СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБРАТНЫХ КАНАЛОВ В СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ИНТЕРАКТИВНОГО ДОСТУПА
METHOD FOR DYNAMIC BACKUP OF CAPACITY OF RETURN CHANNELS IN INTERACTIVE ACCESS SATELLITE COMMUNICATION NETWORK

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к способам резервирования пропускной способности в мультимедийных спутниковых сетях интерактивного доступа, обеспечивающих высокую эффективность использования пропускной способности обратных спутниковых каналов и поддержание требований к качеству передачи трафика.
В интерактивных сетях спутниковой связи развернутых в соответствии со стандартами DVB-RCS (ETSI EN 301 790 v1.3.1, 2003 г.) и IPoS (TIA-1008, 2003 г.), выделение ресурса пропускной способности обратных каналов сети для активных спутниковых интерактивных терминалов производится с помощью процедуры BoD (bandwidth on demand - предоставление ресурса по требованию).
Рекомендованные в стандарте DVB-RCS механизмы предоставления пропускной способности сети по требованию заключаются в выделении каждому активному спутниковому терминалу сети временных слотов в структуре суперфрейма в соответствии с поступающими от них запросами динамического резервирования.
req
CK
req
Согласно приведенной в литературе методике, (см., например Karaliopou-los, M. Support of elastic TCP traffic over broadband GEO satellite networks. Centre for Communication Systems Research School of Electronics and Physical Sciences University of Surrey, April 2004, а так же Celandroni, N. Comparison between distributed and centralized demand assignment TDMA satellite access schemes / Celandroni, N., Ferro, E., Potorti, F. // International Journal of Satellite Communication 14, 2 (Mar.-Apr. 1996), p.95-111), объем резервируемого СИТом на k-м тактовом интервале ресурса пропускной способности R(k) может быть определен исходя из количества пакетов (PDU) в буфере спутникового терминала Q(k), периода суперкадра T и сформированных ранее запросов резервирования R(k-i) по следующей формуле:
Выражение
обозначает минимальное целое число, включая нуль, которое больше х.
in
В другой модели, реализующей механизм BoD (например, Golta, A. Simulating Dynamic Bandwidth Allocation on Satellite Links / Gotta, A., Potorti, F., Secchi R. // WNS2, 2006, October 10, 2006, Pisa, Italy), объем запроса резервирования вычисляется на основе оценки скорости поступления данных R(k) без учета ранее сформированных запросов:
Анализ выражений (1) и (2) свидетельствуют о том, что данные выражения позволяют сформировать запрос резервирования пропускной способности спутниковой сети для пакетных данных не критичных к временной задержке, возникающей вследствие инерционности процесса распределения ресурса и задержки распространения радиосигнала в спутниковом канале. К данному виду графика, согласно стандарта DVB-RCS, относится VBDC (Volume-Based Dynamic Capacity) трафик. Примером данного вида трафика, является файловый обмен, передача факса, электронная почта и др.
Для трафика, критичного к временной задержке, обозначенного в стандарте DVB-RCS как RBDC (Rate-Based Dynamic Capacity) трафик, например, VoIP трафик или видеоконференц-связь, данный способ формирования запроса пропускной способности не подходит, что позволяет сделать вывод об отсутствии адекватной модели формирования запроса на резервирование пропускной способности, обеспечивающей эффективное распределение ресурса пропускной сети и учитывающей объем поступившего, переданного и находящегося в буфере спутникового терминала трафика, позволяющей адаптироваться под инерционность процесса распределения ресурса, что является важным при выделении ресурса для данного вида трафика.
Известен способ динамического распределения ресурса пропускной способности в интерактивных мультимедийных сетях спутниковой связи, который описан в патенте (патент US 7346069 В2, H04L 12/28, "Apparatus and method for dynamic resource allocation in interactive satellite multimedia system", от 18.03.2008).
