662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

объекта, инициирующего передачу, при классификации ПМД можно выделить опросные и безопросные протоколы.

Опросные ПМД предусматривают наличие центральной станции, которая последовательно опрашивает ЗС. Различают циклический и асинхронноциклический опрос. При циклическом опросе информация от ЗС передается кадрами фиксированной длительности. Каждой ЗС в кадре выделяется временное окно, длительность которого пропорциональна априорным сведениям об информационной активности данной ЗС. Инициатором начала передачи является ЦС, которая в соответствии с заранее заданной программой поочередно опрашивает ЗС. Процедура опроса сводится к передаче по отдельному служебному каналу сигнала разрешения начала передачи.

Вслучае переменной информационной активности ЗС процедура циклического опроса приводит к малоэффективному использованию пропускной способности канала связи, поскольку размеры временных окон в кадре приходится выбирать, ориентируясь на максимальное значение информационной активности каждой ЗС, и в результате значительная часть кадра может оказаться незаполненной. При переменной активности ЗС существенно лучшие характеристики обеспечивает протокол асинхронно-циклического опроса.

Вэтом случае длительность цикла опроса (псевдокадра) переменна. ЦС опрашивает очередную ЗС и, если эта станция активна, она передает всю имеющуюся у нее на момент опроса информацию. Если же станция пассивна, она не передает никаких сигналов (в том числе и служебных). ЦС дожидается окончания передачи очередной ЗС и переходит к опросу следующей в циклическом списке станции и т.д. В результате осуществляется адаптивное перераспределение пропускной способности канала связи между ЗС в соответствии с их информационной активностью.

Пропускная способность опросных ПМД в первую очередь определяется отношением времени переключения между станциями, включающего в себя задержку распространения, время передачи запроса и время взаимной синхронизации ЦС и ЗС, к средней длительности информационной посылки. Для геостационарных ретрансляторов время переключения составит не менее 0,5 с, а эффективное использование канала возможно при длительности информационной посылки 3-5 с. Поэтому возможность использования опросных ПМД в ССС

ограничивается лишь низкоскоростными сетями сбора данных.

101

Рис. 2.10. – Основные классификационные признаки протоколов многостанционного доступа

При использовании безопросных ПМД инициатором передачи являются земные станции. Протоколы фиксированного доступа предусматривают деление спутникового канала связи на ряд виртуальных каналов, отличающихся друг от друга частотным, временным или кодовым признаком. Каждый из виртуальных каналов статически закрепляется за одной из ЗС сети.

Планирование распределения связных ресурсов спутникового канала между ЗС осуществляется на достаточно продолжительные отрезки времени на основании априорных сведений об информационной активности станций. В противоположность фиксированному, при случайном асинхронном доступе ка- кая-либо координация работы между станциями полностью отсутствует. Ресурс спутникового канала является общим для всех станций, и каждая из них осуществляет передачу по мере возникновения необходимости.

При этом часть пропускной способности канала связи безвозвратно теряется из-за возможности столкновения во времени передачи информационных пакетов от разных станций. Протоколы синхронного случайного доступа предусматривают частичное наличие синхронизации между ЗС сети.

102

Эстафетные безопросные ПМД базируются на перемещении по сети в соответствии с заранее выбранным маршрутом маркера активности ЗС. Очередная активная ЗС, заканчивая свою передачу, передает условный сигнал окончания передачи. Остальные станции сети, приняв этот сигнал, узнают об освобождении канала, и право передачи (эстафета) переходит к следующей на маршруте маркера активности станции. Конфликтов при использовании канала связи удается избежать благодаря тому, что маршрут передачи эстафеты известен заранее всем станциям.

Большую группу ПМД составляют протоколы с резервированием канала по запросу. В этом случае имеются выделенный или совмещенный запросный канал и ответный управляющий канал связи. Станция, у которой имеется информация для передачи, сначала передает по запросному каналу требование на выделение ей части коллективно используемого связного ресурса спутникового канала.

После обработки требования и оценки текущего состояния сети станции по ответному каналу передается номер и время занятия выделенного ей канала. Если в запросном канале использован бесконфликтный метод доступа, ПМД с резервированием называется бесконфликтным, а в противном случае — конфликтным. При обслуживании разнородного по требованиям к качеству передачи трафика эффективны комбинированные ПМД, использующие для каждого вида трафика, в зависимости от его свойств, фиксированный, случайный доступ или доступ по запросу.

2.4.2. Протоколы фиксированного доступа

При фиксированном доступе {FAMA – Fixed Assignment Multiple Access}

пропускная способность канала статически распределяется между ЗС на основе априорных сведений об их информационной активности, и в процессе функционирования это распределение остается неизменным. С этой точки зрения радиосети с фиксированным доступом аналогичны проводным сетям. Оценим задержки, возникающие при передаче ПНВ.

Рассмотрим ВРК. При ВРК передача информации осуществляется кадрами, каждый из которых делится на временные окна (слоты), предназначенные для передачи информации от разных источников. В общем случае число слотов в кадре превышает количество источников информации и распределяется между источниками в соответствии с априорными данными об их информационной активности. Рассмотрим случай n источников одинаковой активности. Тогда кадр делится между источниками поровну и его структура имеет вид, показанный на рис. 2.11.

