автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Обоснование путей развития региональной сети спутниковой связи на основе методов динамического перераспределения радиоресурса ретранслятора (ДПРР)

Введение.

1. Анализ путей совершенствования региональной сети спутниковой связи.

1.1 Анализ особенностей построения и развития региональной сети спутниковой связи в системе тел екоммуникаций республики.

1.2 Формулировка цели и задач исследования.

1.3 Обоснование показателя эффективности РССС.

1.4 Сравнительный анализ методов ДПРР в ССС.

Выводы.

2. Обоснование протокола множественного доступа к спутниковому каналу сигнализации и оптимизация его параметров.

2.1. Анализ особенностей взаимодействия ССС с системой сигнализации ТфОП.

2.2. Обоснование способа построения спутникового канала сигнализации в РССС.

2.3. Математическая модель спутникового канала сигнализации на основе протокола случайного множественного доступа.

2.4. Методика оценивания вероятностно-временных характеристик

ОКС на основе протокола S-ALOHA.

2.5. Методика оптимизации параметров ОКС.

Выводы.

3. Метод уплотнения радиоканалов спутниковой связи при пакетной передаче различных видов информации.

3.1. Анализ особенностей пакетной передачи речи.

3.2. Модель статистического уплотнения группы радиоканалов при ограничении на задержку сообщений.

3.3. Метод комбинации моделей при анализе числовых характеристик задержки сообщений в системе статистического уплотнения спутниковых каналов.

3.4. Метод аппроксимации функций распределения времени задержки пакетов на входе спутникового канала.

3.5. Инженерная методика оценивания характеристик системы статистического уплотнения малоканальных ПЗС.

Выводы.

4. Синтез протоколов множественного доступа с динамическим резервированием на основе временного разделения каналов.

4.1. Состояние вопроса.

4.2. Динамическая модель процесса телефонных переговоров группы абонентов.

4.3. Протокол множественного доступа с резервированием фиксированного числа дополнительных каналов.

4.4. Протокол множественного доступа с адаптивным резервированием дополнительных каналов.

Выводы.

В общей структуре систем телекоммуникаций таких удаленных регионов, как республика Саха (Якутия), с обширными территориями и низкой плотностью населения все отчетливее проявляется ведущая роль систем спутниковой связи (ССС). Широкое распространение ССС определяется такими их уникальными свойствами, как высокая гибкость при реконфигурации сети, возможность оперативной организации связи в труднодоступных районах и на больших расстояниях, независимость стоимости и качества спутниковых каналов от их протяженности. Возрождение деловой активности региона сопровождается интенсивным ростом информационного обмена в республике: ежегодно на 30-40% по междугородней телефонной связи и до 100% по службам деловой связи и передачи данных. В условиях неразвитости наземной инфраструктуры телекоммуникаций спутниковая связь становится практически единственным средством, способным быстро и с достаточным качеством удовлетворить возратающий спрос на разнообразные услуги электросвязи [6,47,49]. В настоящее время парк земных станций (ЗС) спутниковой связи республики, насчитывающий несколько десятков разнородных станций, в значительной мере нуждается в модернизации [7]. При модернизации ЗС и региональной сети спутниковой связи (РССС) в целом необходимо учитывать во многом противоречивые требования: с одной стороны, требуется обеспечить тесное взаимодействие РССС с местными телефонными сетями (в большинстве своем аналоговыми), с другой стороны, необходимо учитывать стремительный рост новых информационных служб электросвязи (до 40% в год [59]) и цифровых сетей при их постепенной конвергенции на основе единой цифровой формы представления информации с преобладанием пакетных методов коммутации и передачи.

Широкое внедрение ССС на региональных сетях связи сдерживается, главным образом, ограниченностью радиоресурсов национальной орбитальной группировки спутников-ретрансляторов и скудными экономическими возможностями по её скорейшему наращиванию [70]. В этих условиях ключевым направлением модернизации РССС в целом становится внедрение технических решений, обеспечивающих наибольшую эффективность использования имеющегося радиоресурса ретрансляторов на основе методов его динамического перераспределения (ДПРР) между активными и пасивными направлениями связи с учетом статистических особенностей разнородного трафика и его неравномерности во времени.

