. Если текущее сетевое соединение прервется, то информация начнет передаваться по альтернативному пути. Кроме этого, появляются новые современные радиорелейные станции, работающие в пакетном полудуплексном режиме, когда поочередно одна передает данные, а другая принимает. Эти станции более технологичны, поскольку в них отсутствует дуплексный фильтр.

При этом существуют и продолжают успешно эксплуатироваться системы связи, использующие непрерывные каналы, например, ИКМ-аппаратура, формирующая непрерывный цифровой поток Е1.

Совместная работа этих двух систем имеет важное практическое значение, поскольку при этом могут создаваться дополнительные и недорогие каналы связи на базе уже существующих.

Однако эта идея пока редко применяется на практике. И одна из причин этого заключается в недостаточном исследовании вопросов, возникающих при восстановлении непрерывной информации, принимаемой из пакетной системы связи. Это относится и к оптимизации буферной памяти, и к работе системы тактовой синхронизации.

Таким образом, поставленная в диссертационных исследованиях задача по разработке и совершенствованию устройств восстановления непрерывной информации при передаче её по пакетным каналам связи является актуальной.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации» и

ГБ НИР 2010.01 «Автоматизация проектирования электронных и электротехнических устройств».

Цель и задачи исследования.

Целью работы является разработка устройств передачи непрерывной информации по пакетным каналам связи, моделей и алгоритмов их сопряжения, обеспечивающих повышение эффективности систем передачи информации.

Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования:

- провести анализ методов сопряжения устройств передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи;

- разработать алгоритм функционирования устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи;

- разработать математическую модель устройства восстановления непрерывной информации с системой тактовой синхронизации первого порядка и второго порядка с идеальным интегратором;

- разработать алгоритм функционирования модели для оценки работы устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от параметров системы тактовой синхронизации и канала связи;

- исследовать характеристики устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от параметров системы тактовой синхронизации;

- исследовать характеристики устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от внешних условий: пропадания пакетов, случайной длины пакетов, случайного периода прихода пакетов.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического регулирования, радиотехники, теоретические основы передачи информации, методы вычислительной математики, теории вероятностей, теории массового обслуживания, объектно-ориентированного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна.

В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- математическая модель устройства восстановления непрерывной информации, отличающаяся тем, что в ней учитывается влияние не только канала связи, но и работа системы тактовой синхронизации;

- алгоритм функционирования модели, отличающийся возможностью оценки работы устройства восстановления непрерывной информации в зависимости от параметров системы тактовой синхронизации, длин пакетов: фиксированных или со случайными длинами и периодом, расстройки тактовой частоты между источником информации и управляемым генератором системы тактовой синхронизации, начальных условий, а также качества канала связи: без пропусков пакетов или с пропусками;

- аналитическое выражение, позволяющее определить величины паразитной частотной модуляции тактовой частоты следования информационных символов, вносимой системой тактовой синхронизации, при фиксированных длине пакета и периоде передачи;

- алгоритм функционирования устройства восстановления непрерывной информации, отличающийся большей точностью восстанавливаемой тактовой частоты благодаря оценке состояния буферной памяти на каждом такте.

Результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности: 2. Исследование процессов генерации, представления, передачи, хранения и отображения аналоговой, цифровой, видео-, аудио- и мультимедиа информации; разработка рекомендаций по совершенствованию и созданию новых соответствующих алгоритмов и процедур; 3. Разработка эффективных путей развития и совершенствования архитектуры сетей и систем телекоммуникаций и входящих в них устройств.

Практическая значимость работы.

На основе предложенных моделей и алгоритмов разработано информационное и программное обеспечение процедур моделирования систем, реализация которого позволяет определить оптимальные параметры функционирования таких систем в рамках алгоритмов принятия проектных решений, а также выданы два патента на полезную модель, и подана заявка в РОСПАТЕНТ на выдачу патента на изобретение «Устройство тактовой синхронизации для преобразования прерывистой информации в непрерывную».

Внедрение результатов работы.

Результаты исследований использовались для разработки блока синхронизации радиомодемов, входящих в состав изделия «Комплекс полевых помехозащищенных цифровых многонаправленных радиорелейных станций для ТЗУ и ОСЗУ (комплекс Р-430)», прошедшего в 2010 году государственные испытания и рекомендованного к серийному изготовлению (ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж). Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воро-

нежский государственный технический университет» по дисциплине «Телекоммуникационные технологии» для бакалавров направления 230400 «Информационные системы и технологии» и по дисциплине «Сетевые информационные технологии» для студентов направления 210400 «Радиотехника».

