УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОРЕСУРСА РЕТРАНСЛЯТОРА В СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ МНОГОПРИОРИТЕТНЫХ ПОТОКОВ ЗАЯВОК ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ

Предлагаемая полезная модель относится к сетям спутниковой связи, в частности к устройству динамического распределения ресурсов ретранслятора при обслуживании в сети спутниковой связи потоков заявок от разноприоритетных пользователей и предназначено для повышения эффективности использования этих ресурсов.
Сеть спутниковой связи можно рассматривать как систему, образованную несколькими ретрансляторами и большим числом земных станций, формирующих случайные потоки требований на ресурс ретранслятора различного приоритета. При этом обмен информацией между станциями становится возможным лишь при наличии свободного ресурса на борту ретранслятора, обеспечивающего ретрансляцию сигналов земных станций с требуемой достоверностью и качеством обслуживания. Для обслуживания каждого вызова выделяется некоторое число единиц общего ресурса ретранслятора (единица ресурса - это полоса частот, временной слот, кодовая комбинация, либо их сочетание, необходимые для обеспечения двухстороннего обмена между станциями). Процесс выделения требуемого числа единиц ресурса ретранслятора для обеспечения заявок пользователей регламентируется протоколом множественного доступа.
В патенте «СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ» №2195773, от 27.12.2002, МПК Н04В 7/26, являющегося аналогом, предложен способ действия системы радиосвязи множественного доступа с временным разделением каналов (МДВР), характеризующейся множеством временных интервалов и использующей полудуплексную передачу/прием данных, где по восходящей линии связи и по нисходящей линии связи между мобильной станцией (МС) и базовой станцией (БС) передача пользовательских данных осуществляется в отдельных МДВР-кадрах. Для повышения эффективности распределения ресурса радиосвязи и блока радиосвязи мобильной станции, в каждом МДВР-кадре по нисходящей линии связи распределяется для мобильной станции большее число временных интервалов, чем в каждом МДВР-кадре по восходящей линии связи. Способ модифицирует один из протоколов фиксированного закрепления ресурсов, а, следовательно, априори обладает ограниченной эффективностью в условиях случайных изменений разноприоритетной нагрузки.
В патенте «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВЫДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ» №: 2407246, от 10.12.2008, МПК H04W 092/10, являющегося аналогом, предложены способ и устройство эффективного выделения сетевых ресурсов для сеансов связи в сети беспроводной связи посредством способа контроля нагрузки графика в направлении восходящей и нисходящей линии связи. Технический результат заключается в максимизации пропускной способности восходящей и нисходящей линий связи при недопущении ситуаций перегрузки. Способ реализует алгоритм предоставления ресурсов по принципу коммутации каналов, что ограничивает эффективность его использования по сравнению со случаем коммутации сообщений. Одновременно с этим отсутствие обоснованных математических моделей графика пользователей и трудности учета его приоритезации делают применение данного устройства в сетях спутниковой связи весьма проблематичным.
В патенте «ВЫДЕЛЕНИЕ РЕСУРСОВ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ» №2391800, от 11.11.2007, МПК H04W 092/10, являющегося аналогом, предложен способ выделения ресурсов в системе связи и станция для системы связи. В системе связи множество устройств пользователей может передавать данные по выделенному каналу. Технический результат - улучшение решения для планирования передачи данных по беспроводному интерфейсу на уровне базовой станции сети доступа. Недостатком способа является статический характер планирования и не учет вероятностных характеристик нагрузки различного приоритета, что существенно ограничивает эффективность его применения при обслуживании динамического, случайного и многоприоритетного графика в сетях спутниковой связи.
В патенте «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В СЕТИ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПОРЯДОЧЕННОГО ЗАЕМА» №2154901, МПК Н04В 7/26, от 20.08.2000, являющимся прототипом заявляемого устройства, предложены радиосистема связи и способ упорядоченного переключения каналов (единиц ресурса), который облегчает динамический доступ ко всей группе каналов связи, разделенных на подгруппы.
