автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Применение технологии АТМ в перспективных спутниковых системах связи

Введение

1 Концепция технологии ATM сетей и возможности ее адаптации к использованию спутниковых каналов связи

1 1 Базовые принципы ATM технологии

1 2 Архитектура сетей ATM

1 3 Эффективность статистического временного мультиплексирования

1 4 Статистические характеристики информационных потоков и показатели качества обслуживания

1 5 Перспективы и проблемы использования спутниковых каналов связи в сетях ATM

2 Определение принципов построения БРТК и исследование показателей качества обслуживания в различных сечениях спутниковой ATM сети

2 1 Основные принципы, определяющие технический облик БРТК спутниковой ATM сети

2 2 Исследование характеристик качества обслуживания на участке «ЗС-СР» потоков нереального времени, допускающих регламентированные задержки

2 2 1 Модель процесса обслуживания

2 2 2 Методика расчета оперативности доставки пакетов

ПНЗ-1 по каналам «ЗС-СР»

2 2 3 Приближенный метод анализа задержки передачи пакетов

2 3 Характеристики информационного обслуживания ПНЗв каналах связи «СР-ЗС».

3. Исследование алгоритмов управления и предотвращения перегрузок в спутниковой ATM сети.

3.1. Способы управления информационными перегрузками и их потенциальные возможности.

3.2.Имитационная модель и исходные данные для моделирования.

3.2.1. Содержательное описание модели.

3.2.2. Концептуальная модель системы.

3.2.3. Формальное описание системы и имитационной модели.

3.2.4. Исходные данные для моделирования.

3.3. Результаты исследования алгоритмов управления перегрузками.

4. Конфигурация БРТК и методика расчета показателей качества.

4.1. Основные существующие блок-схемы коммутаторов.

4.2. Схемы построения бортовых коммутаторов ATM.

4.3. Построение системы информационного обеспечения БРТК.

4.4. Конфигурация БРТК.

4.5. Методика расчета оперативности доставки пакетов в каналах связи «ЗС-СР».

24. Основные результаты работы опубликованы в 7 статьях, докладывались на 9 научно-технических конференциях, научно-технических советах МНИРТИ (г.Москва) и ОАО «РТС» (г.Москва) и получили положительную оценку, использованы в 10 научно-технических отчетах, выполненных по хоздоговорной тематике на предприятиях НПО «Алмаз» (г.Москва), МНИИС (г.Москва), МНИРТИ (г.Москва).

24. На защиту выносятся следующие положения:

- Конфигурация спутниковой сети ATM и бортового ретрансляционного комплекса,

- Комбинированные алгоритмы управления перегрузками с использованием перераспределения пропускной способности каналов связи в различных сечениях спутниковой ATM сети,

- Способы расчета показателей качества обслуживания информационных потоков в различных сечениях спутниковой ATM сети.

Заключение.

В результате выполнения данной работы получены следующие результаты.

1. Проведен анализ концепции технологии ATM сетей и представлены возможности ее адаптации к использованию спутниковых каналов связи.

2. Исследованы вероятностно-временные характеристики обслуживания различных типов информационных потоков при использовании статистического временного мультиплексирования. Результаты позволили сделать следующие выводы:

- при использовании статистического мультиплексирования потоков реального времени использование незакрепленных каналов позволяет повысить степень использования пропускной способности, но приводит к увеличению задержка соединения;

- при передаче ПКЗ наилучшими характеристиками с точки зрения минимальных задержек соединения при максимальном использовании полосы частот обладает способ передачи с предоставлением канала по требованию с фиксированным разделением каналов между активными пользователями;

- при реальных требованиях к задержкам установления соединения коэффициент использования пропускной способности каналов даже при использовании лучших исследованных вариантов оказывается весьма низким.

3. Представлены перспективы и сформулированы проблемы использования спутниковых каналов связи в сетях ATM. Показано, что в настоящее время возможно создание эффективной инфраструктуры национальных и глобальных информационных гибридных сетей связи с использованием уникальных широковещательных возможностей спутниковых систем связи и их интеграции с наземными сетями связи. Спутники-ретрансляторы в этой структуре способны:

- обеспечить высокую пропускную способность для больших территориально разнесенных географических регионов,

- обеспечить выполнение роли космического ATM-коммутатора (АТМ-узла),

- выполнить функции резервной транспортной среды для наземных магистральных каналов связи региональных и глобальных сетей связи ATM,

- ускорить внедрение ATM технологии во всех регионах мира.

4. Проведено исследование задачи, когда управление перегрузками является одной из ключевых проблем применения ATM технологий в спутниковых ATM сетях.

5. Для адаптации основных принципов ATM технологии к спутниковым сетям связи были решены следующие основные задачи:

- Разработка базовых принципов построения спутниковых сетей связи и их узлов, позволяющих в наибольшей степени адаптировать сеть к ATM технологии.