Согласно изобретению, для повышения вычислительной эффективности распределения пропускной способности, устройство динамического планирования (планировщик) центральной станции (ЦС) оценивает объем поступивших от активных СИТов запросов на выделение ресурса, формирует в структуре суперкадра парные кадры, делит общий объем запрашиваемого ресурса пропускной способности на число парных кадров. Далее ЦС распределяет доли запрашиваемого ресурса пропускной способности, приходящегося на одну пару, в пределах данной пары последовательно для всех активных СИТов и дублирует полученное распределение в остальных парных кадрах, тем самым, добиваясь сокращения вычислительного времени, необходимого для распределения ресурса в суперкадре.
Недостатком способа-аналога является то, что вводимые процедуры предусматривают снижение вычислительной сложности при распределении ресурса пропускной способности, а не достижение высокой эффективности его использования. Не учитываются требования к качеству сервиса QoS (Quality of Service) для различных видов трафика.
Другой способ распределения ресурса пропускной способности в спутниковых сетях интерактивного доступа, учитывающий требования по временной задержке и джиттеру для мультимедийного графика, предложен в изобретении (патент US 7385943 В2, Н04В 7/212, "Method of allocating communication resources in an MF-TDMA telecommunication system", от 10.06.2008).
Согласно изобретению, весь заявленный к передаче в обратных каналах мультимедийный трафик в зависимости от требований к качеству передачи разделяется на информационные потоки (классы сервиса), чувствительные к временной задержке (трафик реального времени: речь, видеоконференц-связь), и информационные потоки, не критичные к временной задержке (трафик интерактивных данных: передача файлов, доступ в Интернет, эл. почта и т.п.). Способ-аналог предполагает резервирование на закрепленной основе временных слотов от одного суперкадра к другому для передачи графика реального времени с целью уменьшения временной задержки и джиггера. Для трафика интерактивных данных на каждом периоде суперкадра производится назначение временных слотов, оставшихся в суперкадре после обслуживания запросов графика реального времени. Основное внимание в рассматриваемом способе-аналоге уделяется технической реализации алгоритма последовательного по классам сервиса назначения временных слотов (обоснование производительности, тактовой частоты процессора, разрядность шины), обеспечивающей сокращение времени, затрачиваемого на процедуру формирования частотно-временного плана передачи (ВТР).
Недостатком способа-аналога является то, предлагаемый способ, ориентированный на повышение вычислительной эффективности при распределении ресурса пропускной способности, не учитывает динамические (статистические) характеристики трафика (интенсивность поступления пакетов в буферы и их объем), степень обеспечения дифференцированных требований к качеству сервиса пакетных данных и не предусматривает достижение высокой эффективности использования ресурса.
В изобретении (патент US 2007/0104101 A1, H04L 12/26, "Dynamic resource allocation based on quality-of-service", от 10.05.2007), описан способ динамического распределения ресурса в интерактивных сетях спутниковой связи.
Согласно изобретению, все поступающие на ЦС от спутниковых терминалов запросы динамического резервирования классифицируются по классам сервиса на основе величины запрашиваемой скорости, объема передаваемых данных, уровня требований к качеству сервиса QoS. Устройство динамического планирования ЦС в соответствии с классом запросов последовательно распределяет имеющийся в текущем суперкадре частотно-временной ресурс. Выделение ресурса пропускной способности производиться частотно-временными блоками фиксированного объема [ΔF·Δτ], где ΔF - частотная полоса, соответствующая минимальная символьной скорости, Δτ - длительность временного слота.
Недостатком способа-аналога является низкая пропускная способность сети вследствие невысокой вычислительной эффективности фактически переборных процедур распределения частотно-временного ресурса выполняемых последовательно от запросов наиболее высокого класса сервиса к менее приоритетным и необходимость повторных перераспределений при ограниченных ресурсах.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому решению является способ динамического распределения ресурса пропускной способности обратных каналов в мультимедийной сети спутниковой связи интерактивного доступа, описанный в изобретении (патент RU 2410838 C1, H04J 4/00, "Способ динамического распределения ресурса пропускной способности обратных каналов в мультимедийной сети спутниковой связи интерактивного доступа", опубликованный в бюллетене №3 от 27.01.2011).
