Содержание к диссертации
Введение
1 Тенденции развития технологий гибридных каналов связи 13
1.1 Лазерные и беспроводные технологии 13
1.2 Миллиметровый радиоканал 16
1.3 Стандарт беспроводной связи ШЕЕ 802.1 In 23
1.4 Гибридные каналы передачи информации на базе радио и лазерных технологий 39
2 Способы переключения 43
2.1 Мощностной гистерезис (РН, power hysteresis) 45
2.2 Временной гистерезис (ТН, time hysteresis) 45
2.3 Фильтрация (Filtering) 46
2.4 Комбинированные алгоритмы 47
3 Математическая модель гибридного беспроводного канала связи с холодным резервом 48
3.1 Описание математических моделей гибридного беспроводного канала связи 48
3.1.1 Стационарное распределение вероятностей состояний системы 50
3.1.2 Матрично-аналитический метод вычисления стационарных вероятностей 54
3.1.3 Стационарное распределение вероятностей состояний системы в произвольный момент времени 59
3.1.4 Условия существования стационарного режима 60
3.1.5 Характеристики производительности системы 63
4 Математическая модель беспроводного гибридного канала связи с горячим резервом 63
4.1 Статистическая обработка метеоданных и отыскание функции распределения периодов доступности и недоступности оптического канала ... 63
4.2 Описание математических моделей гибридного беспроводного канала связи с горячим резервом 68
4.2.1 Марковский процесс, описывающий состояния системы, и условия эргодичности 69
4.2.2 Стационарное распределение марковского процесса, описывающего состояния системы 70
4.2.3 Характеристики производительности системы 72
5 Пакет программ для аналитического и машинного (имитационного) моделирования гибридного канала связи 72
5.1 Общее описание функционала пакета программ 72
5.2 Архитектура программного комплекса 75
5.2.1 Графический пользовательский интерфейс 78
5.2.2 Консольный интерфейс 78
5.3 Public АРІ для взаимодействия со сторонними программами 79
5.4 Оркестратор 79
5.4.1 Одноразовый обсчет модели 79
5.4.2 Усреднение по нескольким итерациям 80
5.4.3 Варьирование интенсивности входящих пакетов 81
5.4.4 Варьирование времен переключения между каналами 82
5.4.5 Варьирование параметров погоды 84
5.5 Функциональный блок для имитационного моделирования 86
5.5.1 Планировщик 87
5.5.2 Вспомогательные модели: модель погоды и модель трафика 87
5.5.3 Модель гибридного устройства 88
5.6 Блок вспомогательного функционала 89
5.7 Отладка и оптимизация алгоритмов 90
5.8 Входные параметры 91
6 Численные результаты 102
Заключение 107
Список иллюстраций 109
Список литературы 111
- Гибридные каналы передачи информации на базе радио и лазерных технологий
- Описание математических моделей гибридного беспроводного канала связи
- Статистическая обработка метеоданных и отыскание функции распределения периодов доступности и недоступности оптического канала
- Варьирование интенсивности входящих пакетов
Введение к работе
Актуальность исследования
Технология атмосферных оптических линий связи (АОЛС) или FSO-Free Space Optics получила широкое распространение в последнее время. Указанная технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной (или видимой) части спектра через атмосферу и их последующим детектированием оптическим фотоприемным устройством. При этом в качестве излучателя обычно используются инфракрасные лазеры класса 1 или 1М (к лазерам 1-го класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи); для низкоскоростных коммуникаций на небольшие расстояния могут использоваться светодиоды. В качестве приемника используются лавинные или кремниевые фотодиоды.
К основным преимуществам атмосферных оптических линий связи относятся:
высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровых потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок 10-12 , что в настоящее время невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий;
отсутствует необходимость получения разрешения на использование частотного диапазона. FSO-системы используют инфракрасный диапазон электромагнитного спектра далеко за границей 400 ГГц (определенной как верхняя граница для радиочастотного регулирования на территории РФ), поэтому никаких лицензий и специальных разрешений не требуется;
высокая защищенность канала от несанкционированного доступа и скрытность. Перехватить сигнал можно, только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. Отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена;
высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSO-оборудование невосприимчиво к радиопомехам и само их не создает;
возможность установить лазерную атмосферную линию там, где затруднительно проложить проводную линию связи. Например, в плотной городской застройке, через железную дорогу или автомагистраль, через природные преграды (реки, озера, горную местность и т.д.);
- скорость и простота развертывания FSO-сети.
