Development of software unit for research of telecommunication systems with dynamic topology in the simulation environment “Network Simulator”

Full Text

Введение Системы связи с динамической топологией сети (ССДТС) являются одним из перспективных направлений развития современных инфокоммуникационных систем [1-3]. Область применения подобных систем разнообразна: от самоорганизующихся систем мониторинга, до крупномасштабных средств передачи информации, предназначенных для развертывания на территориях регионов и обширных акваторий. Исследования способов и средств моделирования телекоммуникационных сетей показали, что разработанные на сегодняшний день различные программные средства в большей степени ориентированы на исследования классических телекоммуникационных систем (сотовые, спутниковые, кабельные и др.), часть зарубежных проектов ориентирована на моделирование и исследование ad hoc и mesh сетей с областью покрытия 2-3 кв. км. Подобная ситуация приводит к тому, что развитее средств имитационного моделирования ССДТС отстает от общих тенденций и направлений развития современных систем инфокоммуникаций. Учитывая, что потребность предоставления современных услуг связи на крупных объектах транспорта (самолеты, корабли, поезда, автобусы) постоянно возрастает, а уровень качества и цена обслуживания абонентов на подобных объектах должны быть сопоставимыми с ценой и качеством услуг связи оказываемых в условиях крупных городов, необходима разработка новых или совершенствование существующих средств моделирования телекоммуникационных систем, в направлении создания программных модулей, позволяющих исследовать ССДТС. Цель работы Разработка программного модуля для исследования систем связи с динамической топологией сети среде имитационного моделирования Network Simulator (NS-2) Основная часть Основу разрабатываемого программного модуля составляют средства аналитического и имитационного моделирования. В основе средств аналитического моделирования положена методика расчета времени доступа к канальному ресурсу в ССДТС. Методика заключается в представлении ССДТС в виде графа, в котором происходит изменение состава и весов ребер вследствие изменения положения вершин (узлов связи относительно друг друга). Подробно математический аппарат данной методики раскрыт в работах [4-6]. Практическая реализация методики произведена в программном продукте: «Система моделирования телекоммуникационных сетей с динамической топологией сети версия 1.0» № 2012611470 [7]. Ограничением методики является трудности в оценке работы телекоммуникационной сети по параметрам QoS (концепции качества обслуживания), таким как задержка и вероятность потери информационного пакета. В связи с этим, дальнейшим направлением развития теории ССДТС стало создание модуля по проведению имитационного моделирования. Для разработки модуля по проведению имитационного моделирования целесообразно использование следующих программных продуктов: - среда имитационного моделирования Network Simulator 2.33 (NS-2) - для описания работы сети, задания параметров трафика, каналов и других характеристик сети [8]; - программа анимации результатов моделирования Network Animator [9]; - программа графопостроитель TraceGraph - для проведения количественных оценок характеристик результатов моделирования сети [10]. Выбор программного пакета NS-2 оправдан по причине широкой апробации в различных зарубежных и отечественных университетах, наличие встроенных моделей сетевых узлов, каналов связи и используемых протоколов. Остальные программные средства являются дополнением для NS-2 по интерпретации результаты эксперимента в виде графиков и анимации. В процессе моделирования исследовались зависимости характеристик работы телекоммуникационной системы от скорости движения транспортных объектов и скорости передачи трафика. В качестве оценочных характеристик использовались задержка передачи информационного пакета от отправителя к получателю (задержка из конца в конец) и вероятность потери информационного пакета. На сетевом уровне моделируемой системы использовался протокол динамической маршрутизации, на транспортном уровне - протокол UDP (Universal Datagram Protocol). В качестве приложения использовался трафик с постоянной скоростью (CBR, Constant Bit Rate). Средствами программного пакета NS-2 разработана имитационная модель. На имитационную модель наложены следующие ограничения: - каналы связи - гарантированного качества; - для взаимодействия каждой пары узлов выделен определенный канальный ресурс; - в процессе существования канала между парой узлов изменения его параметров не оказывают существенного влияния на передаваемую информацию; Выходом модели является трассировочный файл, в котором содержится информация о пакете, следующим от «узла-отправителя» к «узлу-получателю». Рис. 1. Перемещение КПО по сложной траектории при использовании антенн, обеспечивающих сплошное покрытие зоны обслуживания Таблица 1. Параметры подвижного узла Наименование параметра Значение параметра Название узла на рисунке a Координаты начального места расположения, км По оси Х 5 По оси Y 5 Угол движения в начальный момент времени, град. 0 Средняя скорость перемещения по траектории, км /ч Опыт 2 40 Опыт 2 40 Опыт 3 80 Таблица 2. Параметры статических узлов Наименование узла Координаты места расположения, км Радиус зоны уверенного приема сигнала, км A 10; 5 20 B 42,5; 25 20 C 75; 17,5 20 D 77; 55 20 Е 107,5; 37,5 20 Таблица 3. Параметры точек поворота подвижного узла Наименование точки поворота Координаты места расположения точки поворота, км Величина угол поворота подвижного узла в данной точке, град П1 52,5; 15 20 П2 63,5; 18,5 53 П3 80; 41 20 П4 97,5; 47,5 0 Таблица 4. Время «открытия» и «закрытия» каналов связи между КПО и СР Скорость движения узла, Км/ч Пара узлов Время открытия канала, сек Время закрытия канала, сек МО СКО МО СКО 20 а - A 0 0 3548,8 96,6 a - B 3165,2 91 9784,5 146,2 a - C 8581,5 146,6 14401,5 295,7 a - D 13891, 8 289 19424,3 383 a - E 16853,7 271,8 - - a - b - - 23475,3 453,9 40 а - A 0 0 1791,5 132 