Реализация методов ДПРР в РССС в условиях крайней ограниченности радиоресурса требует, в первую очередь, пристального внимания к вопросам совершенствования протоколов множественного доступа (МД) к ретранслятору (как основного средства манёвра каналами), а также находящегося в тесной связи с ними вопроса взаимодействия с местными наземными сетями с учетом наметившейся тенденции к повсеместной цифровизации сетей и широкому распространению пакетной технологии передачи различных видов информации (например, всё более популярная 1Р-телефония).

Исследованию вопросов интеграции различных видов электросвязи на основе единой цифровой формы представления информации и пакетной технологии её передачи и коммутации в последнее время посвящено значительное количество работ [1,2,13,15,20,23,27,28,29,32,40,65,86,89,95,103], однако в них практически не затрагиваются вопросы распространения этой технологии на системы спутниковой связи. С другой стороны, имеется значительное число публикаций, посвященных вопросам совершенствования протоколов МД к CP при пакетной передаче информации (преимущественно данных) [17,18,24,25,26,30,35,44,48 51,66,68,72,75,80,84,88,92,97,98,100,102], однако в них не рассматриваются вопросы адаптации этих протоколов для совместной передачи потоков речи и данных в пакетной форме. Вопросы совместной передачи речи и данных в единой пакетной форме по спутниковым каналам связи лишь фрагментарно затронуты в работах [15,17,19,30,84,87,104]. Поэтому особую актуальность приобретает разработка моделей и методов исследования совместной передачи речи и данных в единой пакетной форме по спутниковым каналам связи, что открывает новые возможности для повышения эффективности использования ограниченного радиоресурса орбитальной группировки и расширения сферы применения ССС как в масштабах такого обширного региона, как республика Саха (Якутия), так и страны в целом.

Предметом исследования в диссертационной работе являются методы ДПРР в РССС и, в первую очередь, протоколы множественного доступа к ретранслятору, обеспечивающие возможность передачи через CP различных видов информации в единой пакетной форме.

Цель исследования состоит в повышении эффективности использования радиоресурса ретранслятора в РССС на основе методов ДПРР за счет учета статистических особенностей и состава неоднородного информационного трафика, циркулирующего в регионе.

Для достижения этой цели ставится и решается научная задача анализа и разработки методов ДПРР с учетом структуры системы информационного обмена и соотношения различных видов трафика, а также с учетом перспектив развития региональной и общероссийской [59] системы телекоммуникаций. Решение указанной научной задач л в соответствии с предполагаемой последовательностью этапов модернизации РССС разбивается на три частные задачи.

На первом этапе модернизации, суть которого сводится к более широкому внедрению в РССС режима предоставления каналов по требованию (ПКТ), основную сложность представляет проработка вопросов управления совокупностью ЗС, входящих в состав сети. При решении этих вопросов ключевой становится задача обоснования способа организации и основных параметров спутникового канала управления (общего канала сигнализации). Решение этой задачи в значительной мере осложняется необходимостью наложения РССС на местные, в первую очередь, телефонные сети, в большинстве своем морально и технически устаревшие, причем с различными системами сигнализации.

Второй этап модернизации при распространении в сети режима ПКТ с учетом преобладания в составе РССС малоканальных периферийных ЗС (ПЗС), ориентированных пока преимущественно на передачу телефонного трафика, предполагает внедрение на уровне отдельных подсетей ПЗС единой пакетной технологии для передачи не только данных, но и речевых сигналов телефонии. Такая интеграция различных видов связи в рамках ССС (кстати, все более широко распространяемая в наземных сетях [1,2,11,13,20,27,28,40]) открывает дополнительные возможности повышения эффективности использования радиоресурсов за счет естественного статистического уплотнения выделяемых групп радиоканалов потоками речи и данных на уровне отдельных ПЗС. Поэтому вторую задачу составляет разработка метода уплотнения радиоканалов спутниковой связи на основе пакетной передаче различных видов информации, построение соответствующей математической модели и методики оценивания вероятностно-временных характеристик системы статистического уплотнения малоканальных ПЗС.