Благодаря своим преимуществам АОЛС-технология позволяет решать проблемы
«последней мили», развивать городские сети передачи данных и голоса, осуществлять 3
подключение домашних сетей или офисов к сети Интернет, а также организовывать резервные каналы связи или расширять существующие каналы при высокой степени защищенности.
Наряду с основными преимуществами беспроводных оптических систем известны и их главные недостатки:
зависимость доступности канала связи от погодных условий;
необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приемником;
ограниченная дальность связи. Неблагоприятные погодные условия, такие как дождь, снег, туман (а также песчаная пыль,
городской смог и различные виды аэрозолей), могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50-100 дБ/км. Поэтому, чтобы достичь операторских (или близких к ним) значений надежности FSO-канала связи, необходимо прибегать к использованию гибридных решений.
Гибридное радио-оптическое оборудование основывается на использовании резервного радиоканала (беспроводный канала, функционирующий под управлением протокола IEEE 802.11n и/или радиоканал миллиметрового диапазона радиоволн – Е-диапазона 81-86 ГГц, 71-76 ГГц) совместно с оптическим каналом. Основное достоинство такого решения в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях.
В связи с возросшим интересом к гибридным системам в последние годы появилось немало работ исследующих их характеристики. Основной вклад в исследование этих систем внесли следующие отечественные и зарубежные авторы: Вишневский В. М., Семенова О. В., Leigeb E., Awan M. S. Однако в большинстве статей авторы не приводят комплексного исследования всех характеристик, зачастую ограничиваясь лишь оценкой стационарных характеристик надежности гибридного канала. В части работ, например, Sana H., Erkan S., и др., исследуется какой режим работы гибридной системы будет наиболее эффективным в той или иной ситуации. В других работах, например, Nadeem F. и др., исследуется выбор оптимального алгоритма переключения между основным и резервным каналом. Заметим, что большинство работ, исследующих модели гибридного канала, связаны главным образом с имитационным моделированием: Akbulut A., Gokhan H., Ari F., Derenick J., Thorne C., Spletzer J., Letzepis N., Ngyen K. D. и др., Leitgeb E. и др. Среди работ, посвященных построению математических моделей и их анализу, необходимо отметить работу Nadeem F., Leitgeb E., и др., однако и здесь авторы ограничиваются лишь нахождением вероятности нарушения связи в оптическом канале. В рамках данного диссертационного исследования впервые было проведено комплексное математическое
исследование гибридной системы связи, включающей атмосферную оптическую линию связи и резервный радиоканал, функционирующий под управление протокола IEEE 802.11n (холодный резерв), или резервный канал миллиметрового диапазона радиоволн (горячий резерв); разработаны математические модели для анализа эффективности работы комбинированных приемопередатчиков, позволяющие оценивать основные характеристики надежности и производительности, включая среднюю пропускную способность устройства, вероятность недоступности канала из-за ухудшения погодных условий, среднюю длину очередей пакетов и т.д.
Цели и задачи исследования
Целью работы является построение и исследование математических и имитационных моделей для разработки нового гибридного беспроводного оборудования, объединяющего в себе преимущества лазерных атмосферных каналов связи и широкополосных радиосредств. Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:
Разработана математическая модель гибридного канала как однолинейной системы массового обслуживания с двумя возможными скоростями обслуживания и ограниченным временем их использования (холодный резерв).
Разработаны математические модели и методы исследования характеристик гибридного канала связи при параллельном использовании лазерного канала и канала миллиметрового диапазона радиоволн (71-76 и 81-86 ГГц) как системы массового обслуживания с двумя неоднородными приборами (горячий резерв).
Для исследования моделей гибридного канала с произвольными функциями распределения времен обслуживания и поступления пакетов разработан комплекс имитационных (машинных) моделей.
Разработан пакет программ для анализа производительности и проектирования гибридных систем, включающий в себя функционал аналитических моделей холодного и горячего резерва, имитационные модели гибридной системы с холодным резервом, гибридной системы с горячим резервом.
На базе статистических данных определены параметры функции распределения случайных величин, описывающих времена переходов устройства из одного режима работы в другой, являющиеся исходными данными для исследуемых моделей.
