662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

ется, что станции синхронизированы таким образом, что им известны моменты начала слотов.

Каждая станция имеет право начинать передачу своего сообщения длительностью Г только в моменты начала слотов. Длительность слотов Тс превышает Т на величину защитного временного интервала, необходимого для предохранения сообщений в соседних слотах от перекрытия на входе ретранслятора с учетом погрешности системы синхронизации. Можно полагать, что практически Тс = Т.

Пропускная способность этого протокола равна 1/е = 0,368 и достигается при Т = 1. Относительно среднего времени задержки справедливы все сделанные выше замечания при рассмотрении протокола P-Aloha.

Наличие дополнительной задержки объясняется тем, что новое сообщение поступает в произвольный момент времени и вынуждено ожидать своей первой передачи до момента начала очередного слота случайный отрезок времени, равномерно распределенный в интервале 0 – Т, среднее значение этой дополнительной задержки составляет величину Т/2.

Таким образом, относительно простая модификация протокола позволяет увеличить его пропускную способность в 2 раза.

Протоколы случайного доступа имеют существенный недостаток – их потенциальную неустойчивость. Если под воздействием дестабилизирующих факторов, например, флуктуации интенсивности входящего трафика, ухудшении условий связи и т.д., среднее число повторно передаваемых пакетов достигает некоторого критического значения, возникает механизм своеобразной положительной обратной связи: рост числа повторных передач увеличивает интенсивность суммарного трафика в канале и вероятность повторных передач, что приводит к еще большему числу столкновений и повторных передач и т.д.

В результате канал связи насыщается столкнувшимися пакетами, его пропускная способность падает до нуля, а задержки передачи стремятся к бесконечности. Причем состояние насыщения является вторым устойчивым состоянием канала связи, и обеспечить выход из него без посторонней помощи невозможно. Уменьшить вероятность возникновения столь неприятной ситуации можно выбором рабочей загрузки сети в области заметно меньшей пропускной способности протокола. Но это дополнительно снижает и без того незначительный коэффициент использования пропускной способности канала связи протоколами случайного доступа.

Более эффективно управление перегрузками канала связи сети, основная идея которого состоит в следующем [4]: объективными параметрами, позволяющими количественно оценить близость канала к насыщению, является интенсивность потока повторно передаваемых пакетов. Каждая станция сети оценивает эту интенсивность путем измерения числа повторных передач в канале на заданном, одинаковом для всех станций временном интервале. Если измерен-

111

ное число повторных передач превышает установленное верхнее пороговое значение, то все станции сети скачкообразно и значительно увеличивают задержку момента передачи повторных пакетов.

При этом перегрузка сети начинает «рассасываться». Когда число повторных передач достигает нижнего установленного предела, все станции возвращаются в режим номинальных задержек передачи. Путем выбора рациональных параметров схемы управления удается избежать режима насыщения при незначительном увеличении задержек передаваемых сообщений.

2.4.4. Протоколы предоставления каналов по требованию

Если трафик имеет случайный и пульсирующий характер, то применение фиксированного доступа приводит к неэффективному использованию пропускной способности каналов связи. В подобных ситуациях целесообразным оказывается применение протоколов ПКТ, обеспечивающих перераспределение пропускной способности каналов между пользователями (земными станциями) в соответствии с их текущими потребностями. Протоколы ПКТ подразделяются на эстафетные и с резервированием.

При использовании эстафетных протоколов все станции выстраиваются в определенном порядке (списке). Когда n – я ЗС заканчивает передачу, право на занятие канала (эстафета) переходит к следующей в списке станции. Если эта станция имеет сообщение для передачи, она занимает канал, в противном случае эстафета по умолчанию переходит к следующей по списку станции и т.д.

Резервирование может быть внутренним и внешним. При внутреннем резервировании используется кадровая структура сигнала. Станция, захватившая слот в предыдущем кадре, присваивает его себе на нужное ей время во всех последующих кадрах. При внешнем резервировании станции посылают заявку на использование информационного канала по отдельному служебному (запросному) каналу.

