РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАНАЛЬНОГО РЕСУРСА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ТОПОЛОГИЕЙ СЕТИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ВОДНЫХ ПУТЕЙ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Одним из перспективных направлений развития инфокоммуникационных систем является предоставление мультисервисных телекоммуникационных услуг на объектах транспорта. Использование систем космической связи для данных целей затруднительно ввиду высокой стоимости. Альтернативой является построение систем связи с динамической топологией сети, позволяющих обеспечить подключение телекоммуникационного оборудования на транспортном объекте без использования систем космической связи. Реализация подобных систем ограничена отсутствием специализированных программных комплексов, предусматривающих расчет крупномасштабных инфокоммуникационных систем с динамической топологией сети. В ходе исследований разработана методика расчета времени использования канального ресурса, предназначенная для программных комплексов по моделированию инфоком-муникационных систем с динамической топологией сети.

Ключевые слова:
канальный ресурс, динамическая топология, моделирование, программный комплекс, инфокоммуникационная система
Текст
Введение Как показывает обзор источников [1–3], в настоящее время в наземных инфокоммуникационных системах передачи информации с динамической топологией сети используются преимущественно вероятностные методы доступа к канальному ресурсу. Использование вероятностных методов доступа к среде передачи при наличии большого количества узлов приводит к возникновению коллизий, в результате возрастают потери трафика, снижается общая скорость передачи информации, и, как следствие, сеть не обеспечивает выполнение требований по качеству обслуживания абонентов. Значительное снижение вероятности потери пакетов информации и обеспечение высоких скоростей передачи трафика достигается использованием детерминированных методов доступа к среде передачи. Примером детерминированного доступа к среде передачи является «Способ частотного планирования в системах мобильной связи» [4]. Способ заключается в разработке специальных частотных планов для территорий, по которым происходит перемещение транспортных объектов с радиоэлектронными средствами, обеспечивающими высокоскоростную передачу трафика. Одним из основополагающих параметров при расчете частотного плана инфокоммуникационной системы с динамической топологией сети, в которой производится обслуживание подвижного радиоэлектронного средства, является расчет времени использования канального ресурса. Целью наших исследований являлась разработка методики по определению времени использования канального ресурса для моделирования инфокоммуникационных систем с динамической топологией сети, предназначенных для обслуживания водных путей. В качестве основы методики расчета времени использования канального ресурса между стационарными ретрансляторами (СР) и крупными подвижными объектами (КПО) использована методика определения времени существования каналов связи гарантированного качества между сетевыми узлами в инфокоммуникационных системах с динамической топологией сети (ИКС с ДТС) [5, 6]. Сущность методики заключается в следующем. Зона развертывания ИКС с ДТС представляется в виде плоскости, по которой перемещается несколько объектов с заданными скоростями и направлениями движения. Известно, что установление соединения между каждой парой узлов возможно, если расстояние между узлами будет меньше некоторого , тогда время существования канала связи гарантированного качества определяется как время, когда максимальное расстояние между парами узлов не превышает . Методика определения времени существования каналов связи гарантированного качества между сетевыми узлами в ИКС с ДТС использована в программе для ЭВМ «Система моделирования динамической топологии сети связи» [7]. После принятия мер по устранению допущений о равномерности и прямолинейности движения узлов, описанных в [8, 9], методика пригодна для использования в расчетах времени существования каналов связи для объектов, перемещающихся по линейным маршрутам, например линейным участкам рекомендованных морских путей. Во время разработки методики расчета времени использования канального ресурса между СР и КПО, ориентированной на транспорт, перемещающийся по внутренним водным путям, предлагается выделить следующие участки: - прямолинейный участок, русло реки/фарватер – не меняется в зоне покрытия стационарного ретранслятора. Данным условиям соответствуют протяженные участки крупных рек; - участок с несколькими точками поворота. При прохождении данного участка КПО совершает три последовательных маневра. Данным условиям соответствуют участки крупных рек, на которых происходит плавное изменение направления русла (примерно угол поворота от 90º до 135º). Процесс прохождения прямолинейного участка реки судном показан на рис. 1. При разработке данной и последующих методик полагалось, что дальность распространения сигнала при входе в зону действия СР различна . Рис. 1. Прохождение прямолинейного участка Разница между и объясняется условиями распространения сигнала (особенностями рельефа местности, наличием зеленых насаждений). Численные значения могут быть получены при помощи методик определения затухания сигнала при распространении в пространстве. Начальными данными при расчете времени существования канала связи гарантированного качества между КПО и СР являются: условные начальные координаты движения КПО и , скорость движения КПО , направление движения КПО , координаты расположения стационарного ретранслятора и , дальность распространения сигнала на входе и выходе КПО из зоны обслуживания СР. Принимаемые допущения: скорость движения КПО при прохождении участка не меняется, т. к. при прохождении участков реки в реальных условиях скорость движения судна практически остается постоянной; антенный комплекс СР обеспечивает сплошное покрытие зоны прохождения КПО на данном участке. Время открытия канала связи КПО – СР определяется из выражений: , (1) , (2) где и – корни неравенства (1). Время закрытия канала связи КПО – СР определяется из выражений: (3) , (4) где и – корни неравенства (3). Для описания процесса прохождения участка с несколькими точками поворота рассмотрим рис. 2. Рис. 2. Прохождение участка с тремя точками поворота Начальные данные для расчета: параметры КПО , параметры СР , параметры точки поворота № 1 , точки поворота № 2 и точки поворота № 3 . 