На защиту выносятся:

- математическая модель устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи;

- алгоритм функционирования модели для оценки работы устройства восстановления непрерывной информации;

- аналитическое выражение для определения величины паразитной частотной модуляции тактовой частоты следования информационных символов, вносимой системой тактовой синхронизации;

- алгоритм функционирования устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи 2010, 2011); всероссийских конференциях «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2013), «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2013) и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (2009-2013 гг.).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены два патента. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1,13] - разработка структурных схем функциональных узлов устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи; [2, 4, 5, 6, 7, 12] - разработка алгоритма восстановления непрерывной информации с СТС первого и второго порядка с идеальным интегратором, разработка программных средств, реализующих процедуры формирования и функционирования математической модели устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, исследование характеристик устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному ка-

налу связи, в зависимости от её параметров; [3] - реализация на микроконтроллере семейства AVR алгоритма Дейкстры в целях обеспечения маршрутизации пакетов в мобильных сетях пакетной радиосвязи; [8, 14] - разработка и практическая реализация устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, с использованием микроконтроллеров; [9, 10, И] - анализ алгоритмов работы функциональных узлов устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи. При написании патентов [15, 16] лично автором была разработана структурная схема дискриминатора устройства тактовой синхронизации систем связи для работы с действительными и комплексными отсчетами.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 118 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 150 страницах, содержит 69 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, изложены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе работы анализируется современное состояние проблемы сопряжения систем передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи, а также ставится задача исследования.

Рассмотрены возможности и характеристики систем передачи непрерывной информации по пакетным каналам связи, проведен анализ современного состояния задачи передачи непрерывных данных по пакетным каналам связи, обоснована необходимость и целесообразность дополнительного исследования влияния систем тактовой синхронизации (СТС) на величину буфера и паразитную частотную модуляцию частоты следования выходной информации, сделан обзор СТС, широко применяемых в радиотехнических системах передачи данных. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе освещены вопросы разработки моделей компонентов устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетным каналам связи. Разработаны модель и алгоритм функционирования схемы устройства преобразования пакетной информации в непрерывную, алгоритм работы дискриминатора устройства, алгоритм функционирования управляемых генераторов и буферной памяти, математическая модель СТС первого и второго порядка с идеальным интегратором.

Основной проблемой при организации передачи непрерывных данных через пакетные среды является восстановление синхронизации на удаленном конце в связи с тем, что обычно в сетях нет возможности передавать синхроимпульсы, а время задержки является случайной величиной. Вариации задержки могут быть сглажены путем помещения приходящих в произвольные моменты времени пакетов в промежуточный буфер, данные из которого считываются непрерывно в оконечное устройство.

Если в такую память информация будет записываться порциями в дискретные моменты времени, а считываться непрерывно, при этом скорость выходной информации будет регулироваться таким образом, что память никогда не будет переполняться и не будет оставаться пустой, то для конечной аппаратуры канал можно считать непрерывным.

Тактовая частота считывания символов задается специальной СТС, которая должна удовлетворять двум противоположным требованиям:

- она должна работать так, чтобы промежуточный буфер не переполнялся и не опустошался, в противном случае будет нарушена непрерывность потока данных. Такой режим может быть обеспечен только при большом диапазоне перестройки управляемого генератора;

- суммарная нестабильность тактовой частоты информационного потока на входе потребителя не должна превышать некоторой величины, определяемой системными требованиями.

Функциональная схема устройства, которое позволяет преобразовать пакетную информацию в непрерывную, представлена на рис. 1. На его вход информация поступает порциями в дискретные моменты времени, а на выходе формируется в непрерывный поток данных.

£

|"Ф \

Диекриминатор|

Адр.ЗП Адр-ЧТ

1КЕР

-1

Рис. 1. Функциональная схема устройства Это устройство состоит из двух функциональных блоков: запоминающего устройства, выполняющего функции кольцевой буферной памяти и состоящего из Ызу ячеек (ЗУ), и СТС, в которую, в свою очередь, входят следующие узлы:

■ СТ ЗП, СТ ЧТ - адресные счетчики записи и чтения, имеющие равные значения разрядности г, определяются равенством 2Г =

■ дискриминатор, выходной сигнал которого указывает, насколько заполнение буфера данными отличается от значения, соответствующего его заполнению наполовину, когда расстояние до «краев» буфера одинаково;

■ Ф - петлевой фильтр СТС, уменьшающий флуктуации частоты УГ. Для СТС первого порядка фильтр отсутствует, то есть его коэффициент передачи равен 1, а для СТС второго порядка с идеальным интегратором это - пропорционально-интегрирующий фильтр;

■ УГ - управляемый генератор, частота тактовых импульсов которого изменяется под действием управляющего сигнала таким образом, чтобы поддерживать половинное заполнение буфера. При этом, когда буфер заполнен больше чем наполовину, тактовая частота увеличивается. Причем, чем больше заполнение буфера отличается от величины Ызу/2, тем больше оказывается величина тактовой частоты. Когда же заполнение буфера становится меньше половины, то это приводит к уменьшению тактовой частоты.