Для эффективного резервирования информационных каналов необходима координация работы территориально рассредоточенных ЗС путем обмена соответствующей служебной (управляющей) информацией. Управление доступом к каналам связи может быть централизованным и децентрализованным (распределенным).

При централизованном управлении ЗС посылают запросы на предоставление канала связи в центральную (управляющую) станцию, планирующую использование связных ресурсов сети в соответствии с поступающими запросами и информирующую активные ЗС о расписании их работы, используя обратный служебный (ответный) канал ЦС-ЗС.

Основной проблемой при централизованном управлении является доставка запросов в ЦС. Возможность столкновения информационных и запросных пакетов на практике исключается путем фиксированного частотного или временно-

112

го разделения между информационным и запросным каналами. Выбор же способа доступа к запросному каналу во многом определяется параметрами сети и обслуживаемого трафика.

При распределенном управлении каждая станция сети анализирует поступающие запросы и самостоятельно планирует свою работу. Основным достоинством распределенного управления по сравнению с централизованным является меньшая задержка передачи. Если при централизованном управлении время задержки не может быть менее утроенного времени распространения сигнала, то при распределенном управлении это время сокращается в 1,5 раза.

С другой стороны, реализация распределенного протокола требует, чтобы каждая станция сети самостоятельно и независимо исполняла одинаковый для всех ЗС достаточно громоздкий алгоритм планирования своей работы, а качество служебного канала оставалось бы достаточно высоким вне зависимости от условий связи. Поэтому аппаратура ЗС при распределенном управлении оказывается более сложной, служебные затраты на реализацию протокола доступа увеличиваются, что в конечном итоге приводит к возрастанию стоимости сети и, соответственно, предоставляемых информационных услуг по сравнению с централизованным управлением.

Компромисс между сложностью/стоимостью и качеством информационного обслуживания (задержкой) может быть достигнут при использовании СР с бортовой модуляцией/демодуляцией сигналов, позволяющих возложить роль центральной станции непосредственно на ретранслятор.

Доступ к запросному каналу может быть фиксированным или случайным с использованием протоколов S- или Р-Aloha. В связи с этим различают бесконфликтные и конфликтные (состязательные) протоколы ПКТ с резервированием.

Наибольшую пропускную способность обеспечивает протокол с фиксированным доступом в запросный канал. Однако, как показано в разделе 1.1.10.4, при этом задержка в запросном канале прямо пропорциональна числу обслуживаемых станций, поэтому по критерию задержка – коэффициент использования пропускной способности канала связи фиксированный доступ в запросный канал эффективен лишь при относительно небольшом числе станций.

Далее, при фиксированном доступе усложняется включение в сеть новых станций и ужесточаются требования к однородности статистических характеристик передаваемого трафика. Поэтому наибольшее практическое применение получили состязательные протоколы с резервированием с использованием в запросном канале протокола S-Aloha, обеспечивающего большую пропускную способность по сравнению с Р-Aloha.

Рассмотрим особенности типичных ПМД с предоставлением каналов по требованию.

113

Эстафетные протоколы. Протокол MSAP (Mini Slotted Alternating

Priorities) [4] может быть рассмотрен как версия опросного протокола с прослушиванием несущей и распределенным управлением. Все ЗС должны быть синхронизированы и иметь возможность начинать передачу в момент начала любого мини слота (окна). Станции пронумерованы от 1 до n. Передача осуществляется псевдокадрами, причем в каждом псевдокадре каждая станция может передать не более одного пакета фиксированного объема.

Временная диаграмма, поясняющая работу протокола MS АР, показана на рис. 2.17а. В псевдокадре i – я станция 1 передала имеющийся у нее пакет. Станция 2 «прослушивает» эту передачу и фиксирует её конец спустя пустое временное окно 1, длительность которого должна быть не менее задержки распространения τр. Станция 2 пуста и игнорирует предоставленное ей право бесконфликтной передачи. Станция 3 фиксирует пассивность станции 2 в конце пустого окна 2 и также отказывается от канала, о чем активная станция 4 «узнает» лишь в конце пустого окна 3, и т.д.