Согласно изобретению, спутниковые интерактивные терминалы осуществляют формирование запросов динамического резервирования временных слотов на длительности очередного суперкадра, отправляют сформированные запросы на центральную станцию сети. Центральная станция пересчитывает запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, которые выделяются терминалам на длительности очередного суперкадра.
Однако способ-прототип имеет недостаток: в нем не раскрывается способ формирования запроса динамического резервирования пропускной способности, что обусловлено его направленностью на достижение высокого коэффициента использования пропускной способности только в условиях перегрузки по трафику.
Задачей изобретения является разработка способа динамического резервирования ресурса пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа позволяющего добиться повышения эффективности использования частотно-энергетического ресурса транспондера, выделенного сети спутниковой связи интерактивного доступа, в условиях отсутствия перегрузки по графику за счет минимально избыточного резервирования пропускной способности при обеспечении требований по средней задержке и джиттеру задержки для передаваемых пакетных данных RBDC графика, к которому относится трафик VoIP и видеоконференц-связи.
Эта задача решается тем, что в способе динамического резервирования ресурса пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа, спутниковые интерактивные терминалы осуществляют формирование запросов динамического резервирования временных слотов на длительности очередного суперкадра, отправляют сформированные запросы на центральную станцию сети, которая пересчитывает запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, выделяемых терминалам на длительности очередного суперкадра. Согласно изобретению, в каждом активном спутниковом терминале, измеряют скорость поступающего от оконечного оборудования трафика пакетных данных и заполненность входного буфера спутникового терминала в периоды времени, кратные длительности суперфрейма, определяют оптимальное значение уровня квантиля для прогнозных значений скорости поступления пакетных данных в буфер спутникового терминала на один, два и три суперкадра вперед, формируют запрос динамического резервирования пропускной способности с учетом требований QoS исходя из заполненности входного буфера и сформированных на предыдущих суперкадрах запросах, а также данных прогноза скорости поступления пакетного графика, выполненного с учетом уровня квантиля, характеризующего избыточность резервирования.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе обеспечивается повышение эффективности использования выделенной сети спутниковой связи интерактивного доступа ресурса пропускной способности за счет снижения избыточности в формируемом в спутниковом терминале запроса динамического резервирования.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, на который направлено решение задачи следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Возможность реализации заявленного способа на современных вычислительных процессорах, например с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) позволяют утверждать о его «промышленной применимости».
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг.1 - структура мультимедийной сети спутниковой связи, реализующая в обратных каналах многочастотный доступ с временным разделением (MF-TDMA);
фиг.2 - частотно-временная структура суперкадра;
фиг.3 - механизм предоставления ресурса пропускной способности по требованию (BoD) в интерактивных сетях спутниковой связи;
фиг.4 - блок-схема алгоритма формирования запроса динамического резервирования пропускной способности на длительности суперкадра;
фиг.5 - состав оборудования спутникового интерактивного терминала.
фиг.6 - результаты экспериментальной проверки эффективности разработанного способа.
Возможность реализации заявленного способа поясняется следующим образом.
На фиг.1 представлена мультимедийная сеть спутниковой связи интерактивного доступа, где: 11 - центральная станция сети (ЦС, HUB), 12 - ретранслятор связи, размещенный на борту космического аппарата на геостационарной орбите, 13 - спутниковые интерактивные терминалы.
В прямом спутниковом канале 14 от ЦС 11 через ретранслятор связи 12 потоки данных для всех спутниковых интерактивных терминалов сети 13 (СИТ 1, СИТ 2, …, СИТ N) передаются в едином мультиплексированном высокоскоростном цифровом потоке на одной несущей 14 в режиме фиксированного закрепления (режим TDM/PAMA). В обратных каналах 15 от СИТ к ЦС реализуется многочастотный доступ с временным разделением (MF-TDMA), при котором СИТы могут передавать данные на одной из доступных в данный момент терминалу несущих частот на выделенных позициях временных слотов. Количество несущих частот определяется техническими возможностями терминалов, и соответствует количеству демодуляторов в составе оборудования ЦС.
