Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ

Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами
<
Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ. Разработка и исследование моделей оценки производительности коммуникационных протоколов для каналов с помехами: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.13.18 / КУШНАЗАРОВ ФАРРУХ ИСАКУЛОВИЧ;[Место защиты: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I].- Санкт-Петербург, 2016.- 159 с.

Содержание к диссертации

Введение

1. Постановка задачи разработки методов оценки производительности сетевых протоколов канального уровня 9

1.1. Помехи. Влияние помех на процесс передачи данных на канальном уровне ЭМВОС 9

1.2. Виды каналов передачи данных и их классификация 16

1.3. Анализ существующих методов оценки производительности протоколов канального уровня 26

1.4. Современное состояние каналов передачи данных на железнодорожном транспорте 29

1.4.1. Применение радиоканалов в современных системах ЖАТ 33

1.5. Анализ помехоустойчивости каналов передачи данных на железнодорожном транспорте 35

1.6. Постановка задачи исследования 38

Выводы по первой главе 42

2. Разработка модели оценки производительности

2.1. Анализ влияния параметров на производительность протоколов канального уровня 43

2.2. Определение реальной скорости передачи данных в зашумленных каналах связи 50

2.3. Зависимость реальной скорости передачи данных от метода (организации) ретрансмиссии кадров 59

2.4. Условия оптимизации реальной скорости передачи данных в стандартных протоколах канального уровня 73

Выводы по второй главе 78

3. Помехоустойчивое кодирование в каналах передачи данных 79

3.1. Применение помехоустойчивого кодирования в протоколах канального уровня 79

3.2. CRC-коды. Влияние вида порождающего полинома на качество обнаружения ошибок в кадрах 82

3.3. Сверточные коды. Описание и характеристики сверточных кодов. Оценки исправляющих характеристик алгоритма Витерби. Выбор правильного пути. 94

3.4. Использование помехоустойчивых кодов для протоколов канального

уровня как инструмент повышения производительности 100

Выводы по третьей главе 103

4. Экспериментальные исследования производительности протоколов канального уровня 104

4.1. Формальная модель экспериментального исследования 105

4.2. Этапы и элементы измерительных экспериментов 109

4.3. Формирование потока ошибок в передаваемых кадрах 111

4.4. Интерпретация результатов измерений 112

Выводы по четвертой главе 118

Заключение 119

Список литературы 121

Введение к работе

Актуальность темы. На сегодняшний день корректность передачи информации по каналам связи играет большую роль. Это нашло отображение в многочисленных стандартах и системах требований к каналам передачи данных. В то же время анализ тенденций развития систем передачи данных указывает на недостаточность развития методов оценки производительности протоколов канального уровня, которые в основном направлены на улучшение аппаратных и программных составляющих, а также разработку рекомендаций по настройкам критических параметров протоколов канального уровня (размер кадра, тайм-аут и др.).

При этом существенным фактором влияния на производительность является наличие помех в каналах передачи данных, а именно: необнаружение ошибок в передаваемой информации может привести к катастрофическим последствиям, в частности, в транспортных системах. Важность сохранения целостности передаваемых данных, в особенности связанных с обеспечением безопасности жизни людей, приведена в доктрине информационной безопасности Российской Федерации. Необходимость передачи информации без искажения и без задержек отражена также в ряде основополагающих международных и отраслевых стандартов.

Исследования и научные труды таких ученых, как Авен О.И.,
Вишневский В.М., Гурин Н.И., Коган Я.А., зарубежных ученых Байцера Б.,
Купмана П., Халсалла Ф. и др. внесли значительный вклад в развитие методов
оценки производительности вычислительных сетей. Несмотря на достаточно
большое число публикаций, задача оценки производительности

коммуникационных протоколов не получила исчерпывающей проработки и решения, на основании чего можно сделать вывод об актуальности настоящей диссертационной работы.

Цель работы. Целью работы является разработка и исследование
моделей оценки производительности коммуникационных протоколов,

обеспечивающих гарантированную доставку данных по каналам связи с

помехами на основе варьирования базовыми параметрами протоколов и процедур передачи.

Задачи исследования

  1. Провести анализ методов обнаружения ошибок и восстановления информации в каналах связи с помехами с учетом определения основных влияющих факторов.