a - B 1571,8 73,8 4862,5 238,7 a - C 4264,7 202,9 7155,3 327,3 a - D 6906,2 318,8 9651,2 446,3 a - E 8375,4 406,9 - - a - b - - 11663,5 542,9 80 а - A 0 0 893 44,3 a - B 796,2 40,8 2461,8 83 a - C 2159,3 79,6 3623,7 143,5 a - D 3495,3 139,2 4887,3 187,2 a - E 4240,6 144,9 - - a - b - - 5906,5 222,6 При проведении моделирования рассматривалось перемещение крупных подвижных объектов (КПО) по криволинейному участку траектории. Вдоль участка располагаются стационарные ретрансляторы (СР), связанные между собой каналами связи. В процессе перемещения КПО вдоль установленной траектории производилась передача CBR трафика (речь, видео). Моделирование выполнялось для различных вариантов использования антенных систем. Перемещение КПО по сложной траектории при использовании антенн, обеспечивающих сплошное покрытие зоны обслуживания, показано на рис. 1. Результаты расчета представлены в таблице 4 - на основании этих данных, числа узлов и параметров трафика средствами программного пакета NS-2 смоделирована работа телекоммуникационной системы. Скорость передачи информации «Объект-Сеть» и «Сеть-Объект»: находилась в диапазоне от 0 (только служебный трафик) до 32 Мбит/с. Число выборок в каждой серии эксперимента составляло 10. Рис. 2. Зависимость вероятности потери пакета от скорости передачи информации По результатам моделирования построены графические зависимости вероятности потери информационного пакета (см. рис. 2) и задержки передачи информационного пакета от отправителя к получателю (см. рис. 3) от скорости передачи информации. Обобщая результаты моделирования, приведенные в таблице 4 и рис. 2 и рис. 3 с учетом норм, установленных Европейским исследовательским центром в области телекоммуникаций [12], составлена таблица 5, в которой приводится качественная оценка пригодности исследуемой системы в случае передачи мультимедийного трафика. Оценка проводилась по критериям «годен» или «негоден». Значению «годен» соответствует показатель «Да», значению «негоден» - «Нет». Рис. 3. Задержка передачи пакета от отправителя к получателю от скорости передачи информации На основании таблицы 5 можно сделать вывод, что система связи пригодна для передачи любого мультимедийного трафика по критерию задержки. По критерию вероятности доставки информационного пакета моделируемая система связи пригодна для передачи трафика реального времени и не пригодна (без использования специальных протоколов) для передачи трафика обычных данных. В рамках проводимых исследований, под трафиком «обычных данных» согласно работы [12] понимается трафик возникающий в процессе загрузки файлов, интернет страниц, использования сервиса электронная почта и телеметрии. Данный вывод справедлив для всех скоростей передачи трафика, которые были учтены в ходе проведения эксперимента (до 32 Мбит/с). Скорость передачи информации 32 Мбит/с часто используется во время организации транспортных каналов в системах связи общего пользования. Учитывая графики, показанные на рис. 2 и рис. 3, можно допустить, что увеличение скорости передачи информации до 64 или 128 Мбит/с, не приведет к превышению норм по задержке и вероятности потери информационного пакета. Вывод обоснован характером графиков. Непригодность моделируемой системы для передачи трафика обычных данных объясняется выбором в качестве протокола транспортного уровня протокола UDP (User Datagram Protocol), который не гарантирует доставку информационных пакетов, но обеспечивает минимально возможную задержку. При практической реализации системы для передачи трафика обычных данных следует выделять определенную полосу пропускания канала и использовать протокол транспортного уровня, который гарантирует доставку информационных пакетов, например, протокол TCP (Transport Control Protocol) [1-2]. Таблица 5 Анализ пригодности моделируемой системы для передачи мультимедийного трафика Вид трафик Вывод о пригодности моделируемой системы Задержка Вероятность потери IP - телефония да да Видеоконференция да да Цифровое видео по запросу да да Передача обычных данных да нет Обобщая результаты проведенного моделирования с результатами исследований [13], посвященных вопросам использования в системах связи с динамической топологией сети фазированных антенных решеток, можно сделать вывод, что использование на СР и КПО фазированных антенных решеток при организации канала СР-КПО не внесет значительных изменений в качество передаваемого трафика. Выводы Разработан программный модуль для проведения имитационного моделирования систем связи с динамической топологией сети, который позволил изучить влияние особенностей перемещения сетевых узлов на качество передаваемой информации. При помощи разработанного модуля проанализирован обобщенный случай работы ССДТС. Время моделирования составляло от 2 до 6 часов. При движении объекта в диапазоне скоростей от 20 до 80 км/ч и диапазоне скоростей передачи информации в направлениях система связи общего пользования - объект и объект - система связи общего пользования от 0,5 до 32 Мбит/с, установлено, что сеть пригодна для предоставления услуг трафика реального времени и обычного трафика по критерию задержки информационного пакета. По критерию вероятности потери пакета система связи пригодна для передачи трафика реального времени, а для передачи трафика обычных данных требуется использования протокола транспортного уровня, гарантирующего доставку информационных пакетов. Метод увеличения зоны обслуживания систем связи общего пользования за счет предоставления телекоммуникационных услуг на КПО справедлив не только для судов речного флота, но и других подвижных объектов железнодорожного и автомобильного транспорта.

About the authors

Vadim Nikolaevich Dmitriev

Astrakhan State Technical University

Email: vndmitriev@yandex.ru

Alexander Aleksandrovich Sorokin

Astrakhan State Technical University

Email: alsorokin2@list.ru

Petr Sergeevich Reznikov

Astrakhan State Technical University

Email: sviaz@astu.org

Quoc Toan Chan

Astrakhan State Technical University

Email: sviaz@astu.org

References

Supplementary files