Механизм передачи сообщения по каналу связи при ВРК показан на рис. 2.12. Передача осуществляется в виде последовательности пакетов (слотов), равноотстоящих на интервал времени, равный длительности кадра Tk.

103

Можно говорить о виртуальном времени передачи сообщения ti, равном числу кадров, в которых в соответствующем слоте передавалось рассматриваемое сообщение. Распределение виртуального времени передачи однозначно связано с распределением объема передаваемого сообщения и объемов слота.

Использование понятия виртуальное время передачи (обслуживания) позволяет свести систему с пакетным обслуживанием к обычной однолинейной системы массового обслуживания с непрерывным обслуживанием. Для определения среднего времени задержки сообщений необходимо определить среднее число сообщений в системе (в очереди плюс в канале). Число сообщений в системе случайным образом изменяется во времени, принимая целочисленные неотрицательные значения. В момент поступления очередного сообщения это число увеличивается на 1, а в момент завершения передачи сообщения уменьшается на 1.

При ЧРК, в отличие от ВРК, сообщение поступившее в пустую систему, начинает передаваться сразу же, без необходимости ожидания выделенного ему слота.

На рис. 2.13 показана зависимость τврк τчрк от числа пакетов l в сообщении (числа кадров, необходимых для передачи одного сообщения) при фик-

104

сированной загрузке канала ρ. Из рисунка видно, что различие между ВРК и ЧРК быстро уменьшается с ростом l , и при l 3, ρ > 0,7 относительный выигрыш ВРК по оперативности не превышает 10 %.

Рис. 2.13. – Сравнительная характеристика задержек при ВРК и ЧРК

Фиксированные ПМД успешно используются: сначала ЧРК, как наиболее простой и совместимый с аналоговыми способами передачи, а впоследствии, при переходе на цифровые способы, и более эффективный ВРК. При использовании фиксированных ПМД была реализована адаптация, например, к медленным почасовым изменениям суммарного пользовательского трафика в течение суток.

При использовании фиксированных ПМД для фиксированных суммарной пропускной способности канала связи С и загрузке каналов ρ (эффективности использования пропускной способности каналов) задержка при передаче ПНВ практически прямо пропорциональна числу каналов (обслуживаемых ЗС) n. Этот вывод следует из известного в ТМО положения о том, что время пребывания заявки в СМО при постоянном значении ρ можно уменьшить в n раз путем пропорционального увеличения в n раз как интенсивности входного потока заявок, так и пропускной способности системы [4]:

Следовательно, даже при стационарных ПНВ на входе ЗС переход от фиксированных ПМД к рассматриваемым ниже нефиксированным, осуществляющим мультиплексирование потоков от разных ЗС в пространстве непосредственно на входе приемной антенны ретранслятора, позволяет при прочных равных условиях значительно (в десятки и сотни раз) повысить оперативность передачи цифровых сообщений.

105

2.4.3. Протоколы случайного многостанционного доступа

Проблема статистического мультиплексирования информационных потоков на входе ретранслятора заключается в необходимости координации работы большого числа ЗС, рассредоточенных на значительной территории. Поскольку в общем случае никаких других информационных связей между ЗС, кроме спутникового канала, нет, на поддержание нефиксированных ПМД приходится использовать часть связных ресурсов этого канала.

При использовании ретрансляторов с непосредственной ретрансляцией и глобальными приемо-передающими лучами, полностью охватывающими область обслуживания, широковещательность канала СР-ЗС позволяет каждой станции сети, спустя время распространения сигнала тр, прослушивать передачи всех ЗС, в том числе и собственную. Конечно, это справедливо при наличии благоприятных условий связи во всех точках приема, что мы и будем предполагать в дальнейшем. В основу случайных ПМД положена указанная естественная информационная связь.

Наиболее простым протоколом случайного многостанционного доступа является простая (или чистая) Алоха [P-Aloha – Pure Aloha} [4]. При передаче ЗС никак не координируют свою работу, и каждая из них передает сообщения по мере возникновения необходимости. При этом неизбежно возникают ситуации, когда сообщения от разных станций перекрываются во времени (сталкиваются, накладываются друг на друга), в литературе эти ситуации иногда называются коллизиями. Правильно принять эти сообщения невозможно без дополнительных специальных мер, однако сам факт столкновения легко обнаруживается при прослушивании канала ЗС-СР. Столкнувшиеся (потерянные для пользователя) пакеты, естественно, приходится передавать повторно. Если повторную передачу пакета начать сразу же после обнаружения столкновения, эти сообщения неизбежно столкнуться вновь, поэтому при повторной передаче сообщения задерживаются на случайный, равновероятно распределенный в пазоне (0 – xm) отрезок времени х, чем достигается их разнос во времени. Схематично протокол Р-Aloha показан на рис. 2.14.