  2. Исследовать режимы работы протоколов канального уровня при передаче данных и их влияние на производительность сетей.

  3. Разработать математическую модель предлагаемого метода оценки производительности с учетом особенностей вычислительных алгоритмов реализации режимов обнаружения (исправления) ошибок при передаче информации.

  4. Разработать рекомендации по настройкам протоколов канального уровня для достижения заданного уровня производительности.

Методы исследования

Для решения поставленных в работе задач были использованы методы теории вероятностей и статистики, вычислительной и дискретной математики, теории управления системами, стохастических систем и математического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Модель оценки производительности протоколов канального уровня на этапе рабочего проектирования.

  2. Методика использования результатов анализа производительности протоколов канального уровня в программном и информационном обеспечении процессов передачи данных на канальном уровне.

  3. Рекомендации по результатам оценки испытаний помехоустойчивых кодов, используемых в наиболее популярных стандартизированных протоколах канального уровня, в прикладных системах реального времени.

Научная новизна.

Предложен метод оценки производительности протоколов канального уровня, работающих в информационно-телекоммуникационных сетях с помехами. Данный метод отличается от известных методов учетом уровня помех в каналах передачи данных, а также специфики организации режимов передачи данных.

Разработана модель процессов передачи данных и исследованы основные параметры (скорость передачи данных, задержки в доставке кадров, допустимые форматы сообщений и пр.) при реализации модели.

Создан комплекс программ, работа которого подтверждает теоретические результаты, и который, наряду с демонстрацией возможностей предлагаемой модели, пригоден для оценки параметров производительности протоколов канального уровня.

Практическая ценность работы.

  1. Разработанная модель может быть адресована администраторам и разработчикам вычислительных сетей, в том числе используемых на железнодорожном транспорте, при настройке протоколов канального уровня на достижение заданного уровня производительности.

  2. Предложенный научно-методический аппарат позволяет осуществлять многоаспектное исследование режимов функционирования протоколов канального уровня и оценку их производительности.

  3. Исследование помехоустойчивых кодов позволяет оценить границы их применения с точки зрения повышения производительности протоколов канального уровня.

Внедрение результатов исследования. Теоретические положения и практические рекомендации диссертации были внедрены и использованы:

* на предприятии ООО «Эл-Куб» («L-Cube») для увеличения
производительности сети передачи данных на этапе проектирования был
использован программный комплекс оценки производительности
протоколов канального уровня;

на предприятии ООО «Домус Сапиенс» («Domus Sapiens») для улучшения качества передачи данных в беспроводных сетях была осуществлена оценка производительности протоколов, при этом использованы результаты соответствующих расчетов, приведенные в диссертационной работе;

в ФГБОУ ВПО ПГУПС в учебном процессе кафедры «ИВС» при проведении лекционных занятий и практических работ по дисциплинам «Инфокоммуникационные системы и сети» и «Сети и телекоммуникации».

Апробация диссертации. Основные положения и результаты

диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных (научно-практических) конференциях «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (Санкт-Петербург, 2013 – 2015), ИНФОТРАНС-2013 (Санкт-Петербург) и WCIS-2012 (Ташкент, Узбекистан).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Анализ существующих методов оценки производительности протоколов канального уровня

С помощью электромагнитного излучения невозможно передавать сигналы любой частоты. Радиочастотные волны передаются в пределах от 1 до 30 000 МГц. Например, АМ-радиовещание охватывает частоты от 0,5 до 1,5 МГц, а ЧМ- и телевизионное вещание — примерно середина частот попадает в частоту 100 МГц, при этом используют широкий диапазон частот. Спутниковая связь использует микроволновые сигналы в диапазоне от 4 000 до 14 000 МГц и даже выше.

Рассмотрим наиболее распространённые способы или среды передачи данных, а также их характеристики:

Лазер. Излучает свет одной частоты. Использование монохроматического излучения дает возможность генерации электромагнитных волн очень высокой частоты (ОВЧ). Из-за использования широкого диапазона частот (от 5 108 до 109 МГц) возможно передавать большой объем информации. Например, в этом диапазоне можно разместить 80 млн. ТВ-каналов или обеспечить 50 млрд. телефонных разговоров одновременно.

