Методы перераспределения радиоресурса в ретрансляторах спутниковой связи. Сущность и виды методов случайного множественного доступа. Методы случайного множественного доступа (смд)
При СМД вся полоса частот ствола Ртр, выделяемая для работы сети, объединяется в один моноканал, который разделяется во времени между всей совокупностью ЗС. Все ЗС работают на одной несущей частоте и монопольно используют весь канал в течение времени передачи сообщения. Каждое сообщение, предназначенное для передачи, оформляется в виде пакета данных, т.е. имеет заголовок, который содержит адреса отправителя и получателя, а также дополнительную служебную информацию, и концевик, который содержит кодовую проверочную последовательность (КПП), позволяющую оценить верность доставки сообщения. Все ЗС постоянно «прослушивают» моноканал и принимают все переданные пакеты (в том числе и собственные), выделяя среди них по адресу те, которые предназначены именно данной ЗС. Успешный приём после ретрансляции через Ртр собственного пакета служит для ЗС-передатчика положительной квитанцией-подтверждением успешной передачи пакета. Поскольку моменты начала передачи сообщения ЗС никак не согласованы между собой (децентрализованное управление), то радиосигналы отдельных ЗС могут полностью или частично налагаться друг на друга на входе радиоприёмной части Ртр. Такое наложение радиосигналов на входе Ртр, которое приводит к искажению «столкнувшихся» сообщений, получило название конфликта (рис.12). После ретрансляции искаженных сигналов конфликт обнаруживается всеми ЗС, прослушивающими моноканал, на основе анализа КПП. После обнаружения конфликта те ЗС, которые оказались в состоянии конфликта, предпринимают повторную попытку передачи пакета, причём каждая через собственный случайный интервал времени. Такой протокол СМД впервые был реализован через спутник «INTELSAT–IV» для связи множества ЗС, расположенных на Гавайских островах, с континентальной частью США и получил название «ALOHA» (гавайское национальное приветствие) [70].
Рис.12. Принцип действия протокола S-ALOHA
В настоящее время в спутниковой связи применяется несколько разновидностей описанного протокола. Наиболее известные из них:
1) P –ALOHA (простая, pure ALOНA)
2) S – ALOHA (синхронная, slotted ALOHA)
3) R – ALOHA (с резервированием, reservation ALOHA).
Протокол P–ALOHA, называемый также простая или «чистая» ALOHA, представляет собой собственно исходный протокол ALOHA. Его особенности состоят в том, что моменты начала передачи пакетов разными станциями никак не синхронизированы между собой и длина передаваемого сообщения жёстко не фиксирована (хотя верхний предел длины передаваемого сообщения, как правило, всегда устанавливается). В случае частичного или полного наложения передаваемых разными станциями пакетов в сети происходит конфликт, а искажённые пакеты подлежат повторной передаче.
Протокол P–ALOHA наиболее прост в реализации, однако, обеспечивает достаточно низкий коэффициент (S) использования радиоресурса (КИР) Ртр. Коэффициент S, показывающий долю времени, в течение которого ретранслятор непосредственно занят передачей полезной информации, для P–ALOHA определяется соотношением:
S = G×е–2G,
где G – интенсивность поступления пакетов.
Максимального значения S достигает при G = 1:
Smax = G/е2 0,14 или 14%.
Протокол S-ALOHA (рис.12), называемый также синхронная или тактированная ALOHA, позволяет существенно увеличить коэффициент S. В отличие от P-ALOHA все ЗС в режиме S–ALOHA синхронизируют моменты начала передачи пакетов в соответствии общесистемными часами (тактами). Кроме того, длина передаваемого пакета строго ограничена одним тактом (рис.12). То есть каждая ЗС должна так синхронизировать свой передатчик, чтобы переданный пакет точно уложился в заданный интервал времени (временное окно) на входе Ртр. В этом случае конфликты происходят только в пределах окна, когда передающие станции выбрали для передачи одно и то же окно, т.е. случаи частичного наложения пакетов, как в P–ALOHA, исключаются. Поэтому эффективность протокола возрастает и в зависимости от интенсивности поступления пакетов G определяется соотношением:
S = G×е–G.
Максимальное значение S достигается также при G = 1 и составляет:
Smax = 1/е 0,368 или 37%.
Протокол R–ALOHA, называемый также ALOHA с резервированием, является дальнейшим развитием протокола S-ALOHA и предназначен для передачи многопакетных сообщений. Недостаток S-ALOHA состоит в том, что, когда на ЗС поступает достаточно длинное сообщение, которое не может быть оформлено в один пакет, оно разбивается на несколько пакетов, каждый из которых передаётся ЗС в моноканал через случайный интервал времени. При этом передача каждого следующего пакета начинается только после успешной передачи предыдущего. Поэтому в случае возникновения конфликта на каком-то из этапов передача всего сообщения может затянуться на неопределённый срок. Чтобы избежать этого, в протоколе R-ALOHA используется идея резервирования последующих временных окон после успешной передачи первого пакета многопакетного сообщения. Для этого последовательность временных окон объединяется в циклы фиксированной длины по N окон в каждом.