На чертеже фиг.1 представлена система распределения ресурса в сети радиосвязи, включающая блок 1 - оценки интенсивности потока требований пользователей и последовательно соединенный с ним блок 2 - реализации варианта распределения ресурса.
Технический результат заключается в создании способа и устройства рационального использования имеющихся ресурсов, которые позволяют динамически распределять ресурсы по подзонам сети связи с учетом функциональных ограничений, наложенных на эту сеть. Предложенные способ и устройство реализуют предоставление ресурса пользователям по принципу коммутации каналов без возможности его адаптации к флуктуациям графика. Кроме того, недостатками данного алгоритма, реализующего доступ заявок пользователей к радиоресурсу, являются: неоптимальный характер текущего плана распределения ресурса в силу отсутствия формальной постановки оптимизационной задачи и трудности учета при реализации варианта распределения ресурса многоприоритетного характера обслуживаемой сетью нагрузки.
Таким образом, каждый из рассмотренных выше протоколов либо не обладает достаточной эффективностью использования ресурсов ретранслятора (протоколы фиксированного закрепления ресурса), либо не является оптимальным (в смысле максимизации суммарной обслуженной нагрузки) для сети спутниковой связи с динамическим и случайным характером числа земных станций, шлюзовых станций, а также параметров передаваемого графика от многоприоритетных пользователей.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение потенциальной эффективности использования ресурса ретранслятора в сети спутниковой связи на основе разработки нового алгоритма управления ресурсом ретранслятора оптимального в смысле максимума обслуженной многоприоритетной нагрузки при выполнении заданных требований к вероятности обслуживания высокоприоритетных заявок в условиях случайных изменений параметров графика.
∑
1
r
r
На чертеже фиг.2 а) представлен вариант плана распределения радиоресурса ретранслятора общим объемом V на области Δ(k). - число единиц ресурса, выделяемого в интересах обслуживания заявок первого приоритета, Δ(k) - заявок r-го приоритета, а также соответствующие приоритетам зоны доступности d(k).
На чертеже фиг.2 б) представлена структурная схема бортового устройства оптимального распределения ресурса. В систему распределения ресурса наряду с имеющимися блоками 1 и 2 дополнительно введен блок 3 - оптимизации плана распределения ресурса, реализующий новый алгоритм управления. Таким образом, предлагаемое устройство содержит блок 1 - оценки частных и суммарной интенсивностей потока заявок пользователей различных приоритетов, выход которого подключен к входу вводимого блока 3 - оптимизации плана распределения ресурса. Выход блока 3 - оптимизации плана распределения ресурса соединен с входом блока 2 - реализации варианта распределения ресурса.
В блоке оптимизации плана распределения ресурса реализован алгоритм, блок-схема которого представлена на чертеже фиг.3.
Алгоритм включает следующие этапы.
r
∑
∑
обсл доп r
1. В блоке 1 задаются исходные данные: число приоритетов ; число пользователей каждого приоритета n; общее число единиц ресурса (каналов) V; значения оценки-прогноза интенсивностей потоков требований каждого приоритета ; характеристики потоков требований (вид плотности распределения числа заявок и времени занятия ресурса), класс СМО (M/M/V/m) и допустимые значения вероятностей обслуживания заявок высших приоритетов P.
2. В блоке 2 осуществляется расчет вероятности обслуживания суммарного потока требований при полнодоступной схеме предоставления ресурса заявкам всех приоритетов и вероятности обслуживания на всем выделенном ресурсе только заявок высшего приоритета
обсл ∑
где P - вероятность обслуживания суммарного потока требований;
- оценка суммарной интенсивности потока нагрузки всех приоритетов;
обсл r
P - вероятность обслуживания потока требований r-го приоритета.
Выражения для вероятностей обслуживания должны соответствовать принятым моделям потоков требований и классам СМО.
