Model of united airspace network with decentralized traffic routing based on Mesh technologies

Full Text

Введение Анализ развития систем авиационной связи показал, что одним из направлений обеспечения глобальности информационного обеспечения полетов авиации различного назначения является создание объединенных воздушно-космических сетей связи (ВКСС) [1-2]. При этом использование ВКСС в интересах обслуживания абонентов, передающих мультимедийный трафик (речь, видео, изображения), повышает требования к качеству его обслуживания (QoS - Quality of Service). Кроме того, предлагаемые к использованию в настоящее время технологические решения по созданию ВКСС основаны на иерархическом принципе ретрансляции информационных потоков (см. рис. 1). Вместе с тем, в соответствии с перспективными планами развития систем авиационной связи [3-6] предусматривается внедрение Mesh-технологий, которые позволят ретранслировать часть информационных потоков между сетями воздушной радиосвязи (СВРС) в случае, если у этих сетей имеются общие абоненты (см. рис. 2). Рассмотрен вопрос создания модели объединенной ВКСС, построенной на основе Mesh-технологии ретрансляции информационных потоков. Схема такой ВКСС представлена на рис. 2. Данная сеть предназначена для ретрансляции команд управления летательными аппаратами (ЛА), а также их информационного обеспечения в условиях отсутствия наземной инфраструктуры связи. В основу модели ВКСС были положены работы [7-8], в которых рассматриваются модели СВРС, а именно модель на основе протокола CSMA/CA и модель отдельной сети спутниковой связи (ССС) на основе протокола S-Aloha. На основе модели ВКСС предлагается исследовать QoS трафика и возможности такой сети по количеству одновременно обслуживаемых абонентов. Рис. 1. Объединенная воздушно-космическая сеть связи на основе иерархического принципа ретрансляции информационных потоков Рис. 2. Объединенная воздушно-космическая сеть связи с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потоков на основе Mesh-технологий Постановка задачи Для формализации процесса информационного обмена в ВКСС с децентрализованным принципом ретрансляции введем следующие обозначения: Mn - количество абонентов n-ой СВРС; Сn - пропускная способность канала множественного доступа n-ой СВРС [бит/с]; СССС - пропускная способность канала множественного доступа ССС [бит/с]; Sn - относительная пропускная способность канала множественного доступа n-ой СВРС, нормированная к Сn; SССС - относительная пропускная способность канала множественного доступа ССС нормированная к СССС; Сe n - эффективная пропускная способность канала множественного доступа n-ой СВРС [бит/с]; Сe ССС - эффективная пропускная способность канала множественного доступа ССС [бит/с]; Сe ИНС - эффективная пропускная способность информационного направления связи (ИНС) [бит/с]; Dmes n - объем пакета в n-ой СВРС [бит]; Dmes ССС - объем пакета в ССС [бит]; Dmes ССС - объем пакета в ССС [бит]; dmax n - максимальный радиус сети n-ой СВРС [км]; dsot - расстояние до спутника-ретранслятора (СР), образующего ССС [км]. Для низкоорбитальных ССС dsot= 500 ... 1500 км, для геостационарных CCC dsot= 40000 км, для высокоэллиптических CCC dsot>40000 км; с - скорость распространения электромагнитных волн [км/с]; Кn - настойчивость протокола множественного доступа n-ой СВРС, определяемая как число попыток передачи пакета, в случае, если предыдущие попытки оканчиваются неудачей; КCCC - настойчивость протокола множественного доступа S-Aloha, используемого в ССС; λm - интенсивность трафика, поступающего от m-го абонента в n-ой СВРС [бит/с]; kвн n = 0 … 1 - коэффициент внешнего трафика n-ой СВРС, определяется как доля трафика СВРС передаваемого как через ССС, так и через смежные СВРС, объединенные по Mesh-технологии; kвн n,j = 0 … 1 - коэффициент внешнего трафика, направляемого из n-ой СВРС в j-ю СВРС как через ССС так и через смежные СВРС объединенные по Mesh-технологии; kвн ССС n = 0 … 1 - коэффициент определяющий долю внешнего трафика n-ой СВРС, передаваемого только через ССС; kвн ССС n,j = 0 … 1 - коэффициент, определяющий долю внешнего трафика из n-ой СВРС в j-ю СВРС, передаваемого только через ССС; kкв = 0 … 1 - коэффициент дополнительного трафика квитанций, определяется как доля от основного трафика содержания квитанции об успешном приеме пакета. Значение kкв = 0,1 соответствует случаю, когда на 10 пакетов основного трафика отправляется один пакет квитанции об их успешном приеме; zn - количество исходящих Mesh-каналов из n-ой СВРС в смежные СВРС; kсв n = 0 … 1 - коэффициент связности n-ой СВРС со смежными СВРС, с которыми имеются Mesh-каналы; kсв = 0 … 1 - среднесетевой коэффициент связности СВРС со смежными СВРС по Mesh-каналам; R - среднесетевое количество ретрансляций через СВРС, объединенных на основе Mesh-технологий, при доставке пакета из СВРС-источника в СВРС-получатель; Λn - интенсивность трафика в n-ой СВРС без учета трафика квитанций об успешной доставке и внешнего трафика, поступающего в СВРС [бит/с]; ΛССС - общая интенсивность трафика в ССС с учетом трафика квитанций об успешной доставке [бит/с]; ΛСВРС n - общая интенсивность трафика в n-ой СВРС с учетом внешнего трафика и трафика квитанций об успешной доставке [бит/с]; Тзад n - задержка передачи пакета по n-ой СВРС [с]; Тзад ССС - задержка передачи пакета по ССС [с]; Тзад ИНС - задержка передачи пакета по ИНС [с]; Тm- максимально допустимая задержка передачи пакета по СВРС [с]. Рамки исследования: протокол связи в СВРС - CSMA/CA; протокол связи в ССС - S-Aloha; все СВРС соединены через ССС по принципу «звезды», причем каждая СВРС доступна из другой сети за один шаг ретрансляции через ССС; все СВРС соединены между собой в соответствии с количеством исходящих Mesh-каналов; трафик представляет собой простейший пуассоновский поток событий, состоящих в поступлении отдельных пакетов. Целью разработки модели является оценка временных параметров задержки передачи сообщений и пропускной способности ИНС в ВКСС, использующей децентрализованный принцип ретрансляции информационных потоков на основе Mesh-технологии. Решение задачи Для получения начальных условий с целью расчета временных параметров ВКСС и пропускных способностей ИНС сформируем начальные расчетные значения интенсивностей трафика в различных сегментах сети. В произвольной n-ой СВРС от абонентов в сеть поступает поток с интенсивностью, пропорциональной интенсивности отдельных абонентов λm и их количеству Mn: . (1) Из n-ой сети СВРС в другие j-ые СВРС как через ССС, так и через смежные СВРС отправляется суммарный поток с интенсивностью, определяемой коэффициентом kвн n: , (2) где , kвн n,j - коэффициент трафика, направляемого из n-ой СВРС в j-ю СВРС, при этом kвн n,n = 0. Данный трафик делится на отправляемый через ССС, доля которого во внешнем трафика определяется коэффициентом kвн ССС n и составляет значение , (3) и трафик, отправляемый через смежные СВРС по Mesh-каналам, значение которого равно . (4) Если учесть, что на каждые ν пакетов в ВКСС отправляется один пакет квитанции об успешном приеме этих пакетов, то коэффициент дополнительного трафика квитанций будет равен kкв=1/ν. С учетом этого выражения (3) и (4) примут окончательный вид: - трафик из СВРС в смежные воздушные сети, отправляемый по Mesh-каналам: ; (5) - трафик из СВРС в другие СВРС, отправляемый через ССС: ; (6) где , . На основе (5) можно определить суммарный трафик, поступающий в ССС от N СВРС: , (7) а из выражения (6) - суммарный внешний трафик, ретранслируемый между всеми СВРС объединенными по Mesh-технологии (без учета количества повторных ретрансляций): , (8) где: , . Рассмотрим более подробно моделирование применения Mesh-технологии и ретрансляцию трафика между СВРС в воздушном сегменте ВКСС. Введем коэффициент связности для каждой СВРС как отношение исходящих из n-ой СВРС Mesh-каналов в смежные воздушные сети zn к максимально возможному их числу при полносвязной топологии (N - 1): . (9) В этом случае среднесетевой коэффициент связности kсв воздушного сегмента ВКСС, представляющего собой объединение СВРС на основе Mesh-технологий, будет равен: (10) Ведем допущение что функция R(kcв), определяющая зависимость количества ретрансляций (хопов), обратно пропорциональна связности сети: R = 1/kcв. (11) Такое допущение является дискуссионным, но обусловлено необходимостью подбора функции, удовлетворяющей следующим условиям. В случае несвязной сети достичь узла назначения невозможно, то есть R(kcв = 0) = ∞, а в случае полносвязной сети любой узел достигается за один шаг: R(kcв = 1) = 1. С учетом допущения (11) можно оценить среднесетевое количество ретрансляций R, которое необходимо произвести в воздушном сегменте СВРС с учетом его коэффициента связности kcв (10): (12) Условие kcв < 1/(N - 1) в данном выражении определяет минимальный уровень связей (N - 1) между СВРС, после которого воздушный сегмент ВКСС будет распадаться на несвязанные кластеры, и отдельные группы узлов окажутся недоступными (что соответствует значению R = ∞). Значение среднесетевого числа ретрансляций R определяет рост уровня транзитного трафика в воздушном сегменте