1. Время входа в зону обслуживания СР определяется аналогично: (5) 2. Время выхода из зоны обслуживания относительно точки поворота определяется аналогично: (6) 3. Определяются координаты входа в зону обслуживания СР при помощи (5): (7) 4. При помощи (6) определяются координаты выхода: (8) 5. При помощи (7) определяется путь, пройденный от точки входа в зону действия СР до П1: (9) 6. При помощи (9) определяется время прохождения от точки входа в зону действия СР до П1: . (10) 7. Определяется путь между П1 и П2: (11) 8. С помощью (11) определяется время прохождения между П1 и П2 : . (12) 9. Определяется путь между П2 и П3: . (13) 10. С помощью (13) определено время прохождения между П2 и П3: . (14) 11. Определяется путь, пройденный от П3 до точки выхода КПО из зоны действия СР: . (15) 12. При помощи (15) определяется время прохождения от П2 до точки выхода КПО из зоны действия СР: . (16) 13. При помощи (6), (10), (12), (14), (16) определяется время выхода КПО из зоны действия СР: (17) При обобщении результатов видно, что интервалы – это время прохождения криволинейных участков , а – время прохождения прямолинейных участков. Время прохождения криволинейных участков определится по формуле где m – число точек поворота. Если рассматривать случай выполнения плавного маневра КПО при прохождении криволинейного участка, справедливо определять расстояние, пройденное КПО, при помощи формулы определения длины кривой [10]. Соответственно , с учетом формул (10), (12), (14), (16) будет определяться из формулы (18) где – производная от функции, описывающей изменение фарватера в месте совершения маневра; – функция, описывающая изменения скорости при совершении маневров. В случае секторного покрытия зоны обслуживания СР, например, как показано на рис. 3, методика расчета времени открытия и закрытия каналов связи гарантированного качества между КПО и СР, описываемая формулами (1)–(17) требует модернизации, т. к. меняются начальные условия расчета. Рис. 3. Секторное покрытие зоны обслуживания СР В качестве начальных данных, необходимых для расчета времени нахождения КПО в зоне действия СР (определение времени существования канала связи гарантированного качества между КПО и СР), используются: - параметры КПО , где – начальные координаты движения КПО; – скорость движения КПО; – начальное направление движения КПО; - параметры СР , где – координаты расположения СР, – азимуты антенн, установленных на СР; – угол диаграммы направленности антенн, установленных на СР, R – дальность действия антенн (в рамках данных исследований он одинаков для всех типов антенн, установленных на СР). Параметры точки поворота П1 , где – координаты точки поворота; – угол, на который меняется направление движения КПО после прохождения точки поворота. В результате выполнения данных расчетов необходимо найти время входа и выхода из секторов антенн, установленных на СР: , – время входа и выхода из первого сектора; , – время входа и выхода из второго сектора; , – время входа и выхода в зону максимальной дальности действия антенн. Расчет времени входа и выхода в зону максимальной дальности действия антенн осуществляется аналогично (1)–(18).При определении времени входа и выхода из секторов антенн, установленных на СР: 1. Производится расчет уровня сигнала в секторах, по известным методикам средствами программных пакетов, например такими, как Onega Plan RPLS или RPS-2, при этом, согласно [11], запас на замирание должен быть увеличен на 30 % от коэффициента усиления антенны, установленной на СР, при условии, что на КПО используется антенна, обеспечивающая сплошное покрытие (например, антенный комплекс с круговой или изменяемой диаграммой направленности). 2. Определяются уравнения границ секторов покрытия антенн по следующим формулам: - первый сектор: (19) (20) - второй сектор: (21) (22) 3. Составляется уравнение движения объекта. С учетом того, что при прохождении фарватера движение КПО практически прямолинейное, в рамках данных исследований оно описывается при помощи формулы (23) 4. Производится поиск координат точек пересечения между уравнениями границ секторов покрытия антенн и уравнением движения КПО. Применительно к данным, показанным на рис. 4, выполняется решение следующих систем уравнений: Для первого сектора: (24) Решение первой системы уравнений из (24) дает координаты входа КПО в первый сектор , , решение второй системы уравнений дает координаты выхода КПО из первого сектора , . Аналогично определяются координаты входа и выхода в последующие секторы: , , , . 