Общедоступный частотно-временной ресурс обратных каналов спутниковой сети, разделен на суперкадры 20, каждый из которых в свою очередь разделен на кадры 21 (фиг.2).
s1
s2
s3
Каждый кадр 21 занимает совокупность частотных полос Δf, Δf, Δf, соответствующих символьной скорости передачи, и ограничен по времени фиксированной длительностью, разделенной временными слотами 22. Количество временных слотов в суперкадре, на позициях которых передаются данные с информационной битовой скоростью, определяет потенциальный ресурс пропускной способности сети. Например, в представленной на фиг.2 структуре, суперкадр 20 состоит из 8 кадров 21, в каждом из которых располагаются 15 временных слотов 22. Информационная скорость передачи на длительности одного временного слота равна 32 кбит/с. В этом случае ресурс пропускной способности сети составляет 8·15·32=3840 кбит/с.
Для получения доступа к ресурсу пропускной способности очередного суперкадра, СИТ проходит процедуру регистрации, включающую этапы инициализации терминала, синхронизации по несущей частоте, цикловой и тактовой синхронизации, после чего он может передавать на центральную станцию запросы динамического резервирования и получать он нее выделенный для передачи пакетного трафика ресурс пропускной способности в виде необходимого количества временных слотов.
После обработки запросов, ЦС распределяет и назначает каждому СИТ необходимое количество графиковых временных слотов по принципу закрепленного резервирования на длительности суперкадра. Информация о частотно-временных назначениях динамически обновляется от суперкадра к суперкадру на основе новых оценок объемов запросов.
Данные о выделении ЦС радиоресурса для работы спутниковых интерактивных терминалов (полоса частот, номер несущей, временные интервалы для передачи слотов) передаются в виде дополнительных таблиц сервисной информации: состава суперкадра, состава кадра, структуры временных слотов, сообщений о коррекции, терминальных информационных сообщений, временного плана передачи пакетов терминалом.
s1
s3
s2
В пределах кадра СИТу могут быть выделены любые трафиковые временные слоты. Например, на фиг.2, стрелками показана последовательность выделения временных слотов для одного терминала, сначала слот 1 в полосе частот Δf, затем слот 12 в полосе частот Δf, и слот 9 в полосе частот Δf. Такое распределение временных слотов может быть продублировано во всех кадрах данного суперкадра или иметь иное распределение.
req
Рекомендованные в стандарте DVB-RCS механизмы предоставления ресурса пропускной способности сети по требованию заключаются в выделении каждому спутниковому терминалу сети 13 (фиг.1) временных слотов в структуре суперфрейма (фиг.2) в соответствии с поступающими от них запросами динамического резервирования R (фиг.3).
В спутниковом интерактивном терминале (фиг.3) в k-й момент времени формируется запрос динамического резервирования ресурса пропускной способности 31, который передается на центральную станцию. Центральная станция обработав поступивший запрос выделяет СИТу необходимое количество тайм-слотов, которые в виде частотно-временного плана 32 будут отправлены СИТу в момент времени (k+1). Получив ЧВП, спутниковый терминал сможет передать находящиеся в его буфере пакетные данные в момент времени (k+2) на временных позициях выделенных тайм-слотов. Таким образом, при использовании механизма BoD возникает задержка в передаче данных, равная, как минимум, длительности двух суперкадров.
Исходя из особенностей функционирования интерактивных сетей спутниковой связи, заключающихся в наличии временной задержки при выделении ресурса на поступивший запрос, обусловленной распространением радиосигнала на спутниковом интервале, и стохастическом характере изменения интенсивности поступления пакетов в буфер терминала, формирование запроса динамического резервирования производится с учетом избыточности, необходимой для обеспечения требований QoS при передаче пакетного графика, чувствительного к временной задержке, например, компрессированной речи (после обработки детектором VAD) или видеоконференц-связи.
i
i
В соответствии с разработанным способом динамического резервирования пропускной способности (фиг.4), на длительности очередного k-го суперкадра оценивается (этап 41) количество активных спутниковый интерактивных терминалов в сети I, скорость поступления пакетных данных R в буфер i-го спутникового терминала, количество бит информации Q, находящихся на данном тактовом интервале в буфере.
