В рубрику "Практикум" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Валентин Анпилогов
Александр Афонин
Повышение эффективности использования канала связи является фундаментальной задачей теории передачи информации. Для ее решения применяются различные способы уплотнения информации, сокращения избыточности информации и применения сигналов с высокой спектральной эффективностью.
В данной статье анализируется эффективность спутниковых каналов связи, организованных с временным разделением (TDMA), они используются в качестве обратных каналов в интерактивных сетях VSAT. Вопросам спектральной эффективности сигналов посвящено множество работ, но тема избыточности информации при ее подготовке для передачи по спутниковому каналу зачастую остается вне поля зрения, поскольку исходные параметры для такого анализа в общедоступных публикациях крайне скудны и не систематизированы.
Напомним, что к классу интерактивных VSAT-сетей относятся сети, в которых частотная и временная синхронизация осуществляется интерактивно (VSAT-станции передают служебную информацию в сторону центральной станции (HUB), которая, в свою очередь, рассылает расписание работы и управляющие сигналы всем VSAT-станциям, зарегистрированным в сети). Подавляющее большинство современных VSAT-сетей относятся к сетям интерактивного типа (например, сети открытых стандартов DVB-RCS, IPoS и подобных им корпоративных стандартов). Все эти интерактивные сети организованы по правилам IP-сетей.
Цель данной статьи - дать оценку эффективности обратных каналов в интерактивных VSAT-сетях на основе анализа избыточности информации, которая обусловлена увеличением заголовков при инкапсуляции IP-пакетов на канальном уровне, а также особенностями формирования кадров TDMA в спутниковом канале.
Для объективности сравнительного анализа эффективности спутниковых TDMA-каналов применим критерий избыточности информации относительно IP-пакета (то есть анализируется канальный уровень и физический уровень, к которому отнесен режим TDMA).
В общем виде критерий избыточности информации, передаваемой по каналу связи, запишем в виде:
где Q - общий объем информации (байт), предназначенный для передачи по каналу связи за заданное время; AQ - объем служебной (избыточной) информации (байт), которая необходима для организации передачи по каналу связи.
Соответственно значение Q - ΔQ характеризует объем целевой (исходной) информации, передаваемой за заданное время. Значение ξq Є[0, 1], и чем эффективнее канал связи, тем ξq ближе к 1.
Передача информации в IP-сети осуществляется путем формирования IP-пакетов с их последующей инкапсуляцией по правилам протоколов, принятых на канальном и физическом уровнях. Предполагается, что длительности IP-сегментов при формировании IP-пакетов и размер "ТСР-ок-на" при их приеме выбраны оптимально, поэтому особенности этих настроек при оптимизации IP-канала в данной статье не рассматриваются. Объем информации, содержащийся в IP-пакетах на сетевом уровне, будем считать исходным и обозначим его Qip (именно этот объем учитывается в тарифных планах операторов). В процессе инкапсуляции этой информации на канальном уровне и на уровне физического соединения происходит наращивание служебной информации в объемах AQS и AQh соответственно. В этом случае - применительно к IP-сети - критерий избыточности информации (1) перепишем в виде:
где ηs = Qjp/(Qip + ΔQg) - эффективность инкапсуляции IP-пакетов в кадры (ячейки, пакеты) протокола канального уровня;
ηh = (Qip + ΔQs)/(Qip + ΔQs + ΔQh) -эффективность передачи информации при соединении на физическом уровне (к этому уровню условно отнесем протоколы многостанционного доступа на основе разделения каналов физической среды). Как следует из (2), для выполнения сравнительного анализа необходимо отдельно оценить эффективность инкапсуляции IP-пакетов T|s применительно к протоколам канального уровня и эффективность организации соединения на физическом уровне % при формировании обратных TDMA-спутниковых каналов.
В спутниковых каналах наиболее часто используются протоколы канального уровня, представленные в табл. 1 (иногда их называют транспортными протоколами, но это не означает, что они относятся к транспортному уровню семиуровневой модели OSI) [1].
Объем служебной информации определяется используемым протоколом и правилами инкапсуляции IP-пакетов, которые приняты в системе.
При использовании протокола MPEG-2TS в спутниковых каналах могут применяться несколько способов инкапсуляции IP-пакетов в ячейки. Первый способ называется муль-типротокольным (МРЕ), при котором допускается неполное заполнение ячеек целевой информацией. Второй способ предполагает прямую инкапсуляцию (ULE) в ячейки MPEG-2TS и предусматривает ожидание очередного пакета для плотной "набивки" ячеек, но этот способ более чувствителен к вариациям задержек в канале.