Таким образом, протокол MSAP допускает наличие одного пустого окна (времени переключения) при переходе между соседними по списку станциями вне зависимости от их активности. Пропускная способность протокола равна:

	1			,
	1 τ р	С
		Vр

где С – пропускная способность канала связи; Vр – объем пакетов, генерируемых станцией.

Пусть, например, τр = 270 мс (работа через ГСР), С = 64 кбит/с, Vр = 2,125 кбит (параметры, типичные для сетей VSAT). Тогда значение пропускной способности протокола составит α 0,11, что меньше, чем при случайном доступе. Приемлемое значение пропускной способности может быть достигнуто лишь при формировании на передающей стороне пакетов объемом несколько десятков килобит. Например, при объеме пакета в 40 кбит пропускная способность протокола достигает 0,7.

Увеличить пропускную способность протокола MSAP можно, разрешив станциям, получившим доступ в канал, передавать все имеющиеся и вновь формируемые пакеты до полного опустошения станции. При этом на каждое пустое временное окно будет приходиться в среднем более одного пакета. Однако возникает возможность монопольного захвата общего канала одной из станций.

114

Рис. 2.17. – Эстафетные протоколы

Одним из наиболее эффективных эстафетных ПМД является BRAM

(Broadcast Recognition Access Mode) [4]. Принцип действия протокола показан на рис. 2.17б. Основная идея состоит в том, что при передаче пакетов фиксированной длительности можно регистрировать начало передачи пакета с предыдущей станции i, а следовательно, и её конец (поскольку объем пакета фиксирован) с задержкой хр. Станция (i + 1) может компенсировать эту задержку, начав передачу своего пакета на τр раньше.

В результате пакеты двух соседних по списку активных станций сложатся на входе СР без временных зазоров и перекрытий. Таким образом, пустые временные окна в рассматриваемом случае будут возникать лишь при переходе через пассивные станции, чем и объясняется высокая пропускная способность протокола. При большой загрузке все станции активны и протокол BRAM трансформируется в фиксированное ВРК, а его пропускная способность стремится к 1. Понятно, что протокол может быть реализован, если длительность передаваемых пакетов не менее задержки распространения.

Поэтому областью эффективного применения эстафетных ПМД в ССС

могут явиться лишь низкоскоростные сети (с пропускной способностью канала

115

до нескольких десятков кбит/с), предназначенные для передачи пакетов достаточно большого объема (не менее нескольких десятков кбит).

Поскольку в рассматриваемых протоколах все станции сети объединены в логическое кольцо, достаточно трудоемко решение задач управления функционированием сети (например, ввод новых станций в кольцо, вывод действующих станций из кольца, поддержание требуемого уровня надежности функционирования).

Протоколы с резервированием. Протокол ALOHA с резервированием

(R-ALOHA [4] является распределенным протоколом предоставления каналов по требованию с внутренним резервированием. Передача осуществляется кадрами постоянной длины (рис. 2.18). Протокол работоспособен при условии, что при использовании слота текущего кадра станциям известно состояние одноименного слота предыдущего, поэтому длительность кадра должна быть не менее задержки распространения. Число слотов в кадре должно быть не менее числа станций. Протокол ориентирован на коммутацию каналов и предназначен для передачи многопакетных сообщений. Промежуточные и последний пакеты сообщения различаются введением служебного символа конца передачи. В текущем кадре j-ыи слот доступен для попытки передачи нового сообщения, если в предыдущем кадре этот слот был свободным, конфликтным или через него передавался последний пакет предыдущего сообщения. Активная станция, обнаружив доступный слот, заполняет его первым пакетом своего сообщения. Если в следующем кадре конфликт не обнаружен, выносится решение о захвате j- то канала, в противном случае делается новая попытка.

Пропускная способность протокола R-Aloha равна:

	1			,
	1 e 1 V

где V – средний объем передаваемых сообщений (в числе пакетов).