Если в функциональной схеме устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу (рис. 1), отсутствует петлевой фильтр (коэффициент передачи равен 1), то его СТС будет описываться разностным уравнением первого порядка. Такая система является астатичной к воздействию фазового скачка входного сигнала. Если же входной сигнал будет представлять собой частотный скачок, то по отношению к нему система будет статичной. Поэтому системы первого порядка применяются в тех случаях, когда частотная расстройка между входным сигналом и сигналом УГ мала.

Для вывода разностных уравнений, описывающих работу цифровой СТС первого порядка, воспользуемся её линейным аналоговым эквивалентом.

Такой подход позволит применить известные методы, основанные на преобразовании Лапласа, которые предоставляют возможность получить результат без усложнения математических вычислений.

Затем перейдем от дифференциального уравнения к разностному, в результате чего получим окончательное выражение (1), описывающее математическую модель работы СТС первого порядка при восстановлении непрерывного потока информации, передаваемой через пакетный канал:

г[я] = г[и-\\-k-1-(т\п-1])-/с -Тл-8 + Ы,М (1)

где т[п] - относительная длительность информационной последовательности; п - номер отсчета; дискриминационная функция

F(r[л-l]) учитывает дискретный характер реального дискриминатора, ап= 1,2,3...; к - нормированный коэффициент передачи разомкнутой петли СТС; б — параметр, который характеризует относительную нестабильность УГ относительно тактовой частоты источника информации; Л', [и] определяется следующим образом:

Го, л * п,

^["Наг (2>

[М1,п = п1

П1 - отсчет времени, в котором ¡-й пакет записывается в буферную память ЗУ.

Особенностью этого уравнения является наличие слагаемого

/е • Гд » 1, которое как раз и учитывает тот факт, что считывание

информации из кольцевого буфера происходит в непрерывном режиме, а запись - порциями (пакетами).

Кроме текущего значения заполнения буфера, в практических приложениях важно знать текущее отклонение частоты управляемого генератора, которое определяется следующим образом.

8у,[п] = кГ(т[п\) (3)

где 8у]- - относительное изменение частоты УГ. Вывод разностных уравнений, описывающих работу цифровой СТС второго порядка, осуществляется аналогично, но с учетом наличия в этой системе пропорционально-интегрирующего фильтра, коэффициент передачи которого равен к (р) = т + ——.

И

В окончательном виде система разностных уравнений, описывающая математическую модель СТС второго порядка с идеальным интегратором для восстановления непрерывного потока информации, передаваемой по пакетному каналу, удобная для моделирования, выглядит следующим образом:

Г т\п] = т[п -1] - кГ(т[п -1]) - к,1[п -Ц-/с-Тд-5+ Л'Д"]

|/[и] = /[и-1]ч^(г[и-1]) (4)

, , „ *Д*УГ_2 где к1 =к^Тц= — Гд

Относительная расстройка частоты УГ для СТС второго порядка определяется следующим образом:

<5УГ(") = ШгМ) + ^ ]Г Г(ф1)

(5)

і=о

В третьей главе, посвященной разработке алгоритмов моделирования функционирования устройства восстановления непрерывной информации по пакетным каналам связи, разработаны программные средства моделирования СТС, проведено функциональное моделирование СТС первого и второго порядка при различных условиях.

Из сопоставления разностного уравнения, описывающего работу модели СТС первого порядка, и первого уравнения системы разностных уравнений, описывающих работу модели СТС второго порядка с идеальным интегратором, видно, что они отличаются только одним слагаемым. Это дает возможность составить общую программу для моделирования обеих СТС.

! Пропадание пакетов !;

Г" Проглрк № пакета ■■рЙГ' ||

[построить}

Ч* пакета

Г Пропуск Г" Повтор Г" Повтор пакета

8оо аса -і осо і гоо і ¿оо вао 1 воо г саз 2 гсс 2 ¿со 2 всо 2 асо г осо з г оо 2 ¿со з еоо г газ « воя

§ С.05

и

4 А* №

и \\ і и 8 > ЇК

і И п V V \]\ \\ \\ и \\ н Ц

1 И п 1 \

20С ¿ОС 6СС 300 1 030 1 200 1 «ОС 1 вОС 1 300 2 ООО 2 200 2 400 2 600 2 ЄСЗ З ООО 3 200 3 ¿00 3

Рис. 2. Результат моделирования СТС первого порядка для г[0] = 100, к = 0.001 , 6 = 0 , N і = 100 На рис.2 представлен один из результатов моделирования устройства восстановления непрерывной информации с СТС первого порядка при передаче фиксированными пакетами и периодом.