В любом случае к объему исходного IP-пакета добавляется служебная информация:
Число ячеек протокола MPEG-2TS, требуемое для передачи одного IP-пакета, составляет:
где S - объем исходного IP-пакета; L -общий объем служебной информации, добавленный к объему исходного IP-пакета при его подготовке к инкапсуляции. Значение п округляется до большего целого числа.
В конечном счете максимальную эффективность (t|s) передачи IP-пакетов с использованием протокола MPEG-2TS можно оценить приближенно соотношением:
где k = 184/188 - отношение объема поля целевых данных ячейки (байт) к общему ее объему.
В случае использования в качестве транспортного протокола технологии ATM следует учитывать дополнительные накладные расходы, связанные с уровнем адаптации ATM, обеспечивающим инкапсуляцию исходных IP-пакетов в ячейки ATM. Размер ячеек постоянный и равен 53 байтам. Использование уровня адаптации AAL5 приводит к увеличению заголовков на L = 8 байт. По аналогии с (3) число ячеек протокола ATM, требуемое для передачи одного IP-пакета, составляет:
В результате максимальная эффективность передачи IP-пакетов с использованием протокола ATM/AAL5 можно оценить приближенно соотношением (4), где теперь к = 48/53, L = 8 байт.
Аналогичным образом можно оценить эффективность передачи IP-пакетов при использовании протокола Frame Relay, который имеет не фиксированную, а переменную длину поля данных (ячеек) с максимальным размером К < 1600 байт и основан на правилах построения кадра протокола HDLC, что предусматривает при инкапсуляции наличие дополнительного L = 1 байт. Соответственно:
Таким образом, при оценке максимальной эффективности применения Frame Relay соотношение (4) принимает вид:
Из (7) следует, что правильным подбором настройки длины ячеек Frame
Relay и автоматической программной их адаптацией к объему исходного IP-пакета (S ~ К) можно достичь максимальной эффективности передачи как для длинных, так и для коротких пакетов.
Не исключается и применение Ethernet в качестве канального протокола. В этом случае эффективность передачи IP-пакетов с размером более 46 байт составляет:
а при длине исходного пакета менее 46 байт, не подлежащего фрагментации:
Таким образом, эффективность передачи с использованием канального протокола Ethernet сильно зависит от исходного трафика пользователя и падает при необходимости передачи IP-пакетов малой длины (например, трафик 1Р-телефонии).
Протоколы канального уровня MPEG-2TS и ATM используются в европейском стандарте DVB-RCS. Еще один стандарт, подобный DVB-RCS, называется DOCSIS. Этот стандарт ориентирован на использование кадров Ethernet (18-1518 байт) на канальном уровне и изначально разработан для вещательных кабельных сетей [6], но сегодня он применяется и в интерактивных VSAT-сетях (система WildBlue). Размер кадра Ethernet может подбираться автоматически в зависимости от трафика и не фрагментироваться. Эффективность этого протокола с учетом преамбулы кадра Ethernet и заголовков, свойственных формату DOCSIS, достигает:
Особое место занимает стандарт IPoS, который устанавливает оптимальные правила фрагментации IP-пакетов применительно к режиму TDMA, назначаемому на физическом уровне. Каждый фрагмент на канальном уровне получает свой заголовок (6-9 байт), признак адаптации (2 байта) и завершается фиксированной контрольной суммой (2 байта). В совокупности объем этой служебной информации зависит от принятой сигнально-кодовой конструкции на физическом уровне и режима работы канала (закрепленный или незакрепленный). При этом учитывается особенность организации канала TDMA. Например, каждый слот в кадре TDMA содержит фиксированное число байт (9 байт при скорости канала 256 кило-символов в секунду). Эффективность стандарта IPoS на уровнях, эквивалентных канальному уровню, примерно определяется соотношением:
В табл. 2 представлена краткая сводка примерной эффективности передачи IP-пакетов применительно к рассмотренным протоколам канального уровня при больших и малых IP-пакетах (это дает представление и об эффективности передачи разных видов трафика).
Табл. 2 охватывает практически все применяемые канальные протоколы и дает представление об их эффективности. Очевидно, что режим TDMA вносит свои дополнительные накладные расходы.
Примем следующую обобщенную структуру кадра TDMA во временной области (рис. 1).