При передаче многопакетных сообщений большого объема пропускная способность протокола α 1 и он ведет себя как протокол фиксированного доступа с ВРК. Если сообщения однопакетные, α = 1/е и протокол превращается в

S-Aloha.

Достоинством протокола R-Aloha является возможность совместной передачи цифровых сообщений существенно различающегося объема и непрерывных цифровых потоков (речь, изображение). Недостатки состоят в следующем:

значительные задержки при передаче многопакетных сообщений, что является следствием ориентации протокола на коммутацию каналов (напомним, что при коммутации каналов средняя задержка в число каналов раз превышает задержку при коммутации сообщений);

116

отсутствие возможности поддержки интерактивного режима работы, что является следствием значительной длительности кадра (время формирования пакета на передающей стороне равно длительности кадра, а полное время задержки – не менее 540 мс, что противоречит существующим стандартам).

Протокол PODA (Priority-Oriented Demand Assignments) [4] является рас-

пределенным протоколом с внешним резервированием и временным разделением между запросным и информационным каналами (рис. 2.19). Доступ в запросный канал осуществляется с использованием S-Aloha. Станция анализирует запросную часть текущего псевдокадра и планирует использование информационной части следующего, поэтому длительность псевдокадров должна быть не менее задержки распространения.

Рис. 2.18. – Протокол R-Aloha

Протокол поддерживает совместную передачу непрерывных цифровых потоков (при условии наличия буферизации на передающей стороне) и цифровых сообщений. Резервирование каналов осуществляется путем передачи одиночных запросов на установление соединения, а слоты для передачи многопакетных сообщений резервируются индивидуально для каждого пакета в каждом кадре. Для эффективного использования пропускной способности информационного канала запросам на предоставление каналов присвоен приоритет. PODA в полной мере присущи отмеченные выше достоинства и недостатки протокола

R-Aloha.

117

Рис. 2.19. – Протокол PODA

Протокол RRR (Round Robin Reservation) [4] является распределенным конфликтным протоколом случайного доступа с внутренним резервированием. Он базируется на фиксированном ВРК. Передача осуществляется кадрами, причем число слотов в кадре должно быть не менее числа станций в сети. За каждой станцией в каждом кадре закреплен свой слот (основа протокола – ВРК).

Избыточные слоты могут использоваться станциями коллективно с применением протокола R-ALOHA. Если станция пуста и в i-ом кадре освобождает зафиксированный за ней слот, то в (i + 1) кадре он присоединяется группе незакрепленных слотов и может быть использован любой другой станцией, то есть становится временно незакрепленным слотом. Станция может при необходимости вернуть себе принадлежащий ей слот следующим образом:

если закрепленный за ней слот свободен, она тут же занимает его и, соответственно, выделенный ей канал;

если закрепленный за ней слот занят другой станцией и возникает конфликтная ситуация, то она занимает свой слот в следующем кадре, поскольку в протоколе RRR предусмотрено следующее простое приоритетное правило: если в i-ом кадре во временно не закрепленном слоте возникает столкновение пакетов, то в (i + 1)-ом кадре этот слот доступен только за закрепленной за ним станцией.

При передаче непрерывного трафика рассматриваемый протокол обладает определенными преимуществами перед R-ALOHA поскольку в каждом кадре каждой станции гарантирован один выделенный слот. Преимуществом перед фиксированным ВРК является возможность сглаживания при помощи избыточных и свободных закрепленных слотов флуктуации трафика, поступающего от разных станций. При передаче же больших информационных массивов сохраняется присущий коммутации каналов недостаток – большая задержка передачи (особенно при большом числе станций).

Протокол FIFOR (FIFO Reservation) (FIFO – First Input First Output) [4] яв-

ляется распределенным протоколом конфликтного множественного доступа по требованию с внешним резервированием. Между запросным и информацион-

118

ным каналами использовано ВРК. Передача осуществляется кадрами фиксированной длительности, разделенными на одинаковые слоты. Никаких ограничений снизу на длительность кадра не накладывается.