- Разработка методов (способов) для исследования показателей качества информационного обслуживания различных видов трафика в различных сечениях (радиолиниях) спутниковой ATM сети.

- Разработка методов управления перегрузками в спутниковых сетях и оценка их эффективности и практической реализуемости.

- Определение конфигурации бортового радиотехнического комплекса (БРТК) спутника-ретранслятора для спутниковой ATM сети.

7. Определены и сформулированы основные принципы, определяющие технический облик БРТК спутниковой ATM сети.

8. Разработана математическая модель процесса обслуживания потоков нереального времени, допускающих регламентированные задержки, спутником-ретранслятором в радиолиниях «ЗС-СР» в виде системы массового обслуживания.

9. Предложен способ расчета задержки передачи потоков нереального времени, допускающих регламентированные задержки, спутником-ретранслятором в радиолиниях «ЗС-СР».

10. Разработан приближенный метод анализа задержки передачи потоков нереального времени, допускающих регламентированные задержки, спутником-ретранслятором в радиолиниях «ЗС-СР». Метод позволяет получить замкнутые выражения в явном виде.

11. Предложена математическая модель процесса обслуживания потоков нереального времени, допускающих регламентированные задержки, спутником-ретранслятором в радиолиниях «СР-ЗС». Получены соотношения для расчета среднего времени задержки пакетов и вероятности потери ячейки на борту за счет переполнения емкости буферного накопителя.

12. Исследованы характеристики качества обслуживания: средняя задержка передачи пакетов и вероятность потери ячеек в зависимости от основных системных параметров. Разработанные математические модели и полученные результаты позволяют определить основные вероятностно-временные характеристики показателей качества обслуживания в спутниковой ATM сети и выбрать основные системные параметры. Показано, что:

- существует обмен между требуемым объемом БН и обеспечиваемой производительностью сети,

- при использовании селективной повторной передачи потерянных ячеек и обоснованном выборе показателя качества обслуживания появляется возможность снизить требования к объему БН более, чем в 7.5 раз.

13. Предложены алгоритмы управления перегрузками в каждом сечении спутниковой ATM сети. Для исследования параметров алгоритмов и характеристик спутниковой ATM сети разработаны статистические и имитационные модели процессов обслуживания.

14. С использованием статистического моделирования оценен выигрыш при использовании для управления информационными перегрузками спутниковой ATM сети алгоритмов перераспределения пропускной способности каналов связи по сравнению с методом управления трафика на входе сети.

15. Получены оптимальные значения параметров алгоритмов, при которых значения показателей качества достигают своих экстремумов.

16. На основе имитационного моделирования показано, что предложенные алгоритмы управления перегрузками в спутниковых ATM сетях обеспечивают эффективное управление перегрузками, подтвердили свою устойчивость, обладают малой инерционностью, обладают оптимальными параметрами, позволяющими максимизировать производительность сети и снизить потери информации.

17. Предложено в качестве базы для системы информационного обмена использовать стандарт IEEE 1355. Показана техническая реализуемость системы на базе серийных схем (модифицированных транспьютеров серии Т9000, серийных коммутаторов ST С104 и интерфейса DS-Link).

18. Предложена конфигурация БРТК спутника-ретранслятора для применения технологии ATM в спутниковых сетях связи. Особенностью БРТК является использование многолучевой приемо-передающей антенной системы на базе ФАР, что позволяет осуществлять перераспределение пропускной способности ретранслятора на линиях связи «СР-ЗС». В качестве АТМ-коммутатора целесообразно использовать схему коммутатора с раздельной памятью к каждому выходному лучу и приоритетным обслуживанием в мультиплексорах ячеек реальновременных потоков.

19. Представлена инженерная методика расчета показателей качества в спутниковой ATM сети, которая позволяет рассчитать значения показателей качества в зависимости от основных системных параметров.

20. Практическую ценность работы определяют следующие результаты:

- Методики расчета показателей качества обслуживания информационных потоков в различных сечениях спутниковой ATM сети.

- Имитационная модель для определения оптимальных параметров алгоритмов перераспределения пропускной способности каналов связи спутниковой ATM сети.

- Рекомендации по выбору параметров спутниковой ATM сети.

- Конфигурация БРТК спутниковой ATM сети на базе известных современных технических решений его составляющих.

1. Концепция развития связи Российской Федерации./Под ред. В.Б.Булгака, Л.Е.Варакина. -М.: Радио и связь, 1995. 224 с.

2. В.Д.Москвитин и др. Роль и место спутниковых систем связи в сируктуре ВСС РФ. 2-я Международная конференция «Спутниковая связь». Т.1.-М.:МЦНТИ, 1996. с.34-52.

