Программные продукты и системы

Практически все действующие в России в настоящее время космические аппараты (КА) созданы по принципу прямой ретрансляции с частным (FDMA) разделением каналов. Несмотря на простоту построения, такие КА имеют ряд существенных недостатков [5]: несанкционированный доступ к ресурсам КА, высокая стоимость центральных земных станций (ЗС) (HUB), невозможность организации прямой связи абонентских ЗС друг с другом.

Основными потребителями ресурса таких КА являются, как правило, крупные корпоративные пользователи, имеющие собственные дорогостоящие центральные ЗС и развитую сеть абонентских станций. Мелкие коммерческие структуры и частные пользователи могут получить доступ к ресурсу таких КА только как подписчики крупных корпоративных пользователей. Стандарт DVB-RCS в сетях спутниковой связи с прямой ретрансляцией реализуется наземной программно-аппаратной платформой DVB-RCS в составе центральных ЗС (HUB) [8,9].

Быстрый рост числа КА с прямой ретрансляцией существенно превышает рост числа крупных корпоративных пользователей и в перспективе ведет к малой загруженности ресурсов действующих КА.

Мультисервисные бортовые цифровые платформы (МБЦП) позволяют реализовать стандарт DVB-RCS, разместив программно-аппаратную платформу DVB-RCS на борту КА. Ресурс КА с МЦБП становится доступным любому зарегистрированному в сети DVB-RCS пользователю [6,7], исключается пиратский доступ к КА, существенно повышается бюджет радиолиний, снижаются требования к энергетическим параметрам ЗС, обеспечивается возможность прямой связи абонентских ЗС друг с другом.

Особенно актуально применение МЦБП для развития регионального телевидения, обеспечения непосредственного телевизионного вещания, предоставления высокоскоростных Интернет-услуг и для организации телефонной связи в удаленных регионах.

Малоразмерные сети стандарта DVB-RCS

КА с МЦБП позволяют создавать собственные мультимедийные сети спутниковой связи большому числу мелких коммерческих структур и частных пользователей.

Типичной особенностью таких сетей спутниковой связи стандарта DVB-RCS является их относительно небольшая размерность при сохранении по всем типам трафика признаков полноразмерной мультимедийной сети.

В общем случае эффективность функционирования малоразмерной сети связи стандарта DVB-RCS может быть выражена в виде функции: W24=F{Z(t), K(t), A(t)}, где W24 – усредненный за сутки энергетический и частотно-временной ресурс КА, выделенный для работы сети; Z(t)={Z1(t),...,Zn(t)} – закон изменения во времени суммарного мультимедийного трафика сети; К(t)={К1(t),...,Кn(t)} – качество обслуживания суммарного мультимедийного трафика сети; А(t) – алгоритм адаптивного управления энергетическим и частотно-временным ресурсом КА; n – общее число компонент мультимедийного трафика сети.

Как известно, даже небольшой трафик Z(t) в сетях спутниковой связи стандарта DVB-RCS для обеспечения заданных вероятностно-временных характеристик обслуживания К(t) требует достаточно большого запаса канального ресурса сети.

Это приводит к необходимости проведения достаточно тщательного анализа состава и объема трафика в сети для оптимального расчета выделяемого энергетического и частотно-временного ресурса КА.

Задача еще более усложняется в условиях нестационарного во времени трафика и при использовании приоритетных систем обслуживания.

Все эти особенности не позволяют эффективно использовать для анализа и принятия оптимальных решений по выделению энергетического и частотно-временного ресурса КА традиционные аналитические методы теории массового обслуживания [1].

Для анализа работы малоразмерных сетей спутниковой связи стандарта DVB-RCS предлагается использовать широко развитые численные методы имитационного и программно-аппаратного моделирования [2–4].

Описание имитационной модели сети спутниковой связи с МЦБП, реализующей программно-аппаратную платформу стандарта DVB-RCS

В качестве объекта исследования рассматривалась малоразмерная сеть спутниковой связи стандарта DVB-RCS со следующими параметрами:

-     функции HUB реализуются МЦБП на борту космического аппарата;

-     архитектура сети спутниковой связи полносвязанная;

-     число оконечных ЗС – 20;

-     ведущая (управляющая) станция (УЗС) реализуется на базе одной из стандартных ЗС сети;

-     максимальная скорость DVB сигнала КА – 32,768 Мбит/сек.;

-     максимальная скорость DVB-RCS сигналов ЗС – 8,192 Мбит/сек.;

-     виды трафика в односкачковых каналах свя- зи УЗС↔ЗС: дуплексная телефония (ТЛФ, 16 кбит/сек.), дуплексная симметричная видеоконференц-связь (ВКС, 144 кбит/сек.), передача телевидения в стандарте МPЕG-4 (ТВ, 1,536 Мбит/сек.), передача данных (ПД, 64 кбит/сек.), факсимильная связь (ФС, 16 кбит/сек.), электронная почта (ЭП, 16 кбит/сек.), циркулярный Интернет-канал (ЦИ, 1,024 Мбит/сек.), запросные Интернет-каналы (ЗИ, 32 кбит/сек.);

