Основные методы расчёта характеристик и параметров проводных и беспроводных средств телекоммуникаций

ТЕМА 11-1 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СРЕДСТВ РЭЗИ И ЭСБ

(ТТвЭСБ)

Содержание:

11.1 Основные методы расчёта характеристик и параметров проводных и беспроводных средств телекоммуникаций

11.2 Оценка предлагаемой нагрузки в сети передачи данных

11.3 Расчет скорости передачи данных

Основные методы расчёта характеристик и параметров проводных и беспроводных средств телекоммуникаций

Проблемы передачи информации в телекоммуникационных системах (ТКС) и электронных системах безопасности (ЭСБ), а также в средствах радиоэлектронной защиты информации (РЭЗИ) тесно связаны с уровнями изучения знаковых систем, которые можно разделить на проблемы синтаксического, семантического и прагматического уровней.

При анализе и проектировании таких систем различают их представление на следующих уровнях:

1 На синтаксическом уровне рассматриваются внутренние свойства передаваемых данных, например, текстов, которые отражают структуру данной знаковой системы, взаимосвязи ее элементов, например, статистические, избыточность представления с точки зрения эффективности передачи, способы кодирования и пр.

2 На семантическом уровне анализируются внешние отношения между знаками и обозначаемыми ими действиями, предметами, показателями качества и пр., которые представляют смысловое содержание передаваемых данных от источника получателю. На этом уровне возникают чрезвычайно сложные проблемы формализации смысла передаваемой информации, оценок ее близости к истине, поскольку, например, различное понимание того или иного слова в тексте может существенно изменить смысл передаваемого сообщения.

3 На прагматическом уровне рассматриваются внешние отношения между данными и теми, кто их использует, т.е. потребительское содержание данных, их отношение к получателю. На этом уровне рассматриваются последствия от использования полученной абонентом информации. Основная сложность формализации оценок эффективности передачи информации на этом уровне состоит в определении потребительской стоимости полученной информации, которая может быть различной для различных получателей и существенно зависит от истинности, своевременной доставки и использования.

Теоретические основы построения ТКС, на которые базируются методы проектирования, касаются решения проблем синтаксического уровня, нацеленные на совершенствование систем передачи данных, у которых основные показатели функционирования были бы близки к предельно возможным. В этом заключаются чисто технические проблемы совершенствования методов передачи сообщений и способов формирования их материального носителя – сигналов.

11.1.1 Проектирование объекта телекоммуникаций, как правило, носит итерационный характер. Например, в процессе проектирования системы или сети передачи данных приходится многократно и поэтапно принимать определенные технические решения и выполнять анализ результатов с целью оценки степени приближения к требуемым параметрам и характеристикам такого сложного объекта проектирования, как система или сеть телекоммуникаций. На начальных стадиях проектирования не удается, да и не требуется, получать результаты высокой точности и целесообразно использовать наиболее простые и экономичные модели.

На первом этапе проектирования – этапе структурного синтеза, осуществляется разработка или выбор структуры объекта. Задачей структурного синтеза является определение цели проектирования и вариантов возможных технических решений с учетом ограничений на их практическую реализацию. При этом система или сеть строится таким образом, чтобы достигался экстремум целевой функции при выполнении заданных ограничений.

После синтеза структуры объекта осуществляется анализ результата, целью которого является получение информации о характере функционирования, значениях выходных параметров при заданных параметрах внешних воздействий и начальном его состоянии. При недостаточном приближении к экстремуму целевой функции процедуры структурного синтеза и анализа повторяются.

На этапе параметрического синтеза осуществляется расчет или выбор значений параметров всех элементов структуры объекта проектирования. Затем следует этап анализа результата проектирования, на котором широко используются методы математического анализа, методы моделирования процессов функционирования системы или сети, модели массового обслуживания и др.

Упрощенные модели массового обслуживания позволяют находить явный вид целевой функции, в качестве которой используется отдельные характеристики сети, например, такая характеристика, как время задержки пакетов данных в сети при заданной предложенной нагрузке.

Моделирование жизненного цикла системы или сети также проводится итерационно параллельно с непрерывным анализом полученных результатов и корректировкой результатов на предыдущих этапах проектирования. При этом на каждом этапе реализуется повторяющийся цикл: предложение технического решения, проверка реализации, оценка результата.

В процессе проектирования широко используются модели, которые отражают наиболее важные интересующие исследователя свойства объекта. Например, математические функциональные модели, в общем случае, представляют собой алгоритмы вычисления вектора выходных параметров при заданных векторах параметров элементов сети и параметрах внешних воздействий. Понятие характеристики функционирования сети включает вторичные свойства системы или сети, которые определяются в процессе решения задач анализа, как функция параметров.

Например, параметры компьютерной сети описывают первичные свойства сети и являются исходными данными при решении задач анализа. Закон функционирования такой сети может быть представлен в виде

,

где – представляет собой функцию, функционал, логические условия, алгоритм, методику, таблицу, определяющее правило (закон) или его словесное описание, отображение множества входных величин на множество выходных; первичные данные сети (параметры): S – структурные, F – функциональные, Y – нагрузочные, X – внешней среды.