Следует обратить внимание на две особенности работы СТС: во-первых, она все время находится в режиме переходного процесса, что объясняется дискретной природой поступления информации, а во-вторых, в переходном процессе присутствует две составляющие: медленная и быстрая.

Медленная составляющая зависит от начальных условий в

разностном уравнении, то есть от значения г[0], которое определяется состоянием счетчиков записи и чтения буферной памяти в момент времени I = 0, и от величины коэффициента передачи разомкнутой петли СТС. Чем больше к, тем меньше длительность медленной составляющей переходного процесса.

Для малых значений кЫ; < 0,1 после окончания медленных переходных процессов отклонения т[п], вызванные быстрыми переходными процессами, симметричны относительно нуля и равны N,/2. Поэтому для этих условий можно получить приближенную оценку максимальной относительной паразитной частотной модуляции, которую вносит устройство восстановления непрерывной информации

8 = кЫ/2 (6)

На рис.3 представлен один из результатов моделирования устройства восстановления непрерывной информации с СТС второго порядка при передаче фиксированными пакетами и периодом.

В данном случае переходные процессы медленной составляющей имеют колебательный характер. Но они могут быть и апериодическими в зависимости от соотношения величин коэффициентов передачи пропорционального и интегрирующего звеньев. В этом заключается существенное отличие от СТС первого порядка, в которой переходные процессы независимо от значения коэффициента передачи всегда апериодичны.

Моделирование для СТС первого и второго порядка при наличии частотной расстройки между тактовой частотой источника информации и частотой УГ (при нулевом управляющем воздействии) показало, что для относительной частотной расстройки меньше 10"3 достаточно использовать более простую СТС первого порядка.

При моделировании для описания случайной величины длины пакета будем использовать равномерный закон распределения, для которого переменная N1 будет принимать значения из интервала (N0-Д1Ч..ЛМ0+ЛМ).

Важным с точки зрения моделирования является то, что генерирование на ЭВМ случайных значений, имеющих равномерный закон, осуществляется довольно просто с помощью датчика случайных чисел

random. На его выходе формируются числа в интервале (0, 1) с равномерным распределением.

-ІОІХІ

і к - jO.OOl " кі» ¡0.000001 і deSa-fo ^ NU J1 DO

jlOJ . Г nO- ¡30

С Фжс дмч

Cnyv апинa deiaNi -

i* Фіжс. П^Е'.ЧЛ : Г* Случ fi«p«oo

Г* Пропаяв«

ji Г- Пропуск №п Г Пропуск (¡' п

і: ) Повтор N"п.

ІІ Г~ Пі-піси fi- г.

¡ПЬстроИТЬ|

1030 1 5D0 2 ООО 2 530 з осо з

DO 5 ООО Є 530 7 ОСО

Ни hi. і і

lUi щ щ Ы і

''«WW -.............|.......-Bijirtfl till Ы\ НЯНИ! щ Ь ft Щ1 Цій ЩІ Ш ІШ ЇМ? ш ШШ і mm і ,

0 10СС 1500 2 С" ї 2 SOI? 300C 3 553 * 303 4 SCO 5 035 5 500 6 330 Є 500 ? СОЭ 7ЕС0 5 030

Рис. 3. Результат моделирования СТС второго порядка для г[0] = 100 , к = 10"3 , к, = 10_б , 8 = 0 , Мі, = 100 Для описания случайного времени доставки пакета (случайного периода) воспользуемся распределением Пуассона. В нашем случае задача состоит в описании потока событий, то есть последовательности случайных процессов, следующих одно за другим и протекающих в системах с дискретными состояниями и непрерывным временем. Для широко распространенного пуассоновского потока, у которого закон распределения интервалов между событиями показательный, моделирование реализаций случайных величин тк на ЭВМ можно получать с помощью 1

алгоритма г^ = — 1пх^ , где хк - независимые случайные числа, Л

равномерно распределенные в интервале (0, 1).

В непрерывном канале данные передаются через выделенный канал с постоянной скоростью, и несмотря на то, что могут быть

битовые ошибки, при передаче данные никогда не теряются. В то же время все пакетные сети подвержены эффекту потери пакетов. При этом возможны два варианта построения систем связи: с повтором и без повтора передачи. Программа моделирования позволяет исследовать работу устройства восстановления непрерывной информации для обоих случаев.