3. В блоке 3 проводится проверка двух условий возможности и необходимости оптимизации числа резервных каналов и порогов резервирования ресурса для потока требований каждого приоритета:
При выполнении первого (и, как следствие, невыполнении второго) условия вероятность обслуживания суммарного потока заявок удовлетворяет заданным требованиям при полнодоступной схеме использования ресурса, которая доставляет максимум коэффициента обслуженности суммарной нагрузки. При выполнении второго (и, как следствие, невыполнении первого) условия оптимизация порогов невозможна из-за ограниченности объема выделенного ресурса, что требует коррекции исходных данных. Наконец, при невыполнении обоих условий оптимизация порогов резервирования ресурса необходима и с позиции достижения требований, заданных к вероятности обслуживания заявок высшего приоритета, и с позиции достижения максимума коэффициента обслуженности суммарной нагрузки, т.е.
при ограничениях
O
где K - коэффициент обслуженности суммарной нагрузки;
∑
z - суммарная нагрузка;
r
z - нагрузка, формируемая потоком заявок r-го приоритета.
r
r
∑
r
r
r
r
r-1
r-1
4. В блоке 4 формируется начальный план выделения резервного числа единиц ресурса для заявок высокоприоритетных пользователей. Алгоритм реализует два подхода к формированию исходного плана. При первом подходе за исходный план распределения ресурса принимается полнодоступная схема, когда пороги резервирования d для заявок всех приоритетов равны общему числу каналов d=V, , а число резервных единиц ресурса для заявок любого приоритета равно нулю Δ=0. На дальнейших шагах итерации осуществляется переход к схеме с ограничением доступа к ресурсу со стороны низкоприоритетных пользователей, т.е. к выделению для высокоприоритетных пользователей некоторого резервного числа единиц ресурса Δ(k)=Δ(0)+k,  (увеличению его на единицу на каждом k-м шаге оптимизации) с соответствующими порогами доступности к ресурсу d(k)=d(k)-Δ(k) со стороны заявок остальных приоритетов.
r
r
r
r
r-1
r-1
При втором подходе за Δ(0) принимается минимальное число резервных единиц ресурса, необходимое для выполнения требований, предъявляемых к вероятности обслуживания заявок r-го приоритета, а текущее значение резервного числа единиц ресурса (порога резервирования) уменьшается на единицу на каждом шаге итерации по сравнению с предыдущим его значением Δ(k)=Δ(k-1)-1, . Тем самым для заявок низшего приоритета с каждым новым шагом расширяется зона доступности d(k)=d(k)-Δ(k) к оставшемуся ресурсу ретранслятора.
5. В блоке 5 открывается цикл по приоритету r.
6. В блоке 6 открывается цикл по номеру шага оптимизации k для заявок r-го приоритета.
7. В блоке 7 на k-м шаге внутреннего цикла оптимизации определяется число резервируемых каналов для заявок заданного r приоритета в соответствии с правилом
r
r
8. В блоке 8 проводится расчет качества обслуживания заявок r-го приоритета  на выделенном для них резервном числе каналов при условии, что они занимаются первыми, а после их занятия оставшиеся заявки этого приоритета дообслуживаются на оставшемся общедоступном ресурсе d-Δ.
9. В блоке 9 определяется часть нагрузки высших приоритетов, поступающей на дообслуживание в общедоступную часть ресурса, используемого совместно с заявками низших приоритетов
где  - вероятность потерь при обслуживании потока заявок r-го приоритета.
Здесь же проводится расчет вероятности дообслуживания оставшихся заявок высшего приоритета на общем для всех ресурсе . Данное значение вероятности характеризует качество обслуживания заявок всех приоритетов, так как они обслуживаются совместно с остатком потока заявок высшего приоритета на общей для всех части ресурса.