-     виды трафика в односкачковых каналах ЗС↔ЗС: дуплексная телефония (ТЛФ, 16 кбит/сек.), дуплексная низкоскоростная видеоконференц-связь (ВКС, 64 кбит/сек.), передача данных (ПД, 32 кбит/сек.), факсимильная связь (ФС, 16 кбит/сек.), электронная почта (ЭП, 16 кбит/сек.);

-     качество обслуживания трафика реального времени Ктлф,вкс,зи(t): задержка представления канала не более 10 сек. с вероятностью отказа не более 1 %, задержка распространения в канале не более 0,3 сек.;

-     качество обслуживания остальных видов трафика Zтв,пд,фс,эп(t): задержка предоставления канала не более 3 мин. с вероятностью отказа не более 1 %, задержка распространения в канале не более 0,3 сек.;

-     распределение ЗС по зоне обслуживания: УЗС в 1 часовом поясе; абонентские ЗС – равномерно в 6 часовых поясах;

-     распределение трафика во времени: УЗС – час наивысшей нагрузки (ЧНН) по всем видам трафика – 14 часов местного времени; абонентские ЗС – час наивысшей нагрузки по всем видам трафика – 12 часов местного времени;

-     в качестве модели закона изменения трафика реального времени Zтлф,вкс,зи(t) ЗС и УЗС во времени использовалась ступенчатая функция с шагом 20 минут;

-     все виды трафика реального времени ЗС и УЗС имитировались на каждом 20-минутном интервале как потоки типа М/М/1 или М/G/1 [1];

-     среднее значение нагрузки Z(t) для каждой ЗС по всем видам трафика реального времени в процессе моделирования варьировалось от 0,1 до 0,5 эрланга, а трафик в ЧНН мог в два–три раза превышать средний трафик за сутки;

-     по остальным видам трафика Zтв,пд,фс, эп(t) ЗС и УЗС в качестве модели закона изменения трафика во времени использовалась более гладкая ступенчатая функция с шагом один час, объем передаваемой информации задавался в Мбит/час, а трафик в ЧНН мог в полтора–два раза превышать средний трафик за сутки.

Модель ЧВМ сети DVB-RCS

В процессе моделирования использовалась стандартная модель частотно-временной матрицы (ЧВМ), реализованная в групповом демодуляторе DVB-RCS фирмы ЕМС TECHNOLOGIES [8]:

-     максимальная скорость передачи информации в DVB-сигнале на линии КА – ЗС принята 32,768 Мбит/сек. (шаг перестройки – 2,048 Мбит/сек., темп перестройки – 300 сек.);

-     максимальная скорость передачи информации в составе сигналов ЧВМ DVB-RCS для ведущей ЗС (мини-HUB) на линии ЗС – КА принята 8,192 Мбит/сек. (шаг перестройки – 128 кбит/сек., темп перестройки – 60 сек.);

-     максимальная скорость передачи информации в составе сигналов ЧВМ DVB-RCS для абонентской ЗС на линии ЗС – КА принята 2,048 Мбит/сек. (шаг перестройки – 16 кбит/сек., темп перестройки – 60 сек.).

В процессе имитационного моделирования использовались три варианта алгоритмов А(t) распределения ресурсов ЧВМ между ЗС:

-     фиксированное распределение, обеспечивающее заданное качество обслуживания (Ротк=0,01) для каждой из ЗС в ЧНН;

-     распределение, обновляющееся с темпом один раз в час по результатам оценки текущего значения нагрузки по всем видам трафика ЗС и УЗС за предыдущий период (1 час) и обеспечивающее Ротк=0,01 для каждой из ЗС в сети;

-     распределение, обновляющееся непрерывно (с темпом один раз в 60 сек.) и обеспечивающее Ротк=0,01 для каждой из ЗС в сети.

Программно-аппаратный моделирующий стенд

Для экспериментальной отработки возможности практической реализации алгоритмов адаптивного управления малоразмерной сетью стандарта DVB-RCS в аппаратуре МЦБП, УЗС и ЗС наряду с проведением имитационного моделирования были разработаны и изготовлены экспериментальные программно-аппаратные образцы: DVB инкапсулятора-демодулятора ведущей УЗС; DVB инкапсулятора-демодулятора абонентской ЗС; DVB инкапсулятора, группового демодулятора DVB-RCS МЦБП.

Программно-аппаратный образец DVB инкапсулятора-демодулятора сигналов TDMA для ведущей УЗС (мини-HUB) реализован на базе стандартного ПК с ОС Unix. Программное обеспечение образца реализовано на языке С++ и рассчитано на формирование TDMA-сигнала для передачи со скоростью до 8,192 Мбит/сек., прием и демодуляцию TDMA-сигнала от КА со скоростью до 32,768 Мбит/сек.

Программно-аппаратный образец DVB инкапсулятора-демодулятора сигналов TDMA для абонентской ЗС реализован на базе стандартного ПК с ОС Unix. Программное обеспечение образца реализовано на языке С++ и рассчитано на формирование TDMA-сигнала для передачи со скоростью до 2,048 Мбит/сек., прием и демодуляцию TDMA сигнала от КА со скоростью до 32,768 Мбит/сек.