На основе выведенных во второй главе разностных уравнений проведено и проанализировано моделирование СТС при различных начальных условиях: при фиксированных длине информационного пакета и периоде передачи; при фиксированных длине информационного пакета и периоде передачи при условии пропадания пакетов и их повторной передаче в последующих пакетах; при фиксированной длине информационного пакета и случайном значении периода передачи; при случайных длине информационного пакета и значении периода передачи.

В четвертой главе описывается реализация имитатора устройства передачи непрерывной информации по каналу интерфейса 118232 на микроконтроллере.

Функциональная схема имитатора представлена на рис. 4. В качестве канала связи используется асинхронный интерфейс 118232, ориентированный на передачу данных байтами. Имитатор состоит из передающего и приемного модулей.

Г"

Передающий модуль

Приемный модуль

ГПСП

инф Буфер ПРД і 9,6кбит/с | ПРМ УВНИ

1,2кбит/с 8бит 135232 ! І' 133232

--------1

Рис. 4. Функциональная схема имитатора устройства передачи непрерывной информации по каналу интерфейса ЯБ232 В передающий модуль входят: генератор псевдослучайной последовательности максимальной длины, являющийся имитатором информации (ГПСП); восьмибитный буфер; передатчик (ПРД 115232).

Приемный модуль состоит из приемника (ПРМ 118232) и устройства восстановления непрерывной информации (УВНИ), состоящего из буферного ЗУ и СТС первого порядка.

Работает имитатор следующим образом. Непрерывная последовательность информационных символов, поступающая с выхода ГПСП, упаковывается в буфере по 8 бит и передаётся по интерфейсу ЯБ232. Выделенные приемником Л8232 восьмибитные фрагменты информации записываются в буферное ЗУ, чтение из которого осуществляется побитно в непрерывном режиме с помощью СТС.

Алгоритм работы СТС приемного модуля представлен на рис. 5.

Рис. 5. Алгоритм работы СТС

Программа имитации устройства передачи непрерывной информации по каналу интерфейса RS232 разработана в среде AVR Studio 4.18. Задействованы 18 регистров общего назначения и 135 байт внутренней оперативной памяти микроконтроллера.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационного исследования были решены поставленные задачи и получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель устройства восстановления непрерывной информации с СТС первого порядка и второго порядка с идеальным интегратором.

2. Разработан алгоритм функционального моделирования для оценки работы устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от параметров СТС и канала связи.

3. Исследованы характеристики устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от её параметров СТС, длин пакетов: фиксированных или со случайными длинами и периодом, расстройки тактовой частоты между источником информации и УГ СТС, начальных условий.

4. Получено аналитическое выражение для определения величины паразитной частотной модуляции тактовой частоты следования информационных символов, вносимой СТС, при фиксированных длине пакета и периоде передачи,

5. Исследованы характеристики устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от внешних условий: пропадания пакетов, случайной длины пакетов, случайного периода прихода пакетов.

6. Предложен алгоритм функционирования устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи.

7. Получены два патента на полезную модель «Дискриминатор устройства тактовой синхронизации» для работы с «действительными отсчетами», «Дискриминатор устройства тактовой синхронизации» для работы с «комплексными отсчетами».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Питолин, В.М. Тактовая синхронизация при восстановлении непрерывного потока данных, переданных по пакетному каналу связи [Текст] / В.М. Питолин, A.A. Ступина // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2011. — Т.7. — №1.— С.137-140.

2. Ступина, A.A. Моделирование переходных процессов в системе тактовой синхронизации первого и второго порядков при восстановлении непрерывной информации, передаваемой по пакетному каналу связи [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин // Вестник Воронежского технического университета. — 2012. — Т. 12.1,— С.43-46.

3. Чернигин, A.A. Практическая реализация маршрутизации пакетов в мобильных сетях пакетной радиосвязи [Текст] / A.A. Чернигин, A.A. Ступина, H.H. Авдеев // Научно-технический сборник «Теория и техника радиосвязи». -2007.— Т. 1 — С.60-63.

Статьи и материалы конференций

4. Питолин, В.М. Модель системы восстановленного непрерывного потока при передаче его по пакетному каналу связи [Текст] / В.М.

Питолин, A.A. Ступина // Материалы XV Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах». Москва: Энергоатомиздат. - 2010. -С.183-186.

5. Питолин, В.М. Моделирование устройства восстановления непрерывного потока при передаче его по пакетному каналу связи с использованием системы тактовой синхронизации второго порядка [Текст] / В.М. Питолин, A.A. Ступина // Материалы XV Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах». Москва: Энергоатомиздат. - 2011. - С. 154-156.

6. Ступина, A.A. Моделирование систем восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу, со случайными длиной и периодом передачи [Текст] / A.A. Ступина // Труды Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», Воронеж. — 2013. - С. 7475.