5. По полученным координатам пересечения траектории движения КПО с зонами покрытия антенн, с учетом скорости или закона изменения скорости КПО, определяется время входа и время выхода КПО из сектора антенн, заданного СР. Например, для первого сектора: (25) (26) где – расстояние, пройденное от точки начала движения до первого сектора: - расстояние, пройденное КПО в секторе; – время входа в сектор; – время выхода из сектора. Аналогично определяется время входа и выхода в другие сектора. В общем случае в формулах (25), (26) допускается, что . Перед проведением вычислений по формулам (19)–(26) рекомендуется сформировать базу данных статистики прохождения исследуемых участков КПО. Правильность выбора параметров СР (места расположения, ширины диаграммы направленности, азимута, высоты подвеса антенны) до моделирования процесса передачи трафика определяется соотношением (27) В случае передачи КПО от к выражение (27) имеет вид (28) За время открытия канала между КПО и заданным СР принимается , (29) где – время входа в зону прямой видимости заданного СР, определяется аналогично (5), (6); – время входа в зону сектора первой антенны, расположенной на заданном СР; m – номер заданного СР, определяется аналогично (25). За время закрытия канала между КПО и заданным СР принимается , (30) где – время входа в зону прямой видимости заданного СР, определяется аналогично (1), (5); – время входа в зону сектора первой антенны, расположенной на заданном СР; m – номер заданного СР, определяется по (26). Соотношения (27) или (28) показывают, что при переходе КПО из одного сектора в последующий или от предыдущего СР к последующему не нарушается связанность графа сети, а соотношения (29) и (30) показывают, в какие моменты времени начинается реальное взаимодействие КПО с заданным СР. Далее рассматривается случай прохождения зоны действия СР с секторными антеннами, где маршрут движения содержит несколько точек поворота (рис. 4). Рис. 4. Прохождение СР с секторными антеннами В результате выполнения данных расчетов необходимо найти время входа и выхода из секторов антенн, установленных на СР: , – время входа и выхода из первого сектора; , – время входа и выхода из второго сектора; , – время входа и выхода из третьего сектора; , – время входа и выхода в зону максимальной дальности действия антенн. Производится расчет уровня сигнала в секторах, по известным методикам средствами программных пакетов, например такими, как Onega Plan RPLS или RPS-2, при этом, согласно [11], запас на замирание должен быть увеличен на 30 % от коэффициента усиления антенны, установленной на СР, при условии, что на КПО используется антенна с круговой направленностью. Определяются уравнения границ секторов покрытия антенн по формулам аналогичным (19)–(22). Аналогично (23) составляется уравнения движения объекта, аналогично (24) производится поиск координат точек пересечения между уравнениями границ секторов покрытия антенн, и уравнением движения КПО, аналогично (23), определяется время входа в зону максимальной дальности действия антенны – , аналогично (25) производится расчет времени входа в зону действия сектора . Производится расчет расстояния от первой точки поворота до точки выхода из зоны действия первого сектора: (31) Производится расчет расстояния, пройденного от точки начала движения до первой точки поворота: . (32) С учетом (31)-(32) производится расчет времени выхода из зоны действия первого сектора: . (33) Определяется расстояние входа во второй сектор: . (34) С учетом (32), (34) производится расчет времени входа в зону действия во второй сектор: . (35) Определяется расстояние между точками П1 и П2: . (36) Определяется расстояние от второй точки поворота до точки выхода из зоны действия второго сектора: . (37) С учетом (32), (36), (37) производится расчет времени входа в зону действия во второй сектор: . (38) Аналогично определяются , : , (39) . (40) Время выхода из зоны максимальной дальности действия антенны – определяется аналогично (25), (26). По условиям (29), (30) производится выбор времени открытия и закрытия каналов между КПО и заданным СР. По условиям (27), (28) проверяется правильность выбора параметров СР (место расположения, ширина диаграммы направленности, азимут, высота подвеса антенны). В случае выполнения условий (27), (28) алгоритм заканчивается, в противном случае производится корректировка исходных данных. После обобщения (31, (37) время входа в сектор заданной вершины определяется по формуле , (41) где M – номер сектора, для которого производится расчет; N – номер точки поворота, после которой находится граница сектора; n – номера точек поворота. Время выхода из сектора вершины определяется по формуле . (42) Расчет расписания открытия и закрытия каналов связи с заданными параметрами качества производится по формулам (23), определение времени входа и выхода в зону максимально возможного покрытия заданного СР – по формуле (24); определение времени входа и выхода в сектор заданного СР – по формулам (41), (42), затем по формулам (29), (30) выбирается время открытия и закрытия каналов в зависимости от размеров зоны покрытия и параметров секторов антенн заданного СР; в завершение по формулам (27), (28) проверяется связанность топологии сети в моменты перехода из заданных секторов и вершин. При невыполнении критериев (27), (28) корректируются исходные данные и проводится перерасчет. Процесс является итеративным и продолжается до тех пор, пока не будут выполняться критерии (27), (28). В случае выполнения критериев (27), (28) производится имитационное моделирование системы с целью определения способности данной системы осуществлять передачу мультисервисного трафика с установленными параметрами качества. Предложенная методика использована во время разработки программы «Система моделирования телекоммуникационных сетей с динамической топологией версия 1.0» [12]. Выводы В ходе исследований разработана методика расчета времени взаимодействия двух подвижных узлов, ориентированная на моделирование инфокоммуникационных систем, предназначенных для обслуживания водных путей. Исходными данными расчета служат уравнения траектории перемещения, скорость и направление движения, а также начальные координаты расположения подвижных сетевых узлов. Разработанная методика нашла практическое применение во время создания программы для ЭВМ «Система моделирования телекоммуникационных сетей с динамической топологией версия 1.0». Предложенные теоретические положения открывают возможности для повышения эффективности работы программных комплексов по моделированию и проектированию высокоскоростных инфокоммуникационных систем общего и специального назначения, предназначенных для обслуживания транспортных объектов.
Список литературы