ВКСС, проходящего через отдельные СВРС. Причем с увеличением длины пути R пропорционально растет нагрузка и в воздушном сегменте ВКСС. В связи с этим, из выражения (7) получим суммарный внешний трафик, ретранслируемый между всеми СВРС, объединенными по Mesh-технологии, с учетом числа ретрансляций R: . (13) При этом средняя доля транзитного трафика (13), приходящаяся на конкретную СВРС, определяется как . (14) Выражения (5)-(6) и (14) позволяют определить общую интенсивность трафика в произвольной n-ой СВРС с учетом внутреннего и внешнего (от ССС и смежных СВРС) трафика: . (15) Выражения (7) и (15) позволяют определить интенсивность трафика, циркулирующего в ССС и в отдельной СВРС, и являются исходными для расчета пропускной способности и времени задержки передачи пакетов в ИНС ВКСС. Рис. 3. Объединенная воздушно-космическая сеть связи с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потоков на основе Mesh-технологий Рассмотрим передачу сообщений в децентрализованной ВКСС (см. схему на рис. 3). В такой сети для соединения абонентов возможно построить два вида ИНС: - через ССС (см. рис. 4а); - через СВРС, соединенных на основе Mesh-технологий, когда ретрансляция происходит через абонентов, принадлежащих разным сетям, но находящихся в зоне радиовидимости друг друга (см. рис. 4б). В ИНС, представленных на рис. 4, время задержки передачи пакета между абонентами n-ой и j-ой СВРС будет являться суммой задержек пакета на всех звеньях ИНС: - при передаче через ССС: Tзад ИНС= Tзад n+ Tзад CCC+ Tзад j; - при передаче через СВРС соединенные по Mesh-технологии: . Как показано в [7-8], время задержки пакета при передаче по отдельным звеньям ИНС с учетом выражений для интенсивности трафика ΛССС (7) и ΛСВРС n (15) будет определяться следующим образом: - для СВРС на основе протокола CSMA/CA [7]: , где: ; ; . - для ССС на основе протокола S-Aloha [8]: . а) б) Рис. 4. Общие схемы ИНС в ВКСС: а) через ССС; б) ретрансляция через СВРС, соединенные по Mesh-технологии Рис. 5. Общая схема аналитических вычислений для модели ВКСС с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потов на основе Mesh-технологий Пропускная способность ИНС в ВКСС будет определяться минимальной эффективной пропускной способностью отдельного звена ИНС: - при передаче через ССС: Сe ИНС = min{Ce n, Ce CCC, Ce j}; - при передаче через СВРС, соединенные по Mesh-технологии: Сe ИНС = min{Ce i}, i=n…j. При этом, как показано в работах [7-8], эффективные пропускные способности для отдельных звеньев с учетом выражений для интенсивности трафика ΛССС (7) и ΛСВРС n (15) будут определяться как: - для СВРС на основе протокола CSMA/CA [7]: , где показатели Sn, Сn определяются так же, как и в выражении для времени задержки передачи пакета. - для ССС на основе протокола S-Aloha [8]: . Показатели Tзад ИНС и Сe ИНС формируют показатели качества обслуживания ВКСС. Общая схема аналитических вычислений для модели ВКСС на основе децентрализованного принципа ретрансляции информационных потоков на основе Mesh-технологий представлена на рис. 5. Рис. 6. Упрошенная схема аналитических вычислений для модели ВКСС с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потов на основе Mesh-технологий Моделирование Для численной оценки показателей качества функционирования ВКСС проведем предварительное упрощение модели ВКСС на основе децентрализованного принципа ретрансляции информационных потоков. Дополнительно введем следующие допущения: - информационный трафик, циркулирующий во всех СВРС, имеет равную интенсивность Λ1; - все СВРС имеют одинаковые параметры объема пакета, радиуса сети, настойчивости протокола CSMA/CA, равные соответственно Dmes, dmax, К; - коэффициент внешнего трафика у всех СВРС одинаков и равен kвн, причем внешний трафик равномерно распределен по СВРС и коэффициенты трафика по всем межсетевым направлениям СВРСi → СВРСJ имеют равные значения: kвн i,j = kвн/(N - 1); - коэффициент доли внешнего трафика, направляемого в ССС, у всех СВРС одинаков и равен kвн ССС, при этом трафик через ССС также равномерно распределен по всем межсетевым направлениям СВРСi → СВРСJ; - количество исходящих внешних Mesh-каналов связи из СВРС одинаково и равно z, соответственно связность всех СВРС также одинакова и равна kсв. В результате данных упрощений схема аналитических вычислений для модели ВКСС на основе иерархического принципа ретрансляции информационных потоков примет вид, представленный на рис. 6. Проведем исследование возможностей по обслуживанию абонентов для ВКСС с децентрализованным принципом ретрансляции