Третий этап модернизации состоит в дальнейшем развитии методов ДПРР на уровне РССС в целом и предполагает разработку протоколов множественного доступа, способных обеспечить совместную работу всех ПЗС в общем стволе CP на основе единой пакетной технологии передачи различных видов информациии. Разработка таких протоколов с динамическим резервированием каналов на основе модификации типового протокола R-ALOHA и анализ достигаемой при этом эффективности использования радиоресурса CP при совместной передаче речи и данных составляет суть третьей частной задачи.

Научная новизна основных результатов диссертации состоит в следующем: ■ Обоснован способ организации спутникового канала сигнализации на основе протокола случайного множественного доступа и предложена новая постановка задачи оптимизации его параметров по критерию максимума коэффициента использования радиоресурса СР.

Разработан и доведен до инженерной методики новый методический аппарат, включающий модель статистического уплотнения группы радиоканалов и совокупность методов, позволяющих оценивать ВВХ задержки сообщений при уплотнении малоканальных ПЗС вплоть до значений функции распределения.

Предложены и экспериментально обоснованы новые методы ДПРР на основе протоколов множественного доступа с динамическим резервированием каналов, обеспечивающие за счет использования единой пакетной технологии передачи различных видов сообщений высокую эффективность использования радиоресурса.

Впервые научно обоснованы направления технической модернизации и предложены соответствующие технические решения по совершенствованию РССС.

Практическая значимость результатов работы состоит в обосновании рациональных путей модернизации и дальнейшего развития как наземного оборудования, так и способов организации обмена информации в РССС на основе разработанных протоколов множественного доступа к CP в условиях крайней ограниченности радиоресурса орбитальной группировки. Предложенные методы большей частью доведены до инженерных методик (одна из которых уже внедрена в промышленности при проектировании перспективной РССС) и позволили обосновать конкретные технические параметры разработанных протоколов, а также оценить с достаточной для практики точностью показатели качества информационного обмена и показатели эффективности системы в целом.

Структурно диссертационная работа подразделяется на введение, четыре раздела, заключение, список литературы и приложение.

В первом разделе проводится анализ особенностей построения региональной ССС, определяется её роль в общей структуре системы телекоммуникаций республики, намечаются пути её дальнейшего развития и совершенствования с учетом местной специфики. Формулируется цель исследования и решаемая в работе научная задача. Обосновывается показатель эффективности функционирования РССС и обсуждаются показатели качества обслуживания различных категорий абонентов, которые должны учитываться в качестве ограничений при оптимизации основного показателя.

Проводится анализ известных методов ДПРР на основе различных протоколов МД и выделяются те, которые наиболее соответствуют существу поставленных задач.

Во втором разделе анализируются особенности взаимодействия РССС с местными телефонными сетями и различными системами сигнализации с точки зрения возможности унификации такого взаимодействия и определения способа построения спутникового канала сигнализации при организации в системе режима предоставления каналов по требованию (ПКТ). Обосновывается способ построения спутникового общего канала сигнализации (ОКС) на основе типового протокола МД S-ALOHA, разрабатывается математическая модель процесса обмена информацией по спутниковому ОКС, на основе которой строится методика оценивания влияния параметров ОКС на характеристики информационного обмена по каналам РССС.

В третьем разделе решается задача разработки метода статистического уплотнения групп каналов, выделяемых ПЗС в режиме ПКТ, на основе единой пакетной технологии передачи различных видов информации и, в первую очередь, телефонных сообщений. Анализируются особенности пакетной передачи речи и выделяются осногные факторы, влияющие на качество передачи речи. Строится математическая модель процесса статистического уплотнения группы каналов потоками сообщений от конечной группы абонентов при ограничении на задержку сообщений. При построении математической модели используется метод комбинации моделей, позволяющий декомпозировать исходную сложную модель, не поддающуюся аналитическому расчету, на две типовые модели массового обслуживания, обеспечивающие получение оценок числовых характеристик случайных задержек сообщений при использовании системы статистического уплотнения. Для оценивания вероятностно-временных характеристик (ВВХ) задержки сообщений разрабатывается метод аппроксимации функций распределения неотрицательных случайных величин по начальным моментам. На основе разработанных методов строится инженерная методика оценивания ВВХ системы статистического уплотнения молоканальных ПЗС, позволяющая автоматизировать процесс управления кратностью уплотнения группы каналов в зависимости от статистических свойств уплотняемых потоков и ограничений на задержку сообщений.