1. Mohapatra P., Srikanth V. Krishnamurthy. Ad hoc networks, Technologies and Protocols. – New York: Springer Science + Business Media, Inc. 2005. – 295 p.

2. Olariu S., Weigle M. C. Vehicular Networks From Theory to Practice. – Virginia, U.S.A: Chapman & Hall/CRC, 2009. – 474 p.

3. Shih-Lin Wu Yu- Chee Tseng. Wireless ad hoc networking, Personal-Area, Local-Area, and the Sensory-Area Networks. – New York: Auerbach Publications Taylor & Francis Group, 2007. – 660 p.

4. Пат. № 2375819 Рос. Федерация. Способ частотного планирования в системах мобильной связи / Пищин О. Н., Дмитриев В. Н., Сорокин А. А. – 15.05. 2009.

5. Дмитриев В. Н., Сорокин А. А., Пищин О. Н. Построение систем связи с динамической непериодической топологией // Инфокоммуникационные технологии. – Самара, 2008. – Т. 6, № 1. – С. 34–39.

6. Дмитриев В. Н., Сорокин А. А., Пищин О. Н. Системы связи с динамической топологией сети // Инфокоммуникационные системы и технологии: проблемы и перспективы. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. – С. 59–118.

7. Сорокин А. А., Дмитриев В. Н., Перов А. А. Система моделирования динамической топологии сети связи: свид-во о гос. рег. программы для ЭВМ № 200861124 от 4 марта 2008 г.

8. Сорокин А. А. Разработка программного комплекса для исследования телекоммуникационных систем с динамической топологией сети // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. – 2011. – № 2. – С. 137–142.

9. Сорокин А. А., Дмитриев В. Н. Модель для разработки протоколов маршрутизации в системах связи с динамической топологией сети // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. – 2008. – № 3 (60). – С. 156–160.

10. Бермант А. Ф., Араманович И. Г. Краткий курс математического анализа. – СПб.: Лань, 2008. 7– 36 c.

11. Ротхаммель К. Антенны. – М.: ЛАЙТ ЛТД, 2007. – 416 с.

12. Сорокин А. А., Чан Куок Тоан, Фам Хак Чонг. Система моделирования телекоммуникационных сетей с динамической топологией. Версия 1.0. Свид-во о гос. рег. программы для ЭВМ № 2012611470.