С помощью разработанного пакета программ проведены численные эксперименты по анализу основных характеристик гибридной системы (средняя длина очереди, среднее время ожидания пакета в очереди) в каждом из описанных вариантов (холодный и горячий резерв), выбора оптимальных времен переключения и т.д.
Научная новизна работы
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые разработаны математические модели, позволяющие проводить комплексный анализ
эффективности работы комбинированных приемопередатчиков:
системы с холодным резервом - гибридной системы, включающей в себя атмосферную оптическую линию связи и резервный радиоканал, функционирующий под управлением протокола IEEE 802.11n. Разработанная модель позволяет оценить следующие характеристики системы с холодным резервом: распределение времени работы системы между режимами, средняя длина очереди при работе в каждом из режимов и в произвольный момент времени, среднее время пребывания заявки в системе.
Системы с горячим резервом – гибридной системы, которая состоит из атмосферной оптической линии связи и резервного канала миллиметрового диапазона радиоволн. Математическая модель позволяет оценить следующие характеристики гибридной системы с горячим резервом: доля использования каждого из приборов (по отношению к общему числу обслуженных заявок), среднее число заявок, обслуженных каждым из приборов, средняя длина очереди, среднее время ожидания в системе.
2. Разработанный пакет программ позволяет моделировать зависимости указанных характеристик
гибридной системы с холодным и горячим резервом от следующих параметров:
интенсивность входящего потока заявок
времена переключения между режимами
индивидуальны характеристики отдельных каналов связи входящих в гибридную систему
Теоретическая и практическая значимость работы Результаты диссертационной работы внедрены при выполнении Государственного контракта № 14.740.11.0392 между Институтом радиотехники и электроники РАН и Минобрнауки РФ, выполняемого в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка нового поколения аппаратуры гибридных каналов передачи мультимедийной информации на базе лазерной и радио технологий».
В состав отчетных документов по Государственному контракту вошли следующие результаты диссертационной работы:
выбор оптимальных параметров протокола передачи мультимедийной информации,
обеспечивающих максимальную производительность гибридной системы связи;
разработка и исследование математической модели гибридной системы связи с использованием методов, теории стохастических систем и сетей для оценки надежности и других характеристик функционирования системы связи на базе лазерной и радио технологий;
результаты статистической обработки метеоданных и построение функции распределения периодов доступности и недоступности атмосферных лазерных каналов связи.
Результаты диссертационной работы были внедрены в проектах ЗАО «Мостком», являющимся одним из основных разработчиков в Российской Федерации атмосферных оптических каналов связи и гибридных систем на базе лазерной и радио технологий.
Пакет программ, разработанный в рамках диссертационной работы, эффективно использовался при проектировании нового поколения сверхвысокоскоростных атмосферных оптических каналов связи (свыше 1 Гбит/с) и их резервирования радио каналами IEEE 802.11n. Использование результатов диссертации позволило ускорить разработку нового поколения гибридных систем связи и повысить их качество, что подтверждается актом о внедрении результатов диссертационной работы в проектах ЗАО «Мостком».
Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012611411 от 6 февраля 2012 на «Программный комплекс аналитического и машинного (имитационного) моделирования гибридного канала связи».
Получен патент РФ №2471292 на изобретение «Многоканальная система передачи информации повышенной надежности на базе лазерной и радио технологий» по заявке № 2011128081 от 08.07.2011г.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Всероссийская конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии и математическое моделирование высокотехнологичных систем» (Москва, 2011, РУДН).
Международная конференция «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети»" (Москва, 2011).
Международная конференция «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети»" (Москва, 2010).
Международная конференция «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети»" (Москва, 2009).
Международная конференция MACOM, Санкт-Петербург, 2008.
Конференция «Информационные технологии и системы», Звенигород, 2007.
По теме диссертации опубликовано 7 научных работ. Из них 2 статьи опубликованы в рецензируемом научном журнале, утвержденном в перечне ВАК. 5 работ опубликованы в трудах ведущих международных и российских научно-технических конференций.
Положения, выносимые на защиту
-
Разработанные математические модели адекватно описывают функционирование гибридной системы на базе атмосферной оптической линии связи и радиоканала, функционирующего под управлением протокола IEEE 802.11n (холодный резерв), или канала миллиметрового диапазона радиоволн (горячий резерв).