7. Ступина, A.A. Моделирование систем восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу, с фиксированной длиной и периодом, при наличии пропусков пакетов [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», Воронеж. - 2013. - С.9-10.

8. Ступина, A.A. Схемотехническая реализация системы передачи непрерывной информации по пакетному каналу связи [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы», Воронеж. - 2013. -С.40-43.

9. Ступина, A.A. Особенности работы дискриминатора системы тактовой синхронизации при передаче непрерывной информации по пакетным каналам связи [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве», Воронеж. - 2009. - С.123-124.

10. Ступина, A.A. Алгоритм выбора параметров управляемого генератора системы тактовой синхронизации [Текст] / A.A. Ступина,

B.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы», Воронеж. - 2010. -

C.27-28.

11. Ступина, A.A. Варианты реализации управляемого генератора системы тактовой синхронизации [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин / Труды Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» Воронеж. - 2010. - С.80-81.

12. Ступина, A.A. Моделирование системы тактовой синхронизации первого порядка для восстановления непрерывного потока при передаче его по пакетному каналу связи [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы», Воронеж. - 2011. - С.85-86.

13. Ступина, A.A. Особенности синхронизации непрерывного потока данных при передаче их через пакетную сеть [Текст] / A.A. Ступина,

B.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Интеллектуальные информационные системы» Воронеж. - 2009. -

C.21-22.

14. Ступина, A.A. Экспериментальная проверка передачи непрерывного сообщения по каналу пакетной связи [Текст] / A.A. Ступина, В.М. Питолин // Труды Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» Воронеж. - 2011. - С.165-166.

Патенты

15. Пат. 132657 Российская Федерация, МПК H04L 7/02. Дискриминатор устройства тактовой синхронизации [Текст] / A.A. Ступина, Л.В. Струнская-Зленко; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Концерн «Созвездие». - №2012136055; заявл. 21.08.2012; опубл. 20.09.2013, Бюл.№26.

16. Пат. 124098 Российская Федерация, МПК H04L 7/02. Дискриминатор устройства тактовой синхронизации [Текст] / A.A. Ступина, Л.В. Струнская-Зленко; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Концерн «Созвездие». - № 2012113445; заявл. 06.04.2012; опубл. 10.01.2013, Бюл. №1.

рк

Подписано в печать 21 .11.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ .л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №239

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Воронежский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201453821

Ступина Анна Александровна

Методы и модели сопряжения устройств передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Питолин Владимир Михайлович,

д.т.н., профессор

Воронеж 2013

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ПАКЕТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ...11

1.1 Методы и устройство системы передачи речи по Интернет..................11

1.2 Методы и устройство системы передачи потока Е1 по пакетному каналу.........................................................................................13

1.3 Методы и устройство системы пакетной связи с использованием релейных станций, работающих в псевдодуплексном режиме..................17

1.4 Анализ характеристик систем тактовой синхронизации......................19

1.5 Цели и задачи исследования.........................................................33

2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ УСТРОЙСТВ СИСТЕМЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ПЕРЕДАННОЙ ПО ПАКЕТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ................................................35

2.1 Модель и алгоритм функционирования схемы устройства преобразования пакетной информации в непрерывную................................................35

2.2 Алгоритм работы дискриминатора устройства.................................37

2.3 Анализ алгоритмов функционирования управляемых генераторов........43

2.4 Алгоритм функционирования буферной памяти...............................53

2.5 Разработка математической модели системы тактовой.......................58

синхронизации первого порядка........................................................58

2.6 Разработка математической модели системы тактовой синхронизации

второго порядка с идеальным интегратором.........................................64

Выводы второй главы.....................................................................68

3 АЛГОРИТМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ПЕРЕДАННОЙ ПО ПАКЕТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ................................................69

3.1 Разработка программы моделирования систем тактовой синхронизации.69

3.2 Функциональное моделирование систем тактовой синхронизации первого порядка при фиксированной длине информационного пакета и фиксированном периоде передачи......................................................77

3.3 Функциональное моделирование систем тактовой синхронизации второго порядка при фиксированной длине информационного пакета и фиксированном периоде передачи......................................................92

3.4 Функциональное моделирование систем тактовой синхронизации при фиксированной длине информационного пакета и фиксированном периоде передачи в условиях пропадания пакетов..........................................109

3.5 Функциональное моделирование системы тактовой синхронизации при случайной длине информационного пакета и случайном значении периода

передачи....................................................................................122

Выводы третьей главы..................................................................128

4. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ, ПЕРЕДАННОЙ ПО ПАКЕТНОМУ КАНАЛУ..................................................................129

4.1 Реализация имитатора устройства передачи непрерывной информации по каналу интерфейса Я8232 на микроконтроллере..................................129

4.2 Алгоритм функционирования имитатора устройства передачи

непрерывной информации по каналу интерфейса 118232........................130

Выводы четвертой главы...............................................................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................138

Список использованных источников.................................................140

Приложение А Листинг программы имитации устройства передачи

непрерывной информации по каналу интерфейса 118232........................151

Приложение Б Акты внедрения результатов диссертационной работы......168

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Все возрастающие потребности в передаче больших объемов информации обуславливают необходимость проведения исследований в области улучшения характеристик систем связи, разработки новых методов и средств передачи информации.

