Протокол управления децентрализованной базой данных местоположения абонентских терминалов в негеостационарных спутниковых системах

Протокол управления децентрализованной базой данных местоположения абонентских терминалов в негеостационарных спутниковых системах

Рассматривается протокол управления децентрализованной базой данных местоположения абонентских терминалов в негеостационарных спутниковых системах. База данных информации о местоположении абонентских терминалов (ИМАТ) хранится распределенно на спутниках системы. Согласно протоколу каждый спутник системы периодически рассылает собранную ИМАТ всем спутникам своей орбиты. Чтобы узнать местоположение терминала вне области покрытия спутников орбиты, отправляются запросы ближайшим спутникам других орбит. Проведено имитационное моделирование протокола управления децентрализованной базой ИМАТ и двух вариантов протоколов, где используется центральная база данных, которая в первом варианте находится на одной земной базовой станции, во втором варианте центральная база данных одинаково доступна на десяти земных станциях. На основе полученных результатов (загрузка линий спутниковой системы, время распространения информации о местоположении и др.) проведен сравнительный анализ и подтверждена эффективность протокола управления децентрализованной базой ИМАТ.

Ключевые слова: местоположение абонентов, распределенная база данных местоположения абонентов, управление информацией о местоположении.

Иванов В.И.,

аспирантМТУСИ, ivanovvi89@gmail.com

Описание протокола управления распределенной базой данных ИМАТ

Зададимся общей схемой управления базой данных ИМАТ.

Стадия рассылки Стадия запросов Стадия ответов Рис. 1. Общая схема управления базой данных ИМАТ

Спутник за определенное время собирает информацию о местоположении абонентских терминалов (ИМАТ). Если база данных ИМАТ хранится централизованно на земле, то спутник отправляет информацию на земную базовую станцию. Если база данных ИМАТ децентрализованная, то спутник рассылает информацию другим спутникам согласно протоколу управления децентрализованной базой. Эта стадия называется стадией рассылки.

Вторая стадия - стадия запроса. Спутник запрашивает местоположение терминала. Если база данных ИМАТ централизованная, то запрос отправляется на земную базовую станцию, если децентрализованная, то согласно протоколу управления рассылается запрос определенным спутникам.

Третья стадия - стадия ответа. Из базы данных отправляется ответ на запрос.

Рассмотрим протокол управления децентрализованной базой в соответствии с общей схемой управления базой данных ИМАТ.

В системах спутниковой связи основном используется центральная база данных местоположений абонентов, которая находится на центральной земной станции [1—4]. В данной работе рассматривается