-
Характеристики гибридной системы с холодным резервом могут быть рассчитаны как характеристики однолинейной системы массового обслуживания с двумя возможными скоростями обслуживания и ограниченным временем их использования.
-
Характеристики гибридной системы с горячим резервом могут быть рассчитаны как характеристики системы массового обслуживания с двумя неоднородными приборами. В данном случае в гибридной системе оптический и радио каналы используются параллельно.
-
Разработанный пакет прикладных программ предоставляет возможности анализа характеристик, выбора параметров и проектирования гибридных систем на базе лазерной и радио технологий.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка иллюстраций из 23 наименований, списка литературы из 54 наименований. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунков и 6 таблиц.
Гибридные каналы передачи информации на базе радио и лазерных технологий
В настоящее время рассматривают два основных варианта построения гибридных систем связи, в которых основной линией передачи данных является атмосферный лазерный канал. Первый подход заключается в использовании резервного радиоканала с несущей частотой в диапазоне 2.3-6.4 Ггц. Обычно такой резервный канал работает на основе технологии Wi-Fi. Поскольку устройства Wi-Fi очень широко распространены на рынке, они достаточно дешевы, а, следовательно, стоимость гибридной системы в целом возрастает совсем незначительно по сравнению с системой АОЛС. Другим преимуществом такого резервного канала является безразличие к погодным условиям, что чрезвычайно важно для резервного канала, т.к. позволяет значительно увеличить надежность гибридного канала в целом [39]. Однако поскольку такой резервный канал использует относительно невысокую несущую частоту, то радиоканал имеет гораздо меньшую пропускную способность, по сравнению с атмосферным лазерным каналом. Таким образом, первый подход позволяет достичь операторского класса надежности, но со снижением пропускной способности при переходе на резервный канал. Основная проблема, возникающая в таких гибридных системах, заключается в выборе оптимального алгоритма переключения между основным каналом связи и резервным. Во втором подходе в качестве резервного канала предлагается использовать радиоканал в миллиметровом диапазоне. Это позволяет достичь пропускных способностей для резервного канала сравнимых с основным каналом, т.е. с атмосферным лазерным каналом. В тоже время высокочастотный радиоканал также подвержен влиянию неблагоприятных погодных условий, в основном дождя. Однако, как уже отмечалось выше, туман вызывает совсем незначительное затухание в таком радиоканале.
Для отдельно взятой системы АОЛС туман может вызывать затухания вплоть до 120-130 дБ/км, тогда как в грозу при интенсивности осадков в 150 мм/ч коэффициент затухание достигает всего 25 дБ/км, что значительно меньше по сравнению с туманом. Для радиоканала в миллиметровом диапазоне дождь с такой же интенсивностью может вызывать затухание до 50 дБ/км. В тоже время туман практически не оказывает никакого влияния на такой радиоканал. Затухание, вызванное повышенной влажностью, не превышает 5 дБ/км. Таким образом, для достижения высокого уровня доступности необходим значительный запас мощности линии связи. Это условие ограничивает применение систем АОЛС на расстояниях до 0,7 км. Для миллиметрового радиоканала увеличение расстояния требует увеличение выходной мощности радиопередатчика. В гибридных системах проблема затухания может быть рассмотрена в следующем контексте: системе АОЛС необходимо преодолеть только затухание вызванное дождем, а радиоканалу в миллиметровом диапазоне необходимо преодолеть затухание, связанное с повышенной влажностью. Это позволяет устранить требования на большой полный запас мощности и небольшое расстояние для обеих систем. Измерения показали [11], что при длине канала в 2,7 км суммарные потери мощности составили 20 дБ, а удельная потеря мощности равна 7 дБ/км для АОЛС системы. Для миллиметрового радиоканала при такой же длине канала в 2,7 км полная потеря мощности составила 7 дБ, а удельная 2,6 дБ/км. Эти данные были получены при хороших погодных условиях, т.е. при чистом ясном небе. Увеличение коэффициента затухания, вызванное туманом, для оптических линий обычно не превышает 6 дБ/км за секунду. Это означает, что коэффициент затухания достаточно стабилен, аналогично коэффициенту затухания вызванного дождем для миллиметровых радиоканалов. Однако при большой скорости ветра и сильном тумане или низкой облачности эти значения могут сильно отличаться. Данные эксперимента, проведенного в работе [11], показывают, что объединив две системы с низким коэффициентом доступности в 97%, но зато достаточно дешевые, полная доступность гибридной системы может быть увеличена до 99.99%, что аналогично значительному увеличению мощности (на несколько дБ) передатчиков миллиметрового радиоканала. Аналогичные исследования были проведены в работе [40].