10. В блоке 10 определяются вероятности совместного обслуживания заявок высшего приоритета на выделенном для него резерве и общей части ресурса:
11. В блоке 11 осуществляется проверка условия соответствия совместной вероятности обслуживания высокоприоритетных пользователей предъявляемым к ней требованиям
r опт
r
r опт
r
Если условия выполняются, то осуществляется переход к следующему этапу, если нет, то алгоритм завершает работу, и в качестве оптимальных порога резервирования и числа резервных каналов принимаются их значения на предыдущем шаге d=d(k-1), Δ=Δ(k-1).
12. В блоке 12 определяется значение коэффициента обслуженности суммарного входящего потока требований всех приоритетов на текущем k-м шаге в соответствии с выражением
13. В блоке 13 осуществляется формирование вектора (массива) значений вероятностей обслуживания заявок различного приоритета и коэффициента обслуженности на k-м шаге оптимизации.
14. В блоке 14 отыскивается экстремум коэффициента обслуженности нагрузки. При этом определяется, , удовлетворяющее условию
где  - фиксированное на данной итерации значение числа единиц ресурса, выделенного для обслуживания потока заявок r-го приоритета;
- оптимальное значение числа единиц ресурса, выделенного для обслуживания потока заявок r-го приоритета.
15. В блоке 15 проводится проверка условия останова. При совпадении значений коэффициента обслуженности на двух последовательных итерациях алгоритма и параметров текущего плана распределения ресурса алгоритм завершает работу.
r опт
r
r опт
r
16. В блоках 16 и 17 формируются выходные данные об оптимальных значениях резерва и границ зон доступности (порогов резервирования) для заявок различного приоритета, полученных на текущем шаге (d=d(k), Δ=Δ(k)), соответствующие им значения вероятностей обслуживания  и коэффициента обслуженности общей нагрузки на сеть спутниковой связи , которые далее по каналам управления доводятся до земных станций и системы распределения ресурсов ретранслятора.
Ниже приводится описание прилагаемых чертежей, на которых показано:
на чертеже фиг.1 - структурная схема системы распределения ресурса в сети радиосвязи;
на чертеже фиг.2 а) - вариант плана распределения радиоресурса ретранслятора;
на чертеже фиг.2 б) - структурная схема бортового устройства оптимального распределения ресурса;
на чертеже фиг.3 - блок-схема алгоритма динамической оптимизации зон доступности и резервируемого числа единиц радиоресурса ретранслятора в сети спутниковой связи с многоприоритетным обслуживанием;
r
на чертеже фиг.4 - зависимости показателей качества обслуживания многоприоритетного потока требований от номера шага оптимизации при начальном значении Δ(0)=0.
Ниже приводится пример оптимизации плана распределения ресурса ретранслятора для случая потоков заявок двух приоритетов.
1
2
k
1
2
∑
1
На чертежах фиг.4 и фиг.5 представлены полученные зависимости вероятностей обслуживания заявок первого и второго приоритетов p(k), p(k), а также величины коэффициента обслуженности входящей нагрузки K от номера шага оптимизации k при первом и втором подходах к выбору начального значения величины резерва. При этом занятие ресурса заявками первого приоритета осуществляется в следующем порядке: вначале занимались зарезервированные каналы Δ(k), а при их занятости - общий ресурс d(k)=V-Δ(k).
Зависимости получены для следующих исходных данных:
R=2 - число приоритетных групп абонентов в сети;
1
n=70 - число абонентов 1-й приоритетной группы;
2
n=60 - число абонентов 2-й приоритетной группы;
1
λ=3 - интенсивность вызовов от абонента 1-й группы, выз/ч;
2
λ=2 - интенсивность вызовов от абонента 2-й группы, выз/ч;
1
t=3 - среднее время обслуживания абонента 1-й группы, мин;
2
t=2 - средняя длительность занятия канала абонентом 2-й группы, мин;
∑
V=15 - общее число каналов в сети;
p=0,95 - требования к вероятности обслуживания заявок первого приоритета.