АОЛС (Атмосферная Оптическая Линия Связи). Является разновидностью электромагнитных волн, которая использует оптические диапазоны (свет), средой передачи выступает атмосфера. Основой технологии АОЛС является инфракрасное излучение, применяется для организации высокоскоростных каналов связи. По сути, между передатчиком и приемником создается оптическое соединение без использования стекловолокна для передачи данных. Длина волны варьируется в пределах 700 – 950 нм или 1550 нм. Протяжение и качество передачи данных в АОЛС зависит от погодных условий. Например, в неблагоприятных погодных условиях рекомендуется уменьшить протяженность канала связи АОЛС [58].

Спутники связи. Начиная с 1960-х годов спутники связи начали размещать на околоземных орбитах и использовать в качестве ретрансляторов сигнала. Современные спутники связи работают на геостационарной орбите (35 900 км над поверхностью земли) при этом имея 10 и больше микроволновых приемников и передатчиков. Спутник позволяет передавать данные на большие расстояния (через океаны, целые континенты), при этом обеспечивает вещание нескольких телевизионных программ и работу более 10 000 телефонных каналов.

Для вышеперечисленных каналов связи можно указать основные характеристики:

1. Передаточная функция канала является амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), которая сравнивает амплитуды синусоиды на входе канала связи и на выходе с целью определения затухания, при этом сравниваются все частоты передаваемого сигнала. С помощью АЧХ реального канала возможно определить форму выходного сигнала для заданного входного сигнала.

2. Полоса пропускания является производной характеристикой от АЧХ. Полосой пропускания является диапазон частот сигнала, передаваемый по каналу связи с меньшим количеством искажений, определяемым отношением амплитуды выходного сигнала к входному, который превышает заранее заданный предел. Полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. В основном, скорость передачи данных в каналах связи зависит от ширины полосы пропускания.

Затухание [24] определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала. Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле: = 101( ), где 5ВЫХ — мощность сигнала на выходе канала связи, sBX — мощность сигнала на входе канала связи. Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике всегда пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0,1 дБ/метр. 3. Скорость передачи характеризует количество бит, передаваемых по каналу в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду — бит/с, а также в производных единицах: Кбит/c, Мбит/c, Гбит/с. Скорость передачи зависит от ширины полосы пропускания канала, уровня шумов, вида кодирования и модуляции. 4. Помехоустойчивость канала характеризует его способность обеспечивать передачу сигналов в условиях помех. Помехи принято делить на внутренние (представляют собой тепловые шумы аппаратуры) и внешние (они многообразны и зависят от среды передачи). Помехоустойчивость канала зависит от аппаратных и алгоритмических решений по обработке принятого сигнала, которые заложены в приемо-передающее устройство. Помехоустойчивость передачи сигналов через канал может быть повышена за счет кодирования и специальной обработки сигнала.

Погонное затухание. Измеряется в децибелах (дБ), показывает потери сигнала в среде передачи. Передавая сигнал от источника передачи, сигнал ослабевает (затухает) по мере прохождения среды передачи. При значительном затухании сигнала приемник может не восстановить принятые сигналы. Протяженность кабеля, частота, на которой передаются данные и погонное затухание находятся в прямой зависимости.

Переходное затухание на ближнем конце позволяет узнать влияние передаваемого сигнала на соседнюю пару. Влияние сигнала одной пары на другую приводит к искажению передаваемого сигнала. Измерение производится на ближнем к передаваемому сигналу конце и попарно. Стандартами рекомендуется выполнять измерение переходного затухания как в ближнем, так и в дальнем конце.

По результатам сравнения переходного и погонного затухания обычно определяется отношение сигнал-шум, выражаемое в децибелах.

Задержка распространения/перекос задержки характеризует время передачи электрического сигнала от источника сообщения до получателя сообщения, измеряется в наносекундах. Обычно в протоколах семейства Ethernet происходит перекос задержки, который отрицательно влияет на прием сигнала. Перекос задержки – это когда время прибытия сигнала в одной паре отличается от времени прибытия в другой паре (других парах).

