SITUATIONS
Zhavoronkov S.A., scientific and pedagogical worker
Zelencov S.Yu., scientific and pedagogical worker
Serebryakov Yu.I., candidate of technical sciences, associate professor
Cherepovets highest military engineering college of radio electronics
Russian Federation 162600 Vologda Region, Cherepovets, Sovetsky Ave., 126
Abstract. In the article are the variants of formation and classifiers of supernumerary crisis situations are considered on the basis of a combination of faceted and hierarchical approaches to the classification of information obtained during monitoring using methods of factor, discriminant and cluster analysis.
Keywords: supernumerary situations, monitoring, crisis, classification, information, analysis, faceted method, hierarchical method, descriptor method, discriminant, factor and cluster analysis.
УДК 004.043
ГРНТИ 28.29.51
ВЫЯВЛЕНИЕ ПАКЕТОВ КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ В СПУТНИКОВЫХ
СИСТЕМАХ СВЯЗИ С МНОГОСТАНЦИОННЫМ ДОСТУПОМ
И ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ НА ОСНОВЕ ОЦЕНИВАНИЯ
ПОКАЗАТЕЛЯ ХЕРСТА
Клецков Д.А., кандидат технических наук
Пермяков А.С.
Череповецкое высшее военное инженерное училище радиоэлектроники
Российская Федерация, 162600, Вологодская обл., г. Череповец, Советский пр., 126
Аннотация. В статье предлагается метод распознавания служебных пакетов канала управления спутниковых систем связи, использующих для обслуживания абонентов многостанционный доступ с временным разделением каналов на основе оценивания степени их самоподобия. В основе метода лежит оценка показателя Херста служебных пакетов канала управления и информационных пакетов с различным типом абонентской нагрузкой. Оценка показателя Херста проводится с помощью анализа временных рядов, составленных из разности моментов времени между пакетами соответствующего типа, с использованием апробированной методики нормированного размаха – R/S-анализа.
Ключевые слова: самоподобие, показатель Херста, временной ряд, нормированный размах, R/S - анализ.
| С |
овременные телекоммуникационные системы оперируют с большим количеством разнородной информации. Данный факт свидетельствует о необходимости увеличения пропускной способности каналов связи. В связи с этим широкое распространение получили спутниковые системы связи (ССС). Для разграничения ресурса ССС в большинстве случаев применяется технология многостанционного доступа с временным разделением каналов (МДВР), а в качестве абонентских интерактивных терминалов используется оборудование VSAT (Very small aperture terminal) [1].
Следует отметить, что обмен информацией между абонентами основан на принципе передачи данных с коммутацией пакетов (ПДКП). Совокупность информационных пакетов и служебных пакетов канала управления представляет собой транспортный поток ССС с МДВР. Правильное функционирование ССС с МДВР требует постоянного мониторинга системы, который следует организовывать с помощью анализа служебных пакетов [1]. Прежде чем проводить анализ служебных пакетов, необходимо выделить их из общего транспортного потока. Исследование служебных пакетов на самоподобие позволит провести выделение служебных пакетов из общего транспортного потока системы. Нагрузку ССС с МДВР обеспечивают информационные пакеты абонентов и служебные пакеты канала управления [2]. Классификация пакетов ССС с МДВР по типам приведена на рис. 1.
Рис. 1. Классификация пакетов ССС с МДВР по типам
Рассмотрим структуру информационных пакетов абонентов. Каждый информационный пакет представляет собой последовательность служебных 
и информационных символов 
(1)
, (2)
, (3)
где 
– операция конкатенации, 
– r- ый символ служебной последовательности пакета 
абонента 
, 
– p- ый символ информационной последовательности пакета 
абонента 
. Длина информационного пакета абонента определяется следующим выражением
(4)
где 
– длина последовательности служебных символов каждого пакета 
, равная 
, 
– длина последовательности информационных символов каждого пакета 
, равная 
.
Информационные пакеты абонентов передаются в течение интервала времени 
, который зависит от наличия свободного ресурса системы, уровня приоритета абонента, передающего пакет, длины пакета и скорости передачи информации. Необходимо отметить, что информационные пакеты абонентов могут быть различных типов (видео, речь, данные). Речевые данные кодируются речевыми кодеками так, чтобы кадры речевых кодеков уплотнялись полностью без разрыва кадровой структуры ССС с МДВР
, (5)
где 
– кадр кодера речи.