Если известны вторичные данные (характеристики) сети, такие как V – мощностные, T – временные, N – надёжностные, C – экономические, Z – прочие, то в качестве закона функционирования может выступать функционал .

11.1.2 Характеристики и параметры проводных средств телекоммуникаций рассмотрим на примере компьютерных сетей. Характеристики компьютерных сетей можно разделить на качественные и количественные.

К количественным характеристикам относятся:

– глобальные, определяющие наиболее важные свойства сети как целостного объекта;

– локальные, определяющие свойства отдельных устройств или сегментов сети и позволяющие получить более детальное представление об эффективности сети.

В свою очередь к глобальным характеристикам относятся такие как, производительность, оперативность, надежность, уровень энергопотребления, стоимость и т.п.

11.1.2.1 Производительность компьютерной сети определяет количество работы, выполняемой сетью в единицу времени. Это понятие включает показатели эффективности компьютерной сети, которые определяют качество ее функционирования в целом, а также отдельных подсистем и элементов, т.е. аппаратно-программных средств. Она зависит, в первую очередь, от производительности отдельных ее элементов, называемой скоростью работы, которая измеряется объёмом данных, передаваемых за единицу времени. Производительность сети передачи данных измеряется числом сообщений (пакетов, кадров, бит), передаваемых по сети за единицу времени, а производительность средств обработки данных, представляет собой суммарную производительность всех вычислительных средств, входящих в состав сети.

Наиболее важным показателем производительности вычислительных средств, как совокупности технических и программных средств, является системная производительность, измеряемая числом задач, которые выполняются системой за единицу времени.

11.1.2.3 Характеристики оперативности описывают задержки, возникающие при передаче и обработке данных в сети. Для оценки оперативности сети в целом используются следующие показатели:

– время доставки пакетов (сообщений) – интервал времени, измеряемый от момента поступления пакета или сообщения в сеть до момента получения пакета адресатом;

– время отклика (ответа) – интервал времени от момента поступления запроса (сообщения, транзакции) в сеть до момента завершения его обслуживания, связанного с выполнением некоторой прикладной или обслуживающей программы, с обращением к базе данных и т.п.

Время отклика, как и время доставки, – величина случайная и может задаваться средним значением или в виде вероятности не превышения некоторого заданного значения .

11.1.2.4 В качестве характеристик надежности обычно используются следующие показатели:

– вероятность безотказной работы сети P(t) – вероятность того, что в течение времени t не произойдет отказа;

– интенсивность отказов λ₀ – среднее число отказов за единицу времени;

– время наработки на отказ – промежуток времени между двумя смежными отказами, который является случайной величиной, а его среднее значение T₀ называется средней наработкой на отказ ;

– время восстановления – интервал времени от момента наступления отказа до момента восстановления, который является случайной величиной и задается средним значением T_В, называемым средним временем восстановления;

– коэффициент готовности K_Г – доля времени, в течение которого сеть работоспособна .

Величина K_Г может трактоваться как вероятность того, что в любой момент времени сеть работоспособна.

11.1.2.5 В качестве стоимостных (экономических) характеристик компьютерной сети могут использоваться следующие показатели:

– полная стоимость владения – суммарные затраты, рассчитанные на всех этапах жизненного цикла сети и включающие стоимость технических, информационных и программных средств (прямые затраты) и затраты на эксплуатацию сети (косвенные затраты);

– стоимость (цена) передачи данных и обработки данных в сети, определяемая объемом и стоимостью используемых ресурсов сети соответственно при передаче и обработке данных.

11.1.2.6 В качестве локальных характеристик компьютерных сетей могут использоваться в зависимости от целей исследования самые разнообразные показатели эффективности.

Локальные характеристики описывают эффективность функционирования:

– узлов и каналов связи;

– отдельных сегментов сети;

– узлов обработки данных: вычислительной системы и ее подсистем.

Локальные характеристики могут быть разбиты на две группы: временные; безразмерные.

К временным характеристикам относятся:

– время доставки (задержки) пакетов при передаче между соседними узлами сети;

– время ожидания передачи данных в узлах сети или освобождения ресурсов ВС (сервера);

– время пребывания данных в различных узлах, устройствах или подсистемах.

К безразмерным характеристикам относятся:

– число пакетов, находящихся в буферной памяти узлов (маршрутизаторов, коммутаторов);

– коэффициенты загрузок узлов, каналов связи и вычислительных средств.

Коэффициент загрузки или просто загрузка «ρ» устройства – это доля времени, в течение которого устройство работает по назначению:

, где t – время, в течение которого устройство работало; T – время наблюдения.

Загрузка ρ характеризует степень использования устройства и часто называется коэффициентом использования устройства. Поскольку 0 ≤ ρ ≤1, то загрузка может трактоваться как вероятность того, что в любой момент времени устройство работает. Величина η = 1− ρ называется коэффициентом простоя устройства, и характеризует долю времени, в течение которого устройство не работает (простаивает).