Суммарное переходное затухание на ближнем конце. Для вычисления этой характеристики проводится шесть измерений переходного затухания, по сумме результатов находится среднее значение. Значение этого параметра важно, когда данные передаются по всем парам (например, Gigabit Ethernet). Возвратные потери служат мерой равномерности комплексного сопротивления кабеля. Результатами комплексного сопротивления могут быть отражение сигнала или накладываемое на передаваемый сигнал эхо. Вышеперечисленные характеристики относятся к медным проводам, но кроме этого в проводных системах используется оптическое волокно. Рассмотрим параметры, при которых определяется помехоустойчивость ВОЛС.

Определение реальной скорости передачи данных в зашумленных каналах связи

Для оценки производительности протоколов канального уровня необходимо определить перечень влияющих параметров протокола, обычно разделяемых на настраиваемые параметры и ненастраиваемые параметры. В первом случае имеются в виду параметры протоколов, которые можно изменить или настроить: длина информационных и служебных кадров, величина тайм-аута и т.д. Под ненастраиваемыми параметрами протокола понимаются те из них, которые не подлежат изменению, например, номинальная пропускная скорость, использование помехоустойчивых кодов (исправляющие или обнаруживающие коды). Рассмотрим подробно настраиваемые параметры (допустимый размер информационного кадра, формат служебных кадров, величина тайм-аута, размер окна неподтвержденных кадров и др) протокола канального уровня.

Размер кадра существенным образом влияет на производительность протокола канального уровня. Рассмотрим пример, как повлияет размер кадра на скорость передачи данных в протоколе Ethernet (кадр типа Ethernet DIX) при передаче кадра с минимальной длиной поля данных 46 байт и кадра с полем данных максимальной длины, определенной стандартом (1500 байт).

По стандарту между кадрами должен быть установлен межпакетный интервал (Inter Frame Gap, IFG) в 9.6 мкс [53]. Для передачи кадра с минимальным размером (46 байт данных, 18 байт служебных данных, преамбула 8 байт, 46+18+8 = 72 байт = 576 бит) на номинальной скорости 10 Мб/с время передачи кадра составит 57.6 мкс, если добавить паузу — 57,6 + 9.6 = 67.2 мкс. Скорость передачи кадров с минимальным размером без учета помех в каналах связи для стандарта Ethernet DIX будет 46 8/67.2 = 5.48 Мб/c. При максимальном размере кадра по стандарту (1 500 байт данные, 1 500+18+8=1 526 байт = 12 208 бит), время передачи составит 1220.8 мкс, при этом интервал повторения кадров будет равен 1220.8 +9.6 = 1230.4 мкс. Скорость передачи данных приблизится к номинальной скорости передачи данных (1500 х 8) / 1230.4 = 9.75 Мб/c. Результаты показывают, что с увеличением размера кадра пропускная способность протокола Ethernet DIX, пропорционально увеличивается — с 5.48 Мб/с до 9.75 Мб/с. Увеличение скорости с увеличением размера кадра свойственно для всех протоколов канального уровня. Допустимый размер информационного кадра является одним из важнейших параметров, влияющих на производительность сети. Однако в этом примере не учтены влияние помех в каналах связи и, как результат, повторная передача данных.

Увеличением размера кадра можно повысить пропускную способность сети, если в передаваемой среде редко искажаются или теряются кадры [8]. Поэтому можно предположить, что для заданного значения BER правомерно ставить задачу подбора оптимального размера кадра, при котором пропускная способность будет приближаться к номинальной скорости передачи данных.

В протоколах, использующих ждущий режим передачи данных, для корректности доставки кадров получателю сообщения организуют повторные передачи искаженных или утерянных кадров. Подтверждением корректности доставки переданного кадра для источника сообщения является положительная квитанция от получателя сообщения.

При организации повторных передач искаженных кадров источник сообщения использует нумерацию отправляемых кадров. Источник сообщения ожидает от получателя сообщения для каждого кадра положительную квитанцию в виде служебного кадра. Получением положительной квитанции источником сообщения, подтверждается что кадр был получен корректно. При отправке кадра у источника сообщения запускается таймер, если по истечению таймера не пришла квитанция, то кадр считается потерянным и отправляется вновь. Время ожидания получения квитанции определяется тайм-аутом. В некоторых протоколах получатель сообщения в случае получения кадра с искаженными данными должен отправить отрицательную квитанцию, явно указав, что данный кадр нужно передать повторно (ретрансмиссия).