3. Р.Ф.Григорьев, А.Н.Назаров. Анализ основных направлений цифровизации взаимоувязанной сети связи России: проекты и предложения// ИТиВС. Вып. 1,1996. с.77-94.

4. Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой передачи на сети связи Российской Федерации. -М.: ЦНИИС, 1994. -50 с.

5. В.Е. Камнев и др. Мультимедийная транспортная сеть для мегаполисов на базе использования радиорелейных линий миллиметрового диапазона и ATM коммутаторов. В кн.: Труды НТК «Современные инфокоммутационные технологии в мегаполисах», Москва, 1998 г.

6. В.Е. Камнев. Основные принципы, определяющие технический облик спутниковой ATM сети. В кн.: Труды НТК «Современные инфокоммутационные технологии в мегаполисах», Москва, 1998 г., е.56-62.

7. В.Е. Камнев. Методика расчета основных показателей качества ATM сетей, реализованных с использованием специализированных спутниковых сетей связи». В кн.: Труды НТК «Современные инфокоммутационные технологии в мегаполисах», Москва, 1998 г., с. 63-71.

8. В.Е. Камнев. Способы управления информационными перегрузками в ATM сети с использованием спутниковых систем связи. В кн.: Труды НТК «Современные инфокоммутационные технологии в мегаполисах», Москва, 1998 г., с. 86-94.

9. J.S. Baras. ATM in Hybrid Networks. Technical Reserch Report CSHCN T.R. 96-3 (ISR T.R. 96-21). Center for Satellite and Hybrid Communication Networks. Institute for Systems Research University of Mariland, USA. 1995. 13 c.

10. D.M. Chitre. The Role of Satellite communication in the ISDN era. -Int. Journ. Of Sat. Com., 10, 1992. p.p.209-215.

11. D. Prycer. Asynchronous Transfer Mode, Second Edition. -Ellis Horwood, 1993.

12. B.G. Lee etc. Broadband Telecommunications Technology. -Artech House, 1993.

13. Г.П. Захаров и др. Пути внедрения технологии ШЦСИО о России. -М.: Электросвязь, №5, 1995.

14. А.Н. Назаров, М.В. Симонов. ATM: Технология высокоскоростных сетей. -М.: Эко-Трендз, 1998. 234 с.

15. В.Е. Камнев. Некоторые вопросы применения спутниковых систем ретрансляции данных для повышения устойчивости систем управления. В кн.: Тезисы докладов НТК ВИКИ им.Можайского , Санкт-Петербург, 1989

16. К.И. Кукк. Роль спутниковой связи в создании глобальных сетей передачи данных. 2-я Международная конференция «Спутниковая связь». Т.2.-М.:МЦНТИ, 1996. с.179-185.

17. ATM Forum. ATM User Network Interface Specification. Version 3.1, 1994.

18. ITU-T. Recomendation I.362. B-ISDN ATM Adaptaion Layer (AAL) Function Description. Rev.1, Geneva, 1993.

19. Спутниковая связь и вещание: Справочник./Под ред. J1.Я.Кантора. -М.:Радио и связь, 1988. -344 с.

20. K.-Y.Siu, H.-Y. Tzeng. Congestion Control for Multicast Service in ATM Nrtworks. Technical Report 94-03-01. Dep. Of Electrical & Computer Engineering University of California, Irvine, CA 92717, USA.

21. E.Del Re, R.Fantacci. Performance evalution of input queueing techniques in ATM switching systems/- IEEE Trans.Commun., СОМ-41,(Ю),1993. p.p. 1565-1575.

22. J.J. Bae, T.Suda. Servey jf traffic control schemes and protocols in ATM Networks. -Proc. IEEE, 79, (2), 1991. p.p. 170-189.

23. Z. Hass, J.H.Winters. Congestion Control by adaptive admission. -IEEE INFOCOM, 1991. p.p. 560-569.

24. E.P. Rathgeb. Modeling and performance comparison of policing mechanisms for ATM Networks/ -IEEE J SAC,9, (3) 1991. p.p. 325-334.

25. F. Bonomi, K.W. Fendik, K.Meir-Hellstern. A Comparative Study of EPRCA Compatible Itelligent Congestion Indication Schems for the Support of Fair ABR Service. ATM Forum Contribution 94-08292, September 1994.

26. D. Raychaudhuri, N.D. Wilson. ATM-Based transport architecture for multiservices wireless personal communication networks. -IEEE J. Select. Areas Commun., vol.12, no.8, Oct, 1994. pp.1401-1414.

27. J. Beran, R.Sherman, M.S. Taggu, W.Willinger. Long-Range Dependence in Variable-Bit-Rate Video Traffic. -IEEE Trans. Commun., vol.43, no. 2/3/4, 1995. pp.1566-1579.