11.1.3 В настоящее время в связи с усложнением оборудования беспроводных систем телекоммуникаций и алгоритмов взаимодействия их функциональных элементов с использованием общей разделяемой среды передачи, аналитические методы расчета уступают место методам моделирования процессов, протекающих в таких системах. Теоретический анализ работы радиосистем в сложной электромагнитной обстановке удается выполнить при существенном упрощении моделей, как самих систем, так и условий их функционирования. Более пригодные для использования на завершающих стадиях проектирования результаты дают методы моделирования. Анализ результатов моделирования радиосистем в условиях максимально приближенных к действительности позволяет оценить характеристики, параметры и показатели их качества в условиях действия непреднамеренных помех, создаваемых совместно работающими радиосредствами.

11.1.3.1 В последние годы все больше внимания уделяется вопросам построения интеллектуальных мобильных радиосистем на основе технологии DSRC (Dedicated Short Range Communication – специализированная связь на коротких расстояниях), позволяющих решать множество прикладных задач на транспорте.

Для построения подсистемы радиосвязи интеллектуальной транспортной системы (ПРС ИТС) разрабатывается группа стандартов IEEE 1609, определяющих взаимодействие элементов ПРС ИТС на всех уровнях модели ISO с использованием технологии DSRC.

Эта технология, предназначенная для обеспечения коммуникаций на транспорте, выгодно отличается от других беспроводных технологий возможностями быстрого установления соединения и прямой передачи данных между терминалами транспортных средств. Используемые при этом каналы могут различаться скоростью передачи и качеством связи. В то же время технология позволяет динамически менять маршрут трафика при ухудшении параметров текущего маршрута, если есть достаточное количество доступных узлов сети, что оказывает существенное влияние на пропускную способность системы.

Анализ факторов, определяющих пропускную способность каналов радиосвязи в технологии DSRC, показывает, что существенное влияние на нее оказывают непреднамеренные индустриальные помехи и помехи от работающих радиосредств. Поэтому в качестве спецификации физического уровня принята спецификация IEEE 802.11p с уточнениями IEEE 802.11 – 2012 и некоторыми упрощениями протокола CSMA/CA. В ней, в частности, определено, что на канальном уровне все пакеты данных передаются без запроса готовности к приему данных и подтверждения приема. В таком случае, ПРС ИТС представляет собой одноканальную систему массового обслуживания (СМО) с отказами, которая может находиться в одном из двух состояний: So – канал радиосвязи свободен; Si – канал радиосвязи занят передачей пакета. Это существенно упрощает методику экспериментального исследования пропускной способности радиоканала в ПРС ИТС.

11.1.3.2 Рассмотрим в качестве примера методику экспериментального исследования пропускной способности радиоканала, которая состоит из двух стадий. На первой измерялся коэффициент потерь пакетов в зависимости от скорости передачи, а на второй – пропускная способность с учетом числа ретрансляторов. Для проведения измерений использовались бортовые устройства DSRC на доработанном чипсете Wi-Fi.

Трансиверы с всенаправленными антеннами, установленными на высоте 2 м, были разнесены на расстояние 100 м и находились в прямой видимости. К каждому из трансиверов по интерфейсу Ethernet подключались два персональных компьютера, один из которых служил источником данных, а второй – приемником данных и средством определения параметров передачи (на базе утилиты iperf). Использовался 178-й канал DSRC с несущей 5,890 ГГц, мощностью передатчиков 27 дБм и чувствительностью приёмников -87 дБм.

Эксперимент проходил в пять этапов, каждый из которых представлял собой передачу данных в течение 300 с со скоростями 1, 2, 3, 4 и 5 Мбит/с (соответственно номеру этапа). Отношение сигнал-шум определялось в виде отношения энергии сигнала на 1 бит к плотности мощности шумов на 1 Гц. При фиксированной мощности сигнала и шума увеличение скорости передачи данных приводило к возрастанию вероятности возникновения ошибок, что документировалось для последующего анализа.

Для исследования зависимости скорости и стабильности передачи данных в системе от изменения маршрута передачи использовалось то же оборудование и те же частоты и мощности сигнала, что в исходном варианте. В первоначальной конфигурации тестовая система состояла из двух бортовых устройств DSRC, в дальнейшем конфигурация системы изменялась путем добавления сначала одного, а затем второго дополнительного бортового устройства DSRC, которые работали в режиме ретрансляции сигнала. Устройства размещались таким образом, чтобы каждое из них взаимодействовало в условиях прямой видимости только с двумя соседними.

Проведенные исследования показали, что подсистема радиосвязи ИТС с использованием модифицированного протокола IEEE 802.11p по технологии DSRC представляет собой одноканальную систему массового обслуживания с отказами. Ее пропускная способность зависит как от быстродействия и нагрузки системы, так и от состояния канала связи.

Оценки пропускной способности в режиме прямой связи и в режиме ретрансляции говорят о способности системы эффективно ретранслировать сигнал с относительно стабильной скоростью передачи данных. Сеть на базе технологии DSRC обладает высокой живучестью, и в случае нарушения связи узел может восстановить связь по радиоканалу через другие устройства в радиусе действия.