Организацией повторных передач или восстановлением кадров обычно занимается система с автоматическим запросом повторной передачи (ARQ — Automatic Repeat reQuest). Существует несколько подходов к организации процесса обмена положительными и отрицательными квитанциями: ждущий режим, возврат на N шагов и селективный повтор. Возврат на N шагов и селективный повтор осуществляется в механизме «скользящего окна», в котором источник высылает некоторое количество кадров без ожидания квитанции; количество кадров определяет размер окна.

Простым методом передачи является ждущий режим, который может рассматриваться как частный случай скользящего окна, когда размер окна равен 1. Источник, пославший кадр, ожидает получения квитанции (ACK — Acknowledgment — положительная квитанция о получении кадра, NAK — Not Acknowledgment — отрицательная квитанция о получении искаженного кадра) от получателя сообщения и только после этого посылает следующий кадр (или повторяет кадр, который был искажен).

CRC-коды. Влияние вида порождающего полинома на качество обнаружения ошибок в кадрах

В схеме работы метода селективного повтора (рис.2.3) отправляются вновь только кадры с ошибками или потерянные кадры, для которых источник сообщения получает NAK, а также кадры, для которых время тайм-аута истекло.

Алгоритм селективного повтора кажется более производительным, чем схема с возвратом на N шагов, так как этот метод позволяет минимизировать количество вновь отправляемых кадров. С другой стороны, получатель должен управлять буфером, достаточно большим, чтобы сохранять все кадры, полученные после отправки им кадров NAK, до тех пор, пока ошибочный кадр не будет передан вновь. Также получатель сообщения должен сам расставлять получаемые кадры в правильном порядке. Источник также должен обладать более сложной логикой, позволяющей передавать кадры не по порядку. В связи с его большей сложностью, алгоритм селективного повтора получил значительно меньшее распространение, чем метод возврата на N шагов.

Буфер памяти для сохранения кадров в селективном повторе существенным образом влияет на производительность этого метода. Он нужен не только для сохранения полученных кадров, но и для их сортировки. Кроме того, должно быть достаточно памяти и вычислительной мощности для сортировки и сохранения результатов сортировки.

В селективном повторе время для сортировки кадров будем считать достаточным. Но может не хватать размера буфера: например, если размер окна равен M N (N — количество байтов в кадре, М — размер окна) байтов, для сортировки как минимум нужен будет буфер с размером M N+log(M N). В связи с этим есть необходимость нахождения наибольшей вероятности появления ошибки в кадре (в каком номере кадра) в окне, например, появления ошибки в первом кадре, или 10-м кадре, или в кадре М.

Вероятность появления ошибки в к кадрах при отправлении m кадров определяется по биномиальному распределению [24]: Рк.т = С рт qm-k где р = 1 — (1 — e)N — вероятность появления ошибки в кадре (N — количество битов в кадре), т — количество кадров в окне, к— кадр, в котором, возможно, произойдет ошибка, q = 1 — р, Cm = г биномиальный коэффициент. Найдем математическое ожидание числа попыток до первой успешной передачи всех m кадров в окне [42]: В таблице 2.1 приведены математическое ожидание и дисперсия для разных BER при размере окна 1000 кадров, размере кадра 1120, рассчитанные по формулам (2.15) и (2.16).

Для расчетов по формуле (2.17) в среде Matlab была написана программа нахождения вероятности того, что хотя бы один из кадров в передаваемом окне будет с ошибками. Входные параметры определены так: размер кадра — 1120 байт, максимальный размер окна — 1 000 кадров, шаг изменения размера окна — 5 кадров. Из рис.2.12 и по расчетам, произведенным в среде Matlab, при больших BER в каналах связи использование оконного режима нецелесообразно, так как при BER = 10 4 размер окна равен 6 кадрам; при BER = 10"5 размер окна равен 23 кадрам; при BER = 10 6 размер окна составляет 57 кадров. При BER =10 8 вероятность появления хотя бы одной ошибки в кадре не увеличивается резко с увеличением размера окна, а при BER = 10 9 значение Рі тпне становится больше 0,007.