Работа посвящена разработке и исследованию устройств восстановления непрерывной информации при передаче её по пакетным каналам связи.

В настоящее время широкое распространение получили сетевые технологии, в основе которых лежит пакетная передача данных, имеющая ряд преимуществ по сравнению с другими методами цифровой передачи: прозрачность, коррекция и автоматическое управление. Работа пакетной станции прозрачна для конечного пользователя: контакт с другой станцией, разбиение информации на пакеты и передача идут автоматически. При приеме пакетов исправляются ошибки, если они есть. Если исправить невозможно, то автоматически осуществляется перезапрос пакета. Если текущее сетевое соединение прервется, то информация начнет передаваться по альтернативному пути. Кроме этого, появляются новые современные радиорелейные станции, работающие в пакетном полудуплексном режиме, когда поочередно одна передает данные, а другая принимает. Эти станции более технологичны, поскольку в них отсутствует дуплексный фильтр.

При этом существуют и продолжают успешно эксплуатироваться системы связи, использующие непрерывные каналы, например, ИКМ-аппаратура, формирующая непрерывный цифровой поток Е1.

Совместная работа этих двух систем имеет важное практическое значение, поскольку при этом могут создаваться дополнительные и недорогие каналы связи на базе уже существующих.

Однако эта идея пока редко применяется на практике. И одна из причин этого заключается в недостаточном исследовании вопросов, возникающих

при восстановлении непрерывной информации, принимаемой из пакетной системы связи. Это относится и к оптимизации буферной памяти, и к работе системы тактовой синхронизации.

Таким образом, поставленная в диссертационных исследованиях задача по разработке и совершенствованию устройств восстановления непрерывной информации при передаче её по пакетным каналам связи является актуальной.

Работа выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства и системы передачи, приема, обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.01 «Автоматизация проектирования электронных и электротехнических устройств».

Цель и задачи исследования.

Целью работы является разработка устройств передачи непрерывной информации по пакетным каналам связи, моделей и алгоритмов их сопряжения, обеспечивающих повышение эффективности систем передачи информации.

Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования:

- провести анализ методов сопряжения устройств передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи;

- разработать алгоритм функционирования устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи;

- разработать математическую модель устройства восстановления непрерывной информации с системой тактовой синхронизации первого порядка и второго порядка с идеальным интегратором;

- разработать алгоритм функционирования модели для оценки работы устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от параметров системы тактовой синхронизации и канала связи;

- исследовать характеристики устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от параметров системы тактовой синхронизации;

- исследовать характеристики устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от внешних условий: пропадания пакетов, случайной длины пакетов, случайного периода прихода пакетов.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического регулирования, радиотехники, теоретические основы передачи информации, вычислительной математики, теории вероятностей, теории массового обслуживания, методах объектно-ориентированного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна.

В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- математическая модель устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи с системой тактовой синхронизации первого порядка и второго порядка с идеальным интегратором;

- алгоритм функциональной модели для оценки работы устройства восстановления непрерывной информации в зависимости от параметров системы тактовой синхронизации, длин пакетов: фиксированных или случайными длинами и периодом, расстройки тактовой частоты между источником информации и управляемым генератором системы тактовой синхронизации, начальных условий, а также качества канала связи: без пропусков пакетов или с пропусками;

- аналитическое выражение для определения величины паразитной частотной модуляции тактовой частоты следования информационных символов,

вносимой системой тактовой синхронизации, при фиксированных длине пакета и периоде передачи;

- алгоритм функционирования устройства восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи.

Практическая значимость работы.

На основе предложенных моделей и алгоритмов разработано информационное и программное обеспечение процедур моделирования систем, реализация которого позволяет определить оптимальные параметры функционирования таких систем в рамках алгоритмов принятия проектных решений, а также выданы два патента на полезную модель, и подана заявка в РОСПАТЕНТ на выдачу патента на изобретение «Устройство тактовой синхронизации для преобразования прерывистой информации в непрерывную».

Внедрение результатов работы.