Рассмотрим теперь структуру служебных пакетов канала управления, которые служат для управления процессом передачи информационных пакетов абонентов, контроля и коррекции параметров передачи АТ в ССС на базе технологии МДВР. Информация, передаваемая в служебных пакетах канала управления, представляется в виде специальных таблиц, что является отличительной особенностью ССС с МДВР на базе оборудования VSAT. По предназначению служебные пакеты канала управления можно разделить на служебные пакеты прямого канала 
и служебные пакеты обратного канала 
.
Служебные пакеты прямого канала определяют организацию и состав сети, параметры ЦЗС, а также характеристики транспортного потока в целом. К ним относятся таблица соединения программ 
, таблица плана программы 
, таблица сетевой информации 
, таблица условного доступа 
, таблица описания сервисов 
.
Служебные пакеты обратного канала определяют параметры сигналообразования, временной и частотный ресурс абонентских терминалов, корректируют их работу. К ним относятся таблица структуры суперкадра 
, таблица структуры кадра 
, таблица описания таймслотов 
, таблица положения спутника 
, таблица сообщений коррекции 
, таблица информационных сообщений абонентов 
, таблица временного плана 
.
Служебные пакеты канала управления имеют определенную структуру и состоят из последовательности служебных и информационных символов. Описываются служебные пакеты следующими выражениями:
(6)
, (7)
, (8)
где i – идентификатор типа служебного пакета канала управления, 
– g- ый символ служебной последовательности пакета канала управления 
, 
– f- ый символ информационной последовательности пакета 
.
Длина служебного пакета канала управления определяется следующим выражением:
(9)
где 
– длина последовательности служебных символов 
каждого служебного пакета канала управления, равная 
, 
– последовательность информационных символов 
каждого служебного пакета канала управления, равная 
.
Служебные пакеты передаются в моменты времени 
, которые определяются самой системой. Служебные пакеты всегда имеют наивысший приоритет, так как необходимы для правильного функционирования системы в целом, и должны передаваться в определенные моменты времени. На основании вышеизложенного передача транспортного потока ССС с МДВР, представляющего собой совокупность информационных пакетов абонентов и служебных пакетов канала управления, представлена на рис. 2.
Рисунок. 2. Передача группового сигнала ССС с МДВР
Для дальнейшего исследования необходимо отсортировать по отдельности информационные пакеты абонентов и служебные пакеты канала управления. Пакеты, относящиеся к одному типу, будут иметь одинаковую длину служебного заголовка:
, (10)
, (11)
В результате сортировки пакетов транспортного потока получим два потока, то есть поток информационных пакетов абонентов и поток служебных пакетов канала управления рис. 3.
а) б)
а) информационные пакеты абонентов; б) служебные пакеты канала управления.
Рисунок 3. Отсортированный групповой сигнал ССС с МДВР
Момент времени прихода информационного пакета абонента обозначим как 
, а служебного пакета канала управления как 
. Тогда интервал времени между приходами информационных пакетов абонентов обозначим как
, (12)
а между приходами служебных пакетов канала управления как
. (13)
Для выявления свойства самоподобия служебных пакетов канала управления необходимо провести R/S – анализ. Данный анализ используется для проверки наличия во временном ряду данных долгосрочной зависимости, а также дает оценку показателя Херста, который в свою очередь указывает, самоподобен или нет временной ряд [2].
Рассмотрим временной ряд 
длиной N, элементами которого будут интервалы времени между началами каждого служебного пакета
, 
, (11)
. (12)
Разобьем полученный временной ряд 
на A смежных подпериодов длины n, так, что
, (13)
Обозначим каждый подпериод как 
, где индекс 
. Каждый элемент подпериода 
обозначим 
, где 
рис. 4.
Рисунок 4. Деление временного ряда 
на подпериоды
Для каждого 
длины n найдем среднее арифметическое значение 
по формуле
. (14)
Затем для каждого подпериода 
определить ряд накопленных отклонений 
от среднего арифметического 
на подпериоде
. (15)
Выберем из ряда накопленных отклонений максимальное 
и минимальное 
значение. Определим размах 
на каждом подпериоде, то есть разность между максимальным 
и минимальным 
отклонением
, (16)
Далее для каждого подпериода 
рассчитываем среднеквадратичное отклонение 
, (17)
Каждый размах 
нормируется путем деления на соответствующее значение среднеквадратичного отклонения 
, при этом для каждого подпериода 
получаем определенное соотношение 
.
Необходимо вычислить среднее значение нормированного размаха 
для подпериодов длиной n:
. (18)
Рассчитав необходимые величины для подпериодов длиной n, следует поделить исходный временной ряд 
на следующее меньшее целое значение подпериодов A, такое, чтобы длина n каждого подпериода имела целочисленное значение рис. 5.