28. I. Rubin, K.D. Lin. A burst-level adaptive input-rate flow control scheme for ATM networks. -IEEE INFOCOM, 1993. p.p.386-394.

29. H. Kroner. Comparative performance study of space priority mechanisms for ATM neywoks. -IEEE INFOCOM, 1990. p.p. 1136-1143.

30. E. David, McDysan, Darren L. ATM: Theory and Application. -Mc Graw-Hill, 1994. -636 p.

31. R. Handel, M.N.Huber, S.Schruder. ATM Netwoks, Cocepts, Protocol, Applications. -Addison-Wesley Publishing Company, 1994. 288 p.

32. ITU-T. Recomendation 1.371. Traffic Control and Congestion. Control in B-ISDN. -Geneva, 1993.

33. В.Е. Камнев. Современные алгоритмы обработки командно-программной информации в спутниковых системах ретрансляции данных». В кн.: Тезисы докладов НТК ВИКИ им.Можайского, Санкт-Петербург, 1989.

34. Л. Клейнрок. Теория массового обслуживания. -М.: Машиностроение, 1979. -432 с.

35. Л. Клейнрок. Вычислительные системы с очередями. -М.: Мир, 1980. -600 с.

36. В. Феллер. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1. -М.: Мир, 1984. -528 с.

37. Т.Л. Саати. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. -М.: Сов.радио, 1971. -650 с.

38. Г.П. Захаров. Методы исследования сетей передачи данных. -М.: Радио и связь, 1982. -208 с.

39. Дж. Шрайбер. Моделирование на GPSS. -М.: Мир, 1980. -632 с.

40. И.М. Тепляков и др. Радиосистемы передачи информации. -М.: Радио и связь, 1982.-264.

41. Б.Р. Левин. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: Сов.радио, 1969. -320 с.

42. М. Шварц. Сети ЭВМ. Анализ и проектирование. -М.: Радио и связь, 1981. -355 с.

43. Дж. Бертсекас, Р.Галлагер. Сети передачи данных. -М.: Радио и связь, 1989. -544с.

44. Дж. Спилкер. Цифровая спутниковая связь. -М.: Радио и связь, 1979. -600 с.

45. Б.С. Лившиц и др. Теория телефонных и телеграфных сообщений. -М.:Связь, 1971.-304 с.

46. F. Faris etc. On board B-ISDN fast packet switch architectures. -NASA Cotract NAGW-4528 Final Report, NASA CR-189144, 1993.

47. M.-J.Shalkhauser, J.A.Quintana, N.J.Soni. Fault Tolerant Onboard Packet Switch Architecture for Communication Satellites: Shared Memory Per Beam Approach. -NASA Technical Memorandum 106397, AIAA-94-1101, 1994. 10 p.

48. W.D. Ivancic etc. Destinatin-Directed, Packet-Switched Architecture for a Geostationary Communications Satellite Network. NASA Technical Paper 3379, 1993. -16 p.

49. M.-J. Shalkhauser, J.A.Quintana. On-Board Packet Switch Architectures for Communication Satellites. -NASA Technical Memorandum 106328, 1993. 9 p.

50. IEEE. IEEE Draft Std P1355, Standard for Heterogeneous Interconnect (HIC) (Low Coast Low Latency Scalable Serial Interconnect for Parallel System Construction), Jan. 1995.

51. M.J. Ryu, J.Kim. ATM LAN Access Switch (ALAX): System Architecture. LAST, Institute for Systems Research, University of Maryland, 1995.

52. PCI Special Interest Group. PCI Local Bus Specification, Revision 2.0, April 1993.

53. PCI Special Interest Group. PCI to PCI Bridge Architecture Specification, Revision 1.0, April 1994.

54. SGS-THOMSON. ST C104 Asynchronous Packet Switch Data Sheet. June 1994.

55. SGS-THOMSON. The T9000 Transputer Hardware Reference Manual. 1993.

56. LSI Logic. ATMizer MegaCore data Sheet. November, 1993.

57. M. Devault et al. The "Prelude® experiment: assessments and future prospects//

58. EE J., Dec. 1988, v.SAC-6,№9, p.1528-1537.

59. H. Kuwahara et al. Shared buffer memory switch for an ATM exchahge. Proc.

60. C'89, Boston, MA, v.1, p.118-122.

61. H. Suzuki, H.Nagano et al. Output-buffer switch architecture for ATM. Proc. ICC'89,

62. Boston, MA, v.1, p.99-103.

63. В.Е. Камнев и др. Системы спутниковой «деловой» связи на территории России и стран СНГ. Проект № 3.507-01/2-93, шифр «Интегра». -М.: МНИИС, 1994 г.

64. В.Е. Камнев и др. Разработка аппаратно-программного комплекса с использованием технологии ATM для спутниковой системы связи с коммутацией сигналов на борту ИСЗ. -М.: МНИИС, 1997 г