информационных потоков при ограничениях, которые соответствуют техническим характеристикам реальных средств связи [1; 7- 8]: - базовая интенсивность информационного потока в СВРС составляет λ = 1,2 кбит/с; - количество абонентов СВРС M = 20, при этом каждый из абонентов генерирует трафик λ; - количество сетей СВРС: N = 5; - пропускная способность каналов множественного доступа для СВРС равна C = 48 кбит/с, для ССС - 13,3 кбит/с; - объемы пакетов в СВРС (Dmes) и ССС (Dmes CCC) имеют равные значения: 256 бит; - коэффициенты настойчивости протокола множественного доступа в СВРС и ССС равны и имеют значения K=KCCC=16; - радиус СВРС равен dmax=250 км; - коэффициент дополнительного трафика квитанций kкв=0,1; - коэффициент связности воздушного сегмента ВКСС по умолчанию kсв=0,5. Результаты моделирования пропускной способности ИНС, проходящих через ССС и через воздушный сегмент ВКСС, объединенный на основе Mesh-технологий, в зависимости от параметров kсв, kвн ССС для значений kвн = 0,2; 0,5; 0,8 представлены на рис. 7. а) б) Рис. 7. Зависимость эффективной пропускной способности ИНС через ССС и через Mesh-сеть от параметров kвн, kвн ССС и kсв Результаты моделирования времени задержки пакета при передаче в этих же ИНС, в зависимости от этих же параметров представлены на рис. 8. Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод о более низкой пропускной способности спутникового сегмента ВКСС. Это ведет к большей задержке сообщений в ССС, чем в воздушном Mesh-сегменте. Существенными факторами, определяющими качество обслуживания в ВКСС, являются коэффициенты kвн, kвн ССС и kсв. а) б) Рис. 8. Зависимость времени задержки при передаче по ИНС через ССС и через Mesh-сеть от параметров kвн, kвн ССС и kсв Интересным результатом является инвариантность уровня пропускной способности и времени передачи в воздушном Mesh-сегменте от числа сетей N (см. рис. 7а). Это связано с тем, что в качестве параметра моделирования используется значение связности kсв. Для сохранения того же значения kсв при увеличении сетей N нужно пропорционально нарастить и количество связей в графе Mesh-сегмента ВКСС. Анализ временных задержек, представленных на рис. 8, показывает, что ССС и СВРС, построенные на современном оборудовании, не способны обеспечить ретрансляцию мультимедийного трафика (речь, видео, изображения, передаваемые в реальном масштабе времени), так как требуемое время задержки при его передаче не должно превышать 0,5 … 0,6 с. Таким образом, решение задачи глобальной передачи мультимедийного трафика требует не только внедрения Mesh-технологий в средства авиационной радиосвязи, но и существенного увеличения пропускной способности каналов, а также разработки протоколов гибкой балансировки нагрузки в ВКСС между ее спутниковым и воздушным Mesh-сегментом [9]. Выводы Предложенная модель ВКСС позволяет исследовать качество обслуживания данной сети, а также оценить предельные возможности ВКСС по количеству обслуживаемых абонентов и подсетей СВРС при заданных ограничениях на пропускные способности каналов. Результаты, представленные в статье, предлагается использовать для развития подсистемы маршрутизации и ретрансляции информационных потоков управления авиацией, представленных в работах [5-7; 10-12]. К элементам новизны полученной модели относится рассмотрение сложной многоуровневой сети связи, ядро которой составляет ССС, а нижний уровень образован СВРС, объединенных на основе Mesh-технологии. В отличие от известных моделей многоуровневых сетей связи на основе ССС, например, представленных в работах [13-16], представленная модель учитывает специфику Mesh-технологии в СВРС управления авиацией. Результаты моделирования, представленные в работе, позволяют сделать вывод о преимуществах децентрализованного принципа информационного обмена перед иерархическим, а также о необходимости разработки методики балансировки информационной нагрузки для ВКСС. Данная методика, основанная на представленной модели, позволит на основе известных значений интенсивностей трафика абонентов (λ), их количества (M), количества сетей (N), коэффициента их связности (kсв) и коэффициента внешнего трафика (kвн) обеспечить выбор коэффициента трафика, поступающего в ССС (kвн ССС), с учетом ограничения на требуемое время доставки информации.

About the authors

Artur Valer'evich Aganesov

Military Air Academy Named After Professor N.E. Zhukovsky and Ju.A. Gagarin

Email: aganesov.artur@yandex.ru

Sergey Ivanovich Makarenko

A.F. Mozhaisky Military Space Academy

Email: mak-serg@yandex.ru

References

Supplementary files