Эффективность канала TDMA % можно оценить во временной области общим соотношением:
где Tf - длительность кадра; Тх _ служебное время в пределах кадра, которое не используется для передачи целевой информации. Служебное время Тх зависит от принятой в системе логики работы канала TDMA и в общем случае может быть выражено соотношением:
M•N - число информационных слотов в кадре (принято, что все посылки идентичны, для DOCSIS при M = 1 служебное время Tx = Tf - 255Tsi).
Очевидно, что чем больше длительность кадра, тем выше эффективность канала TDMA. Однако с увеличением Tf требуется увеличивать память процессора (общее число бит (bt), передаваемых в кадре, растет: bt = Tf Rb, где Rb - битовая скорость в спутниковом канале) и происходит увеличение задержки в буфере, поэтому ищется компромисс. Обычно Tf составляет не менее нескольких миллисекунд, но не более десятых долей секунды. Эффективность канала TDMA понижается по мере увеличения числа работающих станций M, что сопряжено с относительным увеличением служебной информации по отношению к целевой. Кадр может состоять из сотен слотов. Длительность слота выбирается из разных соображений, но минимум длительности ограничивается величиной нестабильности частотных и временных параметров системы.
Слоты объединяются в посылки (импульсы - burst), предназначенные для передачи информации от конкретной станции (каждая информационная посылка имеет N слотов) в заданном временном интервале. Существует достаточно большое разнообразие в логике организации работы обратных каналов в интерактивных спутниковых VSAT-сетях, что выражается в организации запросов на соединение, в поддержании синхронизации и в правилах построения кадров и суперкадров TDMA.
Следует отметить, что полные данные о структуре кадра, используемой в той или иной системе VSAT, как правило, не публикуются. Наиболее полную информацию можно найти в стандартах DVB-RCS и IPoS (но и в этих стандартах также не все параметры однозначно определены).
Для прозрачности сопоставления эффективности спутниковых TDMA-каналов интерактивных сетей не рассматривается логика их работы на уровне суперкадров, так как это отдельная задача, сопряженная уже не столько с протоколами, сколько с законами массового обслуживания, реализуемыми в сети VSAT посредством формализации уровней качества обслуживания.
Кроме того, необходимо особо отметить, что в одной и той же VSAT-cистеме имеются достаточно широкие возможности изменения структуры кадра. В табл. 3 и 4 приведены примерные сведения, выраженные в длительности интервалов кадра для канала 256 килосимволов в секунду, применительно к IPoS и DVB-RCS (ATM).
Для стандарта DOCSIS принята ближайшая градация скорости 320 килосимволов в секунду. Эти данные получены из разных источников, в том числе из стандартов и технических отчетов ETSI, рекомендаций ITU, документов региональных американских организаций TIA (Telecommunications Industry Association) и ANSI (American Standard Institute). Аналогичные оценки можно выполнить и для других номиналов скоростей передачи информации, но результат будет примерно тем же (эффективность будет немного падать для канала 128 килосимволов в секунду и незначительно увеличиваться с увеличением скорости, изменяя % в третьем знаке).
Численная оценка эффективности обратного канала TDMA, представленная в табл. 2-5, показывает, что ее совокупное значение ξq = ηs ηh заметно ниже 1 (особенно для коротких пакетов, характерных, например, для трафика телефонии или транзакций).
При этом с увеличением числа активных VSAT-станций, работающих в обратном канале, его эффективность снижается. Это иллюстрируется на рис. 2 и 3 (для основных стандартов интерактивных VSAT). Представленные данные получены для каналов со скоростями 256-320 килосимволов в секунду, однако и при иных скоростях результат не будет заметно отличаться от рис. 2 и 3.
Если ориентироваться на объем IP-пакетов, передаваемый в единицу времени At, то битовая скорость в спутниковом канале должна подчиняться неравенству:
которое учитывает эффективность правил передачи информации на канальном и физическом уровнях. При заказе спутникового ресурса, необходимого для обеспечения заданной пропускной способности обратных TDMA-каналов, следует учитывать особенности их организации, сопряженные с неизбежными накладными расходами на канальном уровне и физическом уровне. Как показывают представленные в статье результаты, накладные расходы могут достигать десятков процентов, что заметно увеличивает требуемую полосу частот обратных каналов TDMA в интерактивных сетях VSAT (по сравнению, например, с каналом SCPC).
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2010
Посещений: 9357
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Практикум" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