Программно-аппаратный образец DVB инкапсулятора сигналов TDMA, группового DVB-RCS демодулятора сигналов MF TDMA для МЦБП реализован на базе стандартного ПК с ОС Unix. Программное обеспечение образца реализовано на языке С++ и рассчитано:

-     на прием и демодуляцию одного цифрового выхода от программно-аппаратного образца DVB инкапсулятора-демодулятора ведущей УЗС (мини-HUB) со скоростью до 8,192 Мбит/сек. в составе сигналов ЧВМ DVB-RCS и инкапсуляцию его в состав DVB сигнала МЦБП на передачу со скоростью до 32,768 Мбит/сек.;

-     на прием и демодуляцию одного цифро- вого выхода от программно-аппаратного образца DVB инкапсулятора-демодулятора абонентской ЗС со скоростью до 2,048 Мбит/сек. в составе сигна- лов ЧВМ DVB-RCS и инкапсуляцию его в состав DVB сигнала МЦБП на передачу со скоростью до 32,768 Мбит/сек.;

-     на программную имитацию приема и де- модуляции 19 цифровых сигналов абонентских ЗС со скоростью до 2,048 Мбит/сек. в составе сигналов ЧВМ DVB-RCS и их инкапсуляцию в состав DVB сигнала МЦБП на передачу со скоростью до 32,768 Мбит/сек.

Программно-аппаратные образцы управляющей УЗС, абонентской ЗС и МЦБП КА в составе стенда сети DVB-RCS объединены в локальную сеть Интернет со скоростью обмена информацией до 1 Гбит/сек.

Результаты проведенных исследований

1.  Сеть DVB-RCS наиболее оптимально расходует энергетический и частотно-временной ресурс КА при однородном по составу и фиксированном во времени и зоне обслуживания трафику сети. При этом избыточность ЧВМ определяется только заданной вероятностью отказа в обслуживании заявок Ротк=0,01.

2.  При обслуживании неоднородного по составу трафика избыточность ЧВМ возрастает на 15÷20 %, и в первую очередь за счет роста трафика реального времени.

3.  При обслуживании трафика, неоднородного по составу, времени и зоне обслуживания, избыточность ЧВМ дополнительно возрастает на 20÷25 % и существенно зависит от распределения абонентских ЗС по различным часовым поясам.

4.  При введении непрерывного адаптивного управления (с темпом 60 сек.) удается значительно (на 20÷30 %) сократить избыточность ЧВМ, приблизив ее к наиболее оптимальному варианту однородного и фиксированного трафика.

5.  Почасовая адаптация ЧВМ сети DVB-RCS дает достаточно близкое приближение (~3÷5 %) к варианту непрерывной (с темпом 60 сек.) адаптации сети связи, но при этом дает существенный выигрыш при практической реализации за счет снижения требований к производительности каналов управления и оборудования управляющей ЗС.

Мультисервисные бортовые цифровые платформы стандарта DVB-RCS являются перспективным направлением развития современных спутников связи и вещания и могут существенно расширить число пользователей систем спутниковой связи стандарта DVB-RCS.

Проведенные исследования показывают, что адаптивное управление ресурсом ЧВМ в малоразмерых мультисервисных спутниковых сетях DVB-RCS дает существенный (~20÷30 %) выигрыш (экономию) энергетических и частотно-временных ресурсов КА, используемых при создании спутниковых сетей связи.

Результаты исследования эффективности адаптивного управления ресурсом ЧВМ в малоразмерых мультисервисных спутниковых сетях DVB-RCS, полученные с использованием экспериментальных программно-аппаратных образцов МЦБП, УЗС и ЗС сети DVB-RCS, дают достаточно точное повторение результатов чисто имитационного моделирования (с погрешностью не более 5 %).

Список литературы

1. Джейсуол Н. Очереди с приоритетами. – М.: Мир, 1973.

2. Генов А., Голованов В. Методика моделирования систем спутниковой связи. // Вопросы радиоэлектроники, 1975.

3. Генов А., Ермилов В. О влиянии характеристик входящего потока старшего приоритета на показатели эффективности функционирования малоканальных СМО с ожиданием. – М.: Наука, 1975.

4. Генов А. Исследование вопросов выбора канальной емкости пучков СПСС двойного назначения. // Науч.-технич. конф.: Оптические, сотовые и спутниковые сети и системы связи. – Псков, 1996.

5. Genov A., Ivanchuk N. The conception of constructing global spread-spectrum CDMA mobile telecommunication «Global-SS» system. Forum of the ITA Proceedings. – Moscow, 1997.

6. Генов А. Бортовые цифровые платформы. // Broadcasting. – 2002. – № 3.

7. Генов А., Горшков А., Перескоков В. Мультисервисные БЦП – технологический прорыв в повышении эффективности ССС. // Науч.-технич. конф.: К 75-летию академика В.А. Мельникова. – М., 2003.

8. DVB-RCS – Product Description, ЕМС TECHNOLOGIES. – Канада, 2004.

9. «Sky Edge – Product Description, GILAT. – Израиль, 2004.