1 опт
2 опт
1
2
опт
Оптимальные значения зарезервированного числа каналов для заявок первого приоритета и порога резервирования для заявок второго приоритета, а также соответствующие им значения вероятностей обслуживания и коэффициента обслуженности составляют Δ=4; d=11; p(k)=0,963; p(k)=0,93; K=0,951.
r
Как видно из графиков, результаты оптимизации для обоих подходов совпадают, а число шагов оптимизации зависит от избранного подхода к выбору начального значения величины резерва Δ(0).
Таким образом, предложено устройство, реализующее алгоритм динамической оптимизации зон доступности к ресурсу и числа единиц ресурса (полос частот, временных слотов, кодовых адресов, либо их комбинаций) ретранслятора, выделяемых для обеспечения связи по случайным заявкам пользователей различных приоритетов. Управление осуществляется по критерию максимума коэффициента обслуженности суммарной нагрузки с учетом оценки частных потоков заявок при гарантированном выполнении требований к качеству обслуживания высокоприоритетных заявок. Процесс оптимизации включает два этапа: этап оценивания состояния качества обслуживания в сети связи и этап динамической (текущей) оптимизации плана распределения ресурсов ретранслятора. На этапе оценки проводится сбор сведений о величине нагрузки на сеть от пользователей различных приоритетов по каналам служебной связи и вычисление соответствующих вероятностей обслуживания заявок. Проверяются условия возможности и необходимости оптимизации плана распределения ресурсов, при выполнении которых переходят ко второму этапу - реализации алгоритма динамической оптимизации плана распределения ресурсов ретранслятора по критерию максимума суммарной обслуженной нагрузки с учетом ограничений на вероятности обслуживания высокоприоритетных заявок. Используется два подхода к выбору начальных условий решения задачи оптимизации плана распределения ресурсов ретранслятора. При первом подходе за исходный план распределения ресурсов принимается полнодоступная схема, когда все зоны доступности к ресурсу для заявок различного приоритета оказываются одинаковыми и равными общему числу единиц ресурса ретранслятора. На последующих шагах оптимизации решается задача выделения такого числа единиц ресурсов ретранслятора заявкам каждого приоритета, при котором требования к вероятности обслуживания заявок высших приоритетов оказываются гарантированно выполненными, а коэффициент обслуженности суммарной нагрузки на сеть максимальным. При втором подходе к выбору начальных условий плана распределения ресурсов обслуживание заявок каждого из приоритетов вначале осуществляется на выделенном в их интересах числе единиц ресурса, а при их полном занятии оставшиеся заявки дообслуживаются на общедоступном ресурсе вместе с заявками низших приоритетов в пределах выделенной для данного приоритета зоны доступности. Управление в этом случае сводится к поэтапному уменьшению числа резервируемых единиц ресурса для каждого приоритета до момента выполнения требований к вероятности обслуживания заявок высших приоритетов и достижения максимума коэффициента обслуженности суммарной нагрузки. От выбора тех либо иных начальных условий результат оптимизации плана распределения ресурсов не зависит, но число шагов оптимизации может быть различным. Время (длительность цикла) оптимизации определяет интервал усреднения при получении оценок интенсивностей потока требований от пользователей различного приоритета и определяется используемым классом алгоритмов оценки-управления, а также возможностями вычислительной базы. Для сокращения времени принятия решений устройство управления ресурсом целесообразно размещать на борту ретранслятора связи, при этом время распространения сигналов управления уменьшается в два раза по сравнению со случаем, когда устройство планирования размещено на земле. Технический результат заключается в разработке устройства, реализующего динамическое распределение ресурсов ретранслятора для обслуживания заявок разноприоритетных пользователей, обеспечивающего максимизацию коэффициента обслуженности суммарной нагрузки и гарантированное выполнение требований к вероятности обслуживания высокоприоритетных пользователей.
Настоящая полезная модель не ограничена описанными выше вариантами ее осуществления, которые приведены только в качестве примера, и в нее можно вносить различные изменения в пределах объема, определяемого формулой полезной модели.