В четвертом разделе решается задача синтеза протоколов МД, обеспечивающих статистическое уплотнение всего радиоресурса CP при использовании пакетной формы передачи сообщений за счет динамического резервирования каналов с учетом текущей активности абонентов. Так как наиболее чувствительным к задержкам видом информации является телефония, которая составляет основную долю трафика в РССС, для оперативного прогнозирования числа активных абонентов строится динамическая модель процесса переговоров группы абонентов. На основе прогноза численности активных абонентов на интервале ближайшего кадра передачи каждая ПЗС может осуществлять захват того или иного числа резервных субкадров, что позволяет резко снизить задержки речевых пакетов в буфере ПЗС. Разработанные протоколы МД представляют собой модификацию типого протокола R-ALOHA и различаются тем, что первый протокол осуществляет резервирование фиксированного числа дополнительных резервных каналов для некоторой группы абонентов, независимо от числа активных на текущий момент абонентов, а для второго протокола число резервируемых каналов и зависит от числа активных абонентов. С помощью имитационной модели проводится сравнительный анализ эффективности разработанных протоколов с точки зрения коэффициента использования радиоресурса ретранслятора.

В заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в работе.

Основными результатами, выносимыми на защиту, являются:

Математическая модель спутникового канала сигнализации на основе протокола случайного множественного доступа и постановка задачи оптимизации его параметров по критерию максимума коэффициента использования радиоресурса СР.

Математическая модель статистического уплотнения группы спутниковых радиоканалов при ограничении на задержку сообщений.

Инженерная методика оценивания вероятностно-временных характеристик системы статистического уплотнения малоканальных ПЗС.

Методы ДППР на основе протоколов множественного доступа с динамическим резервированием каналов на основе пакетной технологии передачи различных видов сообщений.

Предложения по этапам модернизации и способам реализации разработанных технических решений при развитии региональной ССС.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ: 3 статьи, 2 депонированные рукописи, тезисы 5 докладов.

Апробация работы проводилась на республиканской (1999г.), ведомственной (июнь 2001г.), межрегиональной (ноябрь 2001г.) и международной (декабрь 2001г.) научно-технических конференциях и 3 семинарах профессорско-преподавательского состава на кафедрах ВИКУ, МТУ СИ и ЛЭТИ.

выводы

1. Анализ текущей динамики ведения телефонных переговоров небольшими группами абонентов (5-10) показывает, что вероятность перехода из состояния паузы в состояние активности одновременно более 2-3 абонентов на интервале, соответствующем длительности распространения сигнала в спутниковом канале (~300мс), составляет менее 1-3%. Это означает, что для сокращения задержки при пакетной передаче речевого трафика по спутниковым каналам связи малоканальным ПЗС достаточно поддерживать в дополнение к «активным» каналам всего лишь 1-2 канала, находящихся в «горячем» резерве, динамически захватывая или освобождая резервные каналы по мере возрастания или убывания числа активных абонентов.

2. Применение предложенных протоколов МД с заблаговременным динамическим резервированием дополнительных каналов открывает принципиальную возможность пакетной передачи речи по спутниковым каналам связи с приемлемыми для практики задержками на основе типового протокола случайного множественного доступа R-ALOHA (при незначительной модификации последнего), достаточно распространенного в современных ССС и используемого пока преимущественно для передачи данных.

3. Экономия радиресурса CP при использовании динамического резервирования спутниковых каналов по сравнению с фиксированным закреплением каналов за каждым абонентом на время всего телефонного разговора составляет от 25 до 40% в зависимости от числа абонентов.