На этапе 43 в каждом терминале, выполняется прогнозирование скорости поступления пакетных данных в буфер терминала на один, два и три суперкадара. Для обеспечения требований QoS, в зависимости от вида передаваемого пакетного графика прогнозирование производится с учетом квантиля распределения прогнозируемой скорости α, характеризующего избыточность резервирования и принимающее значения от 0,5 до 1.
Для всех спутниковых терминалов определение объема запроса на выделение ресурса в терминале производится па основе заполненности буфера терминала и оценки скорости поступления пакетных данных (этап 44) в соответствии с выражением (3):
CK
где Q(kT) - размер очереди на k-м тактовом интервале;
- статистические оценки прогноза скорости поступления пакетных данных в буфер терминала;
CK
T - период суперкадра;
α - квантиль распределения прогнозируемых значений скорости, характеризующий избыточность резервирования, α=[0,5-1];
RTD
τ - задержка кругового распространения радиосигнала, равная удвоенной длительности суперкадра;
l - множество натуральных чисел 1, 2, 3 и т.д.
Первое слагаемое выражения (3) характеризует объем пропускной способности, выделенной для пакетных данных, необслуженных предыдущими запросами к моменту получения частотно-временного плана. Математический знак максимума перед квадратными скобками означает выбор из двух значений, записанных через запятую, большего. Второе составляющее учитывает прогноз изменения скорости пакетных данных на k+1 тактовый интервал.
На этапе 45 формируется запроса динамического резервирования пропускной способности, который выполняется всеми активными терминалами сети (этапы 46, 47), после чего запросы отправляются ими на центральную станцию сети, которая выделяет для каждого запроса необходимое количество тайм-слотов 22 в структуре суперкадра 20.
Задача нахождения оптимального значения квантиля относится к классу задач нелинейной оптимизации. Строгое решение подобных задач оптимизации связано с нахождением стохастических функциональных зависимостей, характеризующих динамику изменения частных показателей качества сетевого обслуживания и эффективности использования ресурса. Одним из способов решения данного класса задач является метод множителей Лагранжа (Бертсекас, Д. Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987. - 400 с.: ил.).
Выполнение прогнозирования скорости поступления пакетных в спутниковый терминал (фиг.5) осуществляется в блоке динамического резервирования 518.
Спутниковый интерактивный терминал состоит из двух основных устройств: внутреннего блока 51 (IDU-In Door Unit), устанавливаемого внутри отапливаемого помещения и наружного блока 52 (ODU-Out Door Unit), устанавливаемого на открытой местности, обеспечивающей прямую видимость между антенной спутникового терминала 524 и антенной ретранслятора связи, размещенного на борту космического аппарата 12.
i
i
Абонентский трафик формируется оконечным оборудованием: оборудованием видеоконференцсвязи (ВКС) 511, телефонным VoIP аппаратом 512, факсимильным аппаратом 513 и ЭВМ 514 осуществляющей файловый обмен. От оборудования ВКС пакетный трафик поступает непосредственно на мультиплексор 516. Пакетные данные от остальных устройств (512-514) передаются на мультиплексор после преобразования стыков сигнала к единому виду в преобразователе интерфейсов 515. После объединения цифровых потоков различных источников в мультиплексоре 516 в единый групповой поток, данные поступают через входной интерфейсный порт в буфер спутникового модема 517. В спутниковом модеме оценивается заполненность буфера Q и скорость поступления пакетных данных R, которые являются исходными данными для формирования запроса динамического резервирования пропускной способности 31, выполняемым в блоке динамического резервирования 518 в соответствии с выражением (3).