Рисунок 5. Изменение длины n подпериодов исходного временного ряда
Далее проводим те же вычисления согласно выражениям (14), (15), (16), (17), (18). Деление временного ряда 
продолжается до тех пор, пока длина подпериода не станет равной половине длины временного ряда
. (19)
R/S анализ дает лучший результат при использовании делителей подпериодов, кратных 
, однако в этом случае для анализа необходим достаточно большой исходный временной ряд 
[2].
Теперь переходим к определению показателя Херста, согласно следующему выражению
, (20)
где 
– константа, 
– показатель Херста, 
– нормированный размах на каждом подпериоде, 
– число наблюдений на каждом подпериоде.
Логарифмируя выражение (20), получаем
. (21)
Проведя вышеуказанные вычисления и преобразования для подпериодов различной длины, строим график зависимости 
от 
. Воспользуемся методом наименьших квадратов для построения прямой аппроксимирующей зависимость 
от 
[3]. Наклон данной прямой к оси абсцисс характеризует показатель Херста 
. Графики для оценки 
представлены на рис. 6.
В зависимости от значения показателя Херста 
делаем вывод самоподобен ли временной ряд 
или нет. Сделав вывод о том, какой временной ряд 
можно определить, являются ли самоподобными служебные пакеты канала управления ССС с МДВР или нет.
а) б)
а) график зависимости 
от 
; б) прямая характеризующая показатель Херста.
Рисунок 6. Графики оценки показателя Херста
Значения показателя Херста приведены в табл. 1 [4].
Таблица 1
Значения показателя Херста
| Значение показателя Херста (H) | Характеристика временного ряда |
| 0 ≤ H < 0,5 | Неустойчивость временного ряда (отмечаются колебания тренда) |
| 0,5 | События, составляющие временной ряд, не зависят друг от друга |
| 0,5 < H ≤ 1 | Хорошо предсказуемый временной ряд, обладающий долгосрочной зависимостью |
Обобщенная схема алгоритма определения самоподобия служебных пакетов канала управления ССС с МДВР приведена на рис. 7.
Рисунок 7. Обобщенная схема алгоритма определения самоподобия
служебных пакетов канала управления ССС с МДВР
С учетом данного алгоритма проведены исследования на выявление самоподобности служебных пакетов канала управления и информационных пакетов абонентов ССС с МДВР на базе оборудования VSAT. В качестве такой системы была взята платформа SkyEdge II производства фирмы Gilat (Израиль). Результат проведенного R/S анализа и оценки показателя Херста выявили свойство самоподобия служебных пакетов канала управления данной ССС с МДВР рис. 8.
Рисунок. 8. Выявление свойства самоподобия служебных пакетов канала
управления системы SkyEdge II фирмы Gilat (Израиль)
* * *
Выявленное свойство самоподобия служебных пакетов канала управления позволило отделить их от информационных пакетов абонентов в общем транспортном потоке системы связи. Оценка показателя Херста на основе проведенного R/S анализа позволила определить, что служебные пакеты канала управления ССС с МДВР обладают долговременной зависимостью, а временной ряд, состоящий из разностей моментов времени между началами служебных пакетов персистентен, то есть сохраняет свою тенденцию. Тем самым возможно проводить качественный анализ и мониторинг функционирования ССС с МДВР в целом, предсказывая возможные сбои в работе телекоммуникационного оборудования, контролировать распределение канального ресурса между абонентами.
Литература
1.Замарин А.И.Спутниковые системы персональной подвижной связи: Учебное пособие. С.-Пб.: ВКА им. А.Ф.Можайского, 2007. 358 с.
2. Петерс Э. Хаос и порядок на рынках капитала. Новый аналитический взгляд на циклы, цены и изменчивость рынка. М.: Мир, 2000. 333 с.
3. Петерс Э. Фрактальный анализ финансовых рынков: применение теории хаоса в инвестициях и экономике. М.: Интернет-трейдинг, 2004. 304 с.
4. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 254 с.
References
1. Zamarin A.I. Satellite systems of personal mobile communication: Textbook. S.-Pb.: VKA them. A.F. Mozhaisky, 2007. 358 p.
2. Peters E. Chaos and order in the capital markets. A new analytical look at the cycles, prices and market volatility. Moscow: Mir, 2000. 333 p.
3. Peters E. Fractal analysis of financial markets: application of the theory of chaos in investment and economy. - Moscow: Internet-trading, 2004. 304 p.
4. Feder E. Fractals. Moscow: Mir, 1991. 254 p.