Таким образом, на сегодняшний день нет гибридных систем с высокой пропускной способностью обеспечивающих операторский класс надежности на расстояниях до 4-х км. Создание подобной системы могло бы значительно удешевить, упростить и ускорить построение «последней мили», предоставление высокоскоростного доступа к магистральным сетям.
Неблагоприятные погодные условия, такие как дождь, снег, туман (а также песчаная пыль, городской смог и различные виды аэрозолей), могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50-100 дБ/км. Поэтому, чтобы достичь операторских (или хотя бы близких к ним) значений надежности FSO-канала связи, необходимо прибегать к использованию гибридных решений.
Гибридное радио-оптическое оборудование основывается на использовании резервного радиоканала (это либо Wi-Fi, либо радиорелейная линия) в связке с оптическим каналом. Основное достоинство такого решения в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях. В таблице 3 ниже приведены технические характеристики существующих на данный момент на рынке моделей зарубежного гибридного радиооптического оборудования:
Следует отметить, что использование резервного оборудования миллиметрового радиодиапазона приводит к сокращению максимальной рабочей дистанции (до 2000 м) и резкому повышению стоимости (почти в два раза дороже обычного FSO-решения). При этом само оборудование гибридного канала связи представляет собой два раздельных устройства (отдельно оптический блок, и отдельно - радиорелейный), что усложняет монтаж всей системы.
Остальные модели гибридного канала имеют относительно невысокую скорость радиоканала, недостаточную для резервирования основного оптического канала (тем более гигабитного), что делает проблематичным использование данного оборудования требовательными операторами связи.
Описание математических моделей гибридного беспроводного канала связи
В данном подразделе построена и исследована стохастическая модель, описывающая функционирование гибридного канала связи. Базовый подход к построению и анализу подобных моделей описан в [43].
Модель представляет собой систему массового обслуживания типа М/М/1 с двумя возможными скоростями обслуживания (см. рис. 10).
Входящий поток заявок в систему — стационарный пуассоновский с параметром X. Число мест для ожидания неограниченно.
При использовании Аг-й скорости (А:-го режима) время обслуживания заявки распределено экспоненциально с параметром щ, к= 1,2. При этом полагаем, что /uj /U2. Время использования к-и скорости ограничено и характеризуется абсолютно непрерывной случайной величиной &, имеющей плотность гиперэкспоненциального распределения второго порядка
Если время первого режима завершается (OAK становится недоступным), текущее обслуживание заявки (передача пакета) прерывается и система переходит на второй режим работы (использование радиоканала). Сразу после перехода на второй режим обслуживание пакетов не производится. Система должна выждать время Q2, и если за это время второй режим работы не завершился ( f2 QT), ТО ПО истечении времени Q2 начинается обслуживание заявки (передача пакета) на второй скорости (по радиоканалу). При этом предполагаем, что заявка, обслуживание которой по оптическому каналу было прервано, обслуживается заново.
По истечении времени работы второго режима (когда OAK канал вновь становится доступным) система, продолжая обслуживать заявки во втором режиме, наблюдает доступность оптического канала по времени. И если OAK доступен в течение определенного времени, то по истечении этого времени система переходит на первый режим работы (оптический канал). При этом заявка, в ходе обслуживания которой произошла смена режима, обслуживается заново на новой скорости. Время, которое должен превысить период доступности OAK, определяется всякий раз, когда OAK становится доступным, из экспоненциального распределения с параметром Qj.
В модели использованы следующие допущения:
Экспоненциально распределенное время перехода с радиоканала на оптический.
Экспоненциально распределенное время передачи пакета.
Пакеты при переходе с оптического канала на радиоканал не теряются.
При смене скорости передачи пакета (смене канала передачи данных) текущая передача пакета прерывается и стартует заново на новой скорости передачи. Целью построения и исследования математической модели является разработка алгоритма вычисления характеристик производительности системы: стационарное распределение и средняя длина очереди, среднее время ожидания обслуживания, среднее время пребывания.