Рассмотрим передачу пакетов фиксированного объема V и, соответственно, постоянной длительности Т. Для конкретного передаваемого пакета можно говорить об интервале уязвимости – интервале времени, появление на котором хотя бы одного другого пакета неизбежно приводит к столкновению (рис. 2.15). Допустим, что интенсивность суммарного потока сообщений от всех станций равна , а число ЗС очень велик (n ), так что интенсивность индивидуального потока каждой станции очень мала ( /n 0).

106

Рис. 2.14. – Протокол Р-Aloha

Допустим также, что вклад каждой станции в суммарный поток сообщений приблизительно одинаков, а повторно передаваемые пакеты задерживаются на передающей стороне на значительный отрезок времени х . Очевидно, что успешная передача сообщения произойдет, если на интервале уязвимости не поступит ни одного другого сообщения. Если суммарный поток сообщений пуассоновский, то вероятность успешной передачи сообщения равна:

107

Рис. 2.15. – Интервал уязвимости сообщения постоянной длительности в протоколе Р-Aloha

Тогда среднее число успешно переданных сообщений за время Т следующим образом связано со средним числом сообщений, поступающих на интервале Т:

Зависимость среднего числа успешно переданных сообщений на интервале Т от Т имеет экстремум, равный 1/2е, при Т = 0,5. Поскольку максимальное число сообщений, которое можно передать за время Т, равно единице, то величина ( Т)max есть пропускная способность данного протокола:

21e T max 0,184.

Оценим среднюю задержку передачи сообщений. Каждое сообщение в среднем предпринимает 1/Рy = е 2 Т попыток передачи, причем в среднем е 2 Т – 1 попыток оказываются неудачными, а одна (последняя) – успешной. Интервал времени между началом неудачной попытки и началом следующей складывается из неслучайного отрезка времени до обнаружения столкновения τр + Т и среднего значения случайного времени задержки x . Успешная передача занимает время τр + Т , поэтому:

τ τ T x e2 T 1 τ T τ T e2 T x e2T 1 . (2.4)

108

P-Aloha может быть использована и при передаче сообщений разного объема (длительности). При этом характеристики протокола определяются в

основном средним временем передачи сообщения и слабо зависят от других параметров распределения длительности передачи. Достоинствами протокола P-Aloha являются исключительная простота его технической реализации и возможность обеспечения малой задержки передаваемых сообщений. Очевиден и недостаток – низкая пропускная способность α = 0,184. В то же время известно, что верхняя граница пропускной способности каналов со случайным доступом равна 0,587, поэтому предпринимались попытки модификации P-Aloha с целью повышения пропускной способности.

В протоколе P-Aloha столкнувшиеся сообщения передаются полностью при их частичном перекрытии, возможно незначительном, что приводит к избыточной загрузке канала передачей неискаженных в предыдущих попытках фрагментов сообщений. Протокол селективной повторной передачи столкнувшихся пакетов {SR-Aloha – Selective-Reject Aloha} устраняет эту избыточность. Работа протокола SR-Aloha показана на рис. 2.16. На передающей стороне сообщения переменного объема разбиваются на пакеты фиксированного объема.

Если при передаче произошло столкновение сообщений, повторно передаются лишь столкнувшиеся пакеты сообщений. Анализ показывает, что без учета служебных затрат SR-Aloha имеет пропускную способность 0,2-0,3. Нормальное функционирование протокола возможно при условии, что каждый пакет сообщения имеет формат такой же, что и целое сообщение в протоколе чистая Aloha, то есть синхропосылку и заголовок, содержащий все атрибуты заголовка целого сообщения плюс указатель порядкового номера пакета в сообщении. При учете служебных затрат возникают две противоречивые тенденции:

–с одной стороны, устранение успешно переданных пакетов из процесса повторной передачи снижает вероятность столкновений и приводит к повышению пропускной способности протокола;

–с другой стороны, необходимость включения служебной части в каждый пакет сообщения удлиняет пакеты и сообщение в целом. Это приводит к увеличению вероятности столкновений и, соответственно, снижает пропускную способность.

109

Рис. 2.16. – Принцип работы протокола SR-Aloha

В зависимости от того, какая из тенденций превалирует, возможен как выигрыш, так и проигрыш протокола SR-Aloha по сравнению с чистой Aloha Для спутниковых каналов характерен достаточно большой уровень служебных затрат, не зависящий от объема информационной части сообщений (пакетов), поэтому эффективное использование протокола SR-Aloha весьма проблематично. К тому же SR-Aloha присущ еще один недостаток. При передаче нарушается естественный хронологический порядок следования пакетов, поэтому на приемной стороне необходимы буферные накопители, запоминающие поступающие пакеты и осуществляющие реконструкцию изначального вида сообщений.

Самым популярным и нашедшим достаточно широкое применение протоколом случайного доступа является синхронная (или тактированная) Aloha {S-Aloha – Slotted Aloha} [4]. Этот протокол предусматривает некоторую степень координации работы станций. Ось времени разбивается на последовательность слотов (тактов, подкадров, окон) фиксированной длительности. Полага-

110