Один из слотов кадра образует запросный канал. Этот запросный слот делится на мини-слоты, предназначенные для передачи коротких запросов с использованием протокола S-ALOHA (рис. 2.20). Станция, у которой появляется новое сообщение для передачи, помещает в один из мини-слотов запросного канала запрос, в котором указывает необходимое ей число слотов (объем своего сообщения, выраженный в числе слотов).

Во избежание возможности захвата канала одной из станций число резервируемых в запросе слотов ограничивается сверху некоторым максимальным значением. Отметим, что станция передает запрос сразу же после возникновения нового сообщения независимо от того, какова судьба её предыдущих запросов (уже обслужены или нет).

Каждая станция сети прослушивает запросный канал и формирует глобальную очередь зарезервированных информационных слотов (пакетов, предназначенных для передачи), добавляя в неё зарезервированные слоты каждого нового запроса в сети и сбрасывая на единицу при окончании каждого слота. В момент передачи очередного запроса станция фиксирует свое место в очереди, рассчитывает момент освобождения канала от передачи ранее поступивших в очередь пакетов и при условии успешной передачи запроса начинает в этот момент бесконфликтную передачу своего сообщения.

Рис. 2.20. – Протокол FIFOR

Таким образом протокол FIFOR обслуживает запросы станций в хронологическом порядке, т.е. реализует в глобальной очереди дисциплину обслуживания «первым пришел – первым обслужен» (FIFO). Описанный протокол ориентирован на коммутацию сообщений и предназначен для передачи пульсирующих потоков данных.

119

Протокол SCRMA (Split-Channel Reservation Multiple Access) является централизованным протоколом с внешним резервированием, использующим частотное разделение между информационным, запросным и ответным каналами. В запросном канале используются протоколы случайного доступа Р- или S- Aloha. При обеспечении доступа маломощных мобильных пользователей запросный и информационный каналы разбиваются на одинаковые узкополосные частотные подканалы.

Взапросах указывается адрес станции и объем сообщения, подлежащего передаче. Центральная станция на основе анализа запросов от совокупности станций формирует единую (глобальную) очередь сообщений. Информация об объемах подлежащих передаче сообщений позволяет смоделировать процесс обслуживания глобальной очереди и для каждого запроса вычислить момент начала передачи соответствующего ему сообщения (момент освобождения информационного канала или одного из подканалов от передачи сообщений, соответствующих ранее поступившим запросам).

Вответах на запросы центральная станция указывает адрес станции, время начала передачи и номер используемого частотного информационного подканала (при наличии нескольких подканалов).

2.5. Использование многолучевых приемных и передающих бортовых антенн для реализации зонального обслуживания

Как уже отмечалось выше, магистральным путем развития ССС, определяющим их роль и место в телекоммуникационной структуре современного общества, является непрерывное расширение спектра и повышение качества предоставляемых информационных услуг, включая популярные широкополосные услуги, например Интернет-приложения, а также персонализация предоставляемых ССС услуг, позволяющая исключить необходимость использования промежуточных звеньев в виде масштабных наземных телекоммуникационных сетей (которых может и не быть). Однако на этом пути возникает серьезное противоречие между очевидной необходимостью повышения пропускной способности ССС и использования простых, малогабаритных и недорогих ЗС, доступных и удобных для широкого круга пользователей.

В ССС предыдущих поколений в подавляющем большинстве случаев использовались относительно простые СР с непосредственной ретрансляцией. При этом спутник выполняет лишь рутинные функции физического уровня сети - принимает широкополосный сигнал, осуществляет линейную фильтрацию и перенос спектра частот, усиливает и переизлучает сигнал в направлении приема. Функции всех более высоких сетевых уровней выполняют ЗС. С точки зрения сети СР является лишь физической средой. Недостатком такого подхода является низкое использование связных ресурсов СР (излучаемой мощности и занимаемой полосы частот), обусловленное невозможностью осуществления

120