Предположим, что система функционирует в стационарном режиме. Условия существования стационарного режима будут получены позже.
Предполагаем, что система может находиться в следующих четырех состояниях:
1 — работа в первом режиме (использование OAK),
Г — переключение с первого режима на второй (с оптического на радиоканал),
2 — работа во втором режиме (использование радиоканала),
2 — переключение со второго на первый режим (с радиоканала на оптический).
Будем наблюдать поведение системы в моменты завершения обслуживания и моменты окончания и смены режимов работы. Обозначим через t„— /7-й такой момент, п \. Под состоянием системы в момент t„ будем понимать вектор где in — число заявок в системе в момент времени tn+0, тп — состояние обслуживающего прибора в момент tn-0, т п — состояние обслуживающего прибора в момент tn+0. Здесь мы полагаем, что состоянию (і, т, т) соответствует завершение обслуживания заявки, т є U 2 2 }.
Статистическая обработка метеоданных и отыскание функции распределения периодов доступности и недоступности оптического канала
В опубликованных до настоящего времени работах, посвященных качеству сигнала открытого оптического атмосферного канала (OAK) и исследованию характеристик погодных явлений, влияющих на доступность оптического канала, оценивается лишь вероятность того, что метеорологическая дальность видимости (МДВ) ниже некоторого значения. Однако, в действительности важно не только то, какую долю времени МДВ ниже некоторого показателя, но и то, как часто происходит смена погодных условий, приводящая к переходу гибридного канала связи между оптическим и радио режимами работы. Известно также, что на доступность оптического канала влияет множество других факторов, не связанных с МДВ, таких как сцинтилляция, юстировка, колебания опоры, влияние солнца и др. Помимо перечисленных факторов, связанных с атмосферой и погодными явлениями, огромное значение имеет непосредственно конструкция приемопередатчика: длина оптической волны, количество лучей, расходимость луча, чувствительность приемника и мощность передатчика, наличие системы автоматического наведения и др. Таким образом, очевидно, что невозможно создать модель, достаточно точно учитывающую все перечисленные характеристики гибридного канала связи, поэтому для оценки характеристик разрабатываемого гибридного канала был проведен продолжительный натурный эксперимент, позволивший получить данные для оценки времен доступности и недоступности оптического канала связи для данного конкретного оборудования и протяженности канала связи 4,5 км, расположенного в Рязанской области.
Полученные в натурном эксперименте длительности работы резервного и оптического атмосферного (OAK) каналов приведены на Рис. 11 и Рис. 12 вместе с двумя функциями аппроксимирующими полученное распределение. Из графиков видно, что экспоненциальное распределение, построенное по среднему значению функции, является плохой аппроксимацией времен доступности канала, в то время как гиперэкспоненциальное распределение, построенное по первому и второму начальным моментам, хорошо совпадает с экспериментальными данными.
Для построения гиперэскпоненциального распределения для выборки данных {xx,X2...XN} (например, периодов доступности) используем следующий подход [52].
Так как при изменении длительности работы резервного канала изменяется длительность работы оптического, то будем считать, что зависимость параметров распределения длительности работы OAK имеет следующий вид: где у(1)- параметры гиперэкспоненциального распределения длительности работы OAK протяженностью 4.5 км, которые приведены на Рис.12 в часах.
Предложенная методика позволяет определить искомые характеристики канала в произвольном регионе, на основе статистики собранной в натурном эксперименте на канале фиксированной длины.
Полученная в данном разделе функция распределения времен доступности и недоступности оптического канала используется при построении имитационной и аналитической модели гибридного канала.
Описание математических моделей гибридного беспроводного канала связи с горячим резервом
При работе атмосферного оптического канала связи возможно также параллельное использование обоих каналов (лазерного и радиоканала). В данном разделе рассматривается модель параллельного использования каналов связи как системы массового обслуживания с двумя неоднородными приборами.
Предполагаем, что поток заявок в систему является простейшим с параметром Я . Система имеет два обслуживающих прибора, времена обслуживания на которых имеют экспоненциальное распределение с параметрами Mi и И г, соответственно.