Результаты исследований использовались для разработки блока синхронизации радиомодемов, входящих в состав изделия «Комплекс полевых по-мехозащищенных цифровых многонаправленных радиорелейных станций для ТЗУ и ОСЗУ (комплекс Р-430)», прошедшего в 2010 году государственные испытания и рекомендованного к серийному изготовлению (ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж). Также результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по дисциплине «Телекоммуникационные технологии» для бакалавров направления 230400 «Информационные системы и технологии» и по дисциплине «Сетевые информационные технологии» для студентов направления 210400 «Радиотехника».

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Инноватика 2010, 2011); всероссийских конференциях «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2013), «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2013) и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (2009-2013гг).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получены два патента. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце, лично соискателю принадлежит: [72, 89] - разработка структурных схем функциональных узлов системы восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи; [85, 70, 71, 86, 87, 88] - разработка алгоритма восстановления непрерывной информации с СТС первого и второго порядка с идеальным интегратором, разработка программных средств, реализующих процедуры формирования и функционирования математической модели системы восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, исследование характеристик системы восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, в зависимости от её параметров; [110] - реализация на микроконтроллере семейства АУЯ алгоритма Дейкстры в целях обеспечения маршрутизации пакетов в мобильных сетях пакетной радиосвязи; [90, 91] - разработка и практическая реализация устройства восстановления непрерывной информации, переданной по

пакетному каналу связи, с использованием микроконтроллеров; [82, 83, 84] -анализ алгоритмов работы функциональных узлов системы восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи. При написании патентов [65, 66] лично автором была разработана структурная схема дискриминатора устройства тактовой синхронизации систем связи для работы с действительными и комплексными отсчетами.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, двух приложений, списка литературы из 118 наименований. Основная часть работы, изложенная на

150 страницах, содержит 69 рисунков и 2 таблицы. _____

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ работы анализируется современное состояние проблемы сопряжения систем передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи, а также ставится задача исследования.

Рассмотрены возможности и характеристики систем передачи непрерывной информации по пакетным каналам связи, проведен анализ современного состояния задачи передачи непрерывных данных по пакетным каналам связи, обоснована необходимость и целесообразность разработки устройств сопряжения систем передачи непрерывной информации и пакетных каналов связи, алгоритмы функционирования компонентов и математические модели системы восстановления непрерывной информации. Сформулированы основные задачи исследования.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ освещены вопросы разработки моделей компонентов системы восстановления непрерывной информации, переданной по пакетным каналам связи. Разработаны модель и алгоритм функционирования схемы устройства преобразования пакетной информации в непрерывную, алгоритм работы дискриминатора устройства, алгоритм функционирования управляемых генераторов, алгоритм функционирования буферной памяти,

математическая модель системы тактовой синхронизации первого, математическая модель системы тактовой синхронизации второго порядка с идеальным интегратором.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ, посвященной разработке алгоритмов моделирования функционирования систем восстановления непрерывной информации по пакетным каналам связи, разработаны программные средства моделирования систем тактовой синхронизации, проведено функциональное моделирование систем тактовой синхронизации первого порядка при фиксированной длине информационного порядка и фиксированном периоде передачи, функциональное моделирование систем тактовой синхронизации второго порядка при фиксированной длине информационного порядка и фиксированном периоде передачи, функциональное моделирование систем тактовой синхронизации при фиксированной длине информационного пакета и фиксированном периоде передачи в условиях пропадания пакетов, функциональное моделирование системы тактовой синхронизации при случайной длине информационного пакета и случайном значении периода передачи.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ разработанная схемотехническая реализация компонентов системы восстановления непрерывной информации, переданной по пакетному каналу связи, позволила реализовать модель системы передачи непрерывной информации по каналу интерфейса 118232 на микроконтроллере.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ представлены основные результаты диссертационной работы.

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ПАКЕТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ

1.1 Методы и устройство системы передачи речи по Интернет

Впервые задача передачи непрерывных данных по пакетным каналам возникла в IP телефонии - это телефония, организованная по технологии VoIP (Voice over IP - передача голоса по IP сетям, в качестве которых могут использоваться корпоративные локально-вычислительные сети (ЛВС) и всемирная компьютерная сеть, связывающая подключенные к ней персональные компьютеры и дающая возможность их владельцам пользоваться единым информационным пространством (Интернет)) [9, 27, 34, 49, 58, 75].

Суть такого метода заключается в следующем.

Аналоговый голосовой сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) [45], где он оцифровывается, а затем с помощью кодера/декодера (кодек) [10] преобразуется в цифровой поток битов, из которых формируются пакеты данных. Эти пакеты по сети посылаются в пункт назначения, указанный как IP-адрес. Когда пакеты данных достигают адресата, они подаются на идентичный кодек, который д