После выделения центральной станцией 11 временных слотов 22 спутниковому терминалу 13, пакетные данные из входного буфера спутникового модема 517 поступают на устройства скремблирования, помехоустойчивого кодирования и далее на модулятор, входящих в состав модема. В модуляторе формируется радиосигнал на промежуточной частоте, например 70 МГц, который после усиления поступает на выход спутникового модема 517. По радиочастотному кабелю радиосигнал поступает на преобразователь, входящий в состав блока ODU 52, в котором он переносится в диапазон работы спутникового терминала усиливается до номинальной мощности в усилителе мощности 522, и с помощью антенны 524 излучается в направлении ретранслятора связи.
Радиосигнал от центральной станции 11 через ретранслятор связи 12, антенну 524 поступает в приемный тракт СИТ, где происходит его усиление в МШУ 523 и преобразование на промежуточную частоту в радиочастотном конверторе 521. Усиленный сигнал на первой промежуточной частоте, по радиочастотному кабелю, поступает в блок IDU 51 на вход спутникового модема 517, где производится его усиление и демодуляция с последующим исправлением ошибок в помехоустойчивом декодере, дескремблирование. Далее, пакетные данные в виде группового потока поступают в мультиплексор 516, где он разделяется на данные ВКС и трафик VoIP, факса и данные файлового обмена. Поток данных ВКС передается на приемник ВКС 511, остальные данные поступают на соответствующее оконечное оборудование через преобразователь интерфейса 515.
Предлагаемый способ основан на алгоритме взвешенного распределения пропускной способности частотно-временного структуры суперкадра между потоками различных классов сервиса активных спутниковых терминалов и обеспечивает существенное уменьшение недостатков способа-прототипа за счет измерения скорости поступающих от оконечного оборудования пакетных данных и заполненность входного буфера спутникового терминала в периоды времени, кратные длительности суперфрейма, определения оптимального значения уровня квантиля прогнозных значений скорости поступления пакетных данных в буфер спутникового терминала на один, два и три суперкадра вперед, формирования запроса динамического резервирования пропускной способности с учетом требований QoS исходя из заполненности входного буфера и сформированных на предыдущих суперкадрах запросах, а также прогноза скорости поступления пакетного графика, выполненного с учетом квантиля, характеризующего избыточность резервирования.
Экспериментальная проверка разработанного способа была выполнена на ЭВМ в пакете прикладных программ Matlab R2011b (версия 7.13.0.564) при следующих исходных данных:
VoIP
1) количество источников пакетного графика (N) изменяется от 5 до 25;
2) скорость передачи пакетного графика одного источника изменяется от 5 до 15 кбит/с;
3) формирование запроса динамического резервирования произведено для значения квантиля распределения прогнозируемой скорости, равном 0,5, 0,75 и 1.
Результаты расчета, представленные на фиг.6 (сплошной линией - для заявляемого способа 601, пунктирной - для резервирования пропускной способности под пиковую скорость передаваемого пакетного трафика 602) дают основание для вывода, что заявленный способ динамического резервирования ресурса пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа обеспечивает лучшие показатели коэффициента эффективности использования пропускной способности по сравнению с прототипом за счет снижения избыточности в формируемом запросе динамического резервирования достигаемом путем прогнозирования скорости поступления пакетного трафика в буфер спутникового терминала на один, два и три суперкадра и подтверждают возможность достижения поставленной задачи.
Таким образом, при такой совокупности существенных признаков обеспечивается повышение эффективности использования пропускной способности обратных каналов интерактивных сетей спутниковой связи за счет снижения избыточности в формируемом запросе динамического резервирования, как следствие повышение эффективности использования частотно-энергетического ресурса ретранслятора связи и может быть реализован на современных вычислительных процессорах, например с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Представленные на рынке коммерческие продукты отличаются производительностью, объемом оперативной памяти, количеством вентилей и т.п. В наиболее полной мере предъявляемым требованиям удовлетворяют ПЛИС серии Virtex FPGA фирмы Xilinx Inc (http://www.xilinx.com).
Указанный способ может найти свое применение в любых системах беспроводного доступа, осуществляющих передачу мультимедийной информации между абонентскими терминалами в условиях ограниченных частотно-энергетических ресурсов.