Варьирование интенсивности входящих пакетов
В данном виде эксперимента можно проследить зависимость основных параметров гибридной системы от интенсивности входящего потока. Пакет программ будет варьировать интенсивность входящих пакетов в указанном диапазоне, запуская на каждой новой итерации обсчет модели с новым значением этого параметра. Причем если выбрана аналитическая модель, то на каждой итерации модель будет обсчитана с данным набором параметров только один раз. В случае имитационной модели, обсчет будет производиться несколько раз (количество задается во входных параметрах) при одинаковых входных параметрах для усреднения результатов. Изменение интенсивности входящих пакетов происходит линейно с указанным шагом.
Блок-схема многоразового обсчета с различной интенсивностью входящих потоков
Эксперимент по варьированию времен переключения между каналами поддерживает три подтипа:
Варьирование времени переключения с оптического канала на радиоканал
Варьирование времени переключения с радиоканала на оптический канал
Варьирование обоих вышеуказанных параметров Алгоритм работы первых двух подтипов аналогичен алгоритму работы эксперимента «Варьирование интенсивности входящих пакетов» описанного выше, только на каждой итерации меняется не интенсивность потока, а соответствующее время переключения - либо время переключения с оптического канала на радиоканал, либо время переключения с радиоканала на оптический канал.
Третий же подтип данного эксперимента является более сложным, и фактически представляет собой двухмерный эксперимент. В отличие от всех экспериментов, описанных выше, в данном подтипе варьируется не один параметр модели, а два. Причем изменение происходит не одновременно, а последовательно. Таким образом, на выходе для каждого рассчитываемого параметра системы получается матрица значений в зависимости от времен переключения. Пример такой матрицы для среднего времени ожидания пакета в очереди приведен ниже.
При этом легко видеть, что алгоритм очень схож с представленными выше, однако на каждой итерации вместо обсчета модели запускается вложенный одномерный эксперимент по варьированию второго параметра. Можно заметить, что такая организация экспериментов позволяет при необходимости создавать сколь угодно мерные эксперименты при минимальных трудозатратах.
Стоит отметить, что пакет программ предоставляет аналогичные возможности по варьированию параметров, как плохой погоды, так и хорошей. Алгоритмы экспериментов для изменения параметров плохой и параметров хорошей погоды идентичны и отличаются только тем, поведение какой погоды меняется. Поэтому здесь мы опишем подробно только случай плохой погоды, а для экспериментов по варьированию хорошей погоды вся функциональность будет точно такой же.
Итак, у данного эксперимента есть четыре подтипа, в зависимости от варьируемого параметра.
Вероятность р в гиперэкспоненциальном
Средняя продолжительность плохой погоды /(1) с вероятностью р
Средняя продолжительность плохой погоды у(2) с вероятностью 1-р
Одновременное варьирование параметрову{Х) и у(2) для плохой погоды
Подробное описание и физический смысл каждого из параметров можно найти в соответствующей главе, посвященной блоку моделирования погоды. Каждый из первых трех подтипов представляет собой одномерный эксперимент, примеры которых уже были рассмотрены выше.
Последний же подтип в значительной мере отличается от одномерных экспериментов представленных выше. Во-первых, на каждой итерации меняется не один параметр модели, а сразу два. Во-вторых, изменение происходит не по линейному закону, а путем умножения на соответствующий коэффициент. А вот уже коэффициент в свою очередь меняется каждую итерацию по линейному закону. Подробная блок-схема данного алгоритма представлена ниже.
Блок имитационного моделирования можно условно разделить на несколько составных частей. Рабочее окружение, вспомогательные модели и собственно модели гибридного устройства.
Окружение предоставляет набор вспомогательных функций, которые необходимы для имитационного моделирования:
Запланировать какое-то действие на определенное время
Выполнить определенное действие
Кроме того, именно функционал окружения ведет глобальное время в системе. Ядром окружения, которое и предоставляет все вышеуказанные функции в данном пакете программ, является планировщик. Каждый блок может «попросить» планировщик запланировать определенное действие на определенный момент времени в будущем. Когда указанный момент времени наступает, планировщик вызывает соответствующий API блока, запланировавшего это событие. По такой схеме работают абсолютно все блоки, задействованные в имитационном моделировании. Например, блок отвечающий за моделирование погоды таким образом планирует событие по изменению погоды. А блок моделирующий входящий поток так планирует момент времени, когда поступит следующая заявка.