4. Сравнительный анализ разработанных протоколов МД с фиксированным резервом и адаптивным резервированием дополнительных каналов на основе модифицированного протокола R-ALOHA показывает, что выигрыш от использования механизма адаптации при резервировании

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной диссертационной работы решена важная научно-техническая задача, с позиций определения путей совершенствования РССС проведен анализ существующих методов ДПРР в ССС, как основного средства достижения высокой эффективности использования ограниченных радиоресурсов национальной орбитальной группировки, и разработаны новые методы ДПРР на основе протоколов МД с динамическим резервированием каналов, обеспечивающие возможность гибкой адаптации к структуре системы информационного обмена и соотношению различных видов трафика. Разработанные методы тесно увязаны с перспективами развития современных телекоммуникационных систем и обеспечивают возможность плавного перевода РССС на новые цифровые технологии передачи информации.

Основными научными результатами диссертационной работы, обладающими научной новизной, являются:

Математическая модель спутникового канала сигнализации на основе протокола случайного множественного доступа и постановка задачи оптимизации его параметров по критерию максимума коэффициента использования радиоресурса СР.

Математическая модель статистического уплотнения группы спутниковых радиоканалов при ограничении на задержку сообщений.

Инженерная методика оценивания вероятностно-временных характеристик системы статистического уплотнения малоканальных ПЗС.

Методы ДППР на основе протоколов множественного доступа с динамическим резервированием динамическим резервированием каналов на основе пакетной технологии передачи различных видов сообщений.

Предложения по этапам модернизации и способам реализации разработанных технических решений при развитии региональной ССС.

1. Агаян А.А., Захаренко Г.П., Родионов А.В., Цыбрин В.Г. Передача речи по сетям передачи данных с коммутацией пакетов. ML: МПСС, 1988.-75с.

2. Агаян А.А.,Винник С.П., Родионов А.В. Интегральные цифровые сети с коммутацией пакетов речи и данных.// Итоги науки и техники. Серия «Связь», т.2. М.: ВИНИТИ, 1989. - с.6-83с.

3. Алфеев В.Ю. Методика определения продолжительности сеансов связи через спутник-ретраслятор в режиме прямой ретрансляции сигналов. М., 2001,- 18с.- Деп. вЦИВТИМО, 10.07.01, №Б4536.

4. Алфеев В.Ю., Бонч-Бруевич A.M. Выбор метода множественного доступа в спутниковой системе связи с предоставлением каналов по требованию и оптимизация организации канала управления//Тезисы докладов научно-технической конференции МТУСИ- 1999. -с.76-78.

5. Алфеев В.Ю., Бонч-Бруевич A.M. Направления развития и технического перевооружения сетей электросвязи республики Саха (Якутия).// Информкурьер-Связь. 1998. -№2. с.56-63.

6. Алфеев В.Ю., Бонч-Бруевич A.M. Состояние и перспективы развития спутниковой связи // Информкурьер-Связь. 1998. №2. - с.63-67

7. Алфеев В.Ю., Ефимов С.Н. Метод комбинации моделей при анализе системы статистического уплотнения группы радиоканалов с учетом ограничений на задержку сообщений // Сборник трудов молодых ученых- С.-П6.ВИКУ, 2001,с.77-81.

8. Алфеев В.Ю., Ефимов С.Н. Анализ показателей оперативности информационного обмена в региональной системе спутниковой связи. М., 2001,- 8с,- Деп. в ЦИВТИ МО, 10.07.01, №Б4535.

9. Алфеев В.Ю., Ефимов С.Н., Косяков Е.Н. Протокол множественного доступа с динамическим резервированием каналов//Н Межрегиональная конференция "Информационная безопасность регионов России" (ИБРР-2001): Материалы конференции. Том1,- С.Пб.,2001,- с.46-47.

10. Антонян А.Б. Пакетная коммутация для передачи речи//Вестник связи.-1999,- № 5.-с.68-71.

11. Банкет В.Л., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. М .: Радио и связь, 1988.-240 с.14