При этом надо учесть следующее: 1. Размер буфера. Зависит от размера памяти устройства, разрешенный размер окна задан протоколом. 2. Размер кадра. Можно взять оптимальный размер кадра при методе отправки с ожиданием. 3. Время тайм-аута. Источник сообщения по мере отправления кадров получает квитанции (рис.2.3), также источник сообщения после отправки кадра запускает таймер. Если под воздействием ошибок в канале связи квитанция не была получена источником сообщения, то по истечении времени тайм-аута источник сообщения отправляет вновь тот же кадр. Предположим (рис.2.13), что после отправления последнего кадра в окне (N+5) необходимо запустить таймер для принятия положительной или отрицательной квитанции. В этом случае следует использовать формулу (2.11).

Этапы и элементы измерительных экспериментов

По итогам проведенных исследований возникает естественный вопрос: как полученные результаты могут быть проверены в реальных условиях передачи данных. Для этого было выполнено моделирование в среде Matlab (Simulink), работы сетей (в режимах «ждущий», «возврат на N шагов», «селективный повтор»).

Сети передачи данных являются наиболее уязвимой частью в работе систем ЖАТ, при этом в ряде случаев надежность их функционирования оказывает непосредственное влияние на безопасность процесса перевозки. В частности, одной из таких систем является система технологической радиосвязи GSМ, параметры производительности которой могут не удовлетворять необходимым требованиям. Актуален вопрос применимости описанных методов в разрабатываемой системе, которая будет использоваться для передачи ответственной информации на локомотив с применением беспроводных технологий. С другой стороны, бесспорно, вопросы передачи данных на локомотив, а также организации внутрипоездной связи в большинстве случаев должны решаться с использованием беспроводных технологий, так как необходимость обеспечения связи с поездом во время движения, а также наличие межвагонных разъемов являются существенным ограничением для применения каких-либо проводных систем связи. Однако, как известно, беспроводные технологии по своей природе гораздо более чувствительны к влиянию помех. Ввиду этого, в данной главе рассмотрена имитационная модель работы методов передачи данных и их совпадение с результатами математической модели, приведенными во второй главе диссертации.

С помощью Matlab была разработана имитационная модель, которая реализует режим передачи данных с помощью методов «ждущий режим» и «оконный режим» (возврат на N шагов и селективный повтор).

Для ждущего режима за основу была выбрана модель передачи данных стандарта IEEE 802.11b. Модель представляет собой (рис.4.1) реализацию системы передачи данных в условиях канала связи с помехами, обеспечивающую номинальную скорость передачи данных 11 Мбит/с. В модели были использованы встроенные пакеты Simulink и Communication Toolbox.

В соответствии с рис.4.1 модель состоит из следующих блоков: источника сообщения, канала связи, получателя сообщения, блока проверки корректности приема кадра и калькулятора ошибок в кадрах. Источник сообщения формирует кадр с псевдослучайными числами, используя блок Random Integer. В параметрах Random Integer задается размер кадра и частота отправления кадров в секунду (в зависимости от номинальной скорости протокола 11 Мбит/с). Эти данные конвертируются (блок CheckErr) в биты данных и передаются в блок «канал связи» (если кадр является первым). Если передаются последующие кадры, то сначала проверяется верность приема предыдущего кадра. Кроме того, в блоке CheckErr после каждой передачи кадра запускается таймер. В канале связи полученные биты записываются в файл. Этот файл с кадром обрабатывается далее с целью изменения некоторых битов для имитации ошибок в кадрах. Таким образом, при передаче сообщения размером 1 000 000 байт и BER=10"3, 8 000 бит ошибок можно распределить по кадрам по своему усмотрению для того, чтобы узнать реакцию системы на одиночные ошибки, на кратные ошибки и на пакетные ошибки. В модели предполагается, что максимальное число попыток передачи равно пяти, то есть на пятой попытке кадр будет передан безошибочно (количество попыток выбирается псевдослучайным образом). Блок «Количество повторов и реальная скорость» в зависимости от количества повторов кадров определяет реальную скорость для передачи сообщения, используя формулу: packets N 8 1Ч Vreal = (4-І) где Уreai — реальная скорость передачи данных, packets количество кадров в сообщении, N — размер кадра, time — время, потраченное на передачу сообщения. Оконный режим Для двух методов передачи данных — «возврат на N шагов» и «селективный повтор» — была спроектирована одна модель с изменяемыми параметрами (рис.4.2).