Протокол R-ALOHA позволяет существенно повысить коэффициент использования радиоресурса Ртр (S) в случае, когда в сети преобладает многопакетный трафик. Величина достигаемого при этом КИР в значительной мере зависит от статистических характеристик передаваемых сообщений и может достигать 60-70%. Однако платой за такой выигрыш является заметное усложнение аппаратуры ЗС вследствие необходимости поддержания всеми ЗС кадровой и цикловой синхронизации в сети.
Одним из главных недостатков протоколов СМД является их неустойчивость при резких колебаниях интенсивности входной нагрузки. При этом резко возрастает вероятность возникновения конфликтов, что, в свою очередь, ведет к лавинообразному нарастанию числа повторных передач и, следовательно, ещё большему числу конфликтов и т.д. Пропускная способность сети резко снижается, а время задержки передачи сообщения устремляется в бесконечность.
Чтобы сохранить главное преимущество протоколов СМД – низкую задержку при передаче коротких сообщений – и чтобы обеспечить устойчивую работу сети в области высокой нагрузки, используют гибридные протоколы множественного доступа, объединяющее в себе такие достоинства, как устойчивость МД с ПКТ (предос. каналов по треб.) и оперативность СМД при передаче коротких сообщений. Главная задача такого объединения состоит в том, чтобы обеспечить резервирование ресурса (каналов) ретранслятора при передаче длинных сообщений (как в МД ПКТ), однако сохранить при этом возможность оперативной передачи коротких сообщений (как в СМД). Такие протоколы получили название ПМД с резервированием. В качестве примера можно привести протокол Робертса, который, по сути, представляет собой модификацию МД ПКТ при ВРК с децентрализованным управлением. Весь цикл передачи (рис.13) делится на две части: субцикл резервирования и субцикл информационных каналов.
Рис.13. Протокол МД с резервированием каналов
Субцикл резервирования состоит из миниокон, в которых передаются запросы на выделение информационных каналов либо короткие однопакетные сообщения. Запросы на информационные каналы принимаются и обрабатываются всеми ЗС, прослушивающими моноканал. Каждая ЗС самостоятельно, но по единому для всей сети алгоритму определяет очерёдность предоставления свободных информационных каналов той или иной ЗС. Доступ к миниокнам в субцикле резервирования осуществляется на конфликтной основе по протоколу S-ALOHA. Гибридные протоколы, подобные протоколу Робертса, позволяют добиться высокого коэффициента использования радиоресурса Ртр и обладают гибкостью в отношении структуры передаваемого трафика. Однако их главным недостатком является высокая сложность и, как следствие, невысокая надежность – каждая ЗС должна вести списки очередности выхода в эфир для всех активных ЗС и поддерживать общесистемную синхронизацию, т.е. работать, по сути, на уровне ЦС. Сбой в работе одной из станций может привести к «развалу» всей сети.
Одной из наиболее острых проблем для спутниковой связи является высокая задержка сигналов в спутниковой радиолинии вследствие значительной удалённости от Земли спутника–ретранслятора (Ртр). Так, для геостационарного Ртр (высота орбиты 36,6 тыс. км) время распространения сигнала до спутника и обратно (Тр) составляет ~250 мс.
Задержка доставки сообщения по спутниковой радиолинии включает в себя следующие составляющие:
1. Задержка сообщения на передающей ЗС, которая в свою очередь включает:
- задержку обработки сообщения и формирования пакета (этой величиной обычно пренебрегают);
- задержку, вносимую протоколом МД: при СМД – это задержка, связанная с повторной передачей пакетов в случае возникновения конфликтов; при МД ПКТ – это задержка, обусловленная временем установления соединения по ОКС;
- время передачи сообщения в канал связи, которое зависит от длины сообщения L и скорости передачи по каналу связи R.
2. Задержка распространения сигналов в спутниковой радиолинии до ретранслятора и обратно – Тр.
3. Задержка сообщения на принимающей ЗС, связанная с контролем верности принятого пакета и восстановлением формата переданного сообщения, а также, возможно, дополнительная искусственная задержка для компенсации разброса времени (джиттера) поступления последовательности пакетов при передаче многопакетных сообщений.
Таким образом, анализ показывает, что протоколы СМД наиболее приемлемы для передачи коротких пакетов через большие интервалы времени, т.е. трафик имеет импульсный характер. Для случая более однородного, так называемого потокового трафика более выгодными с точки зрения эффективного использования радиоресурса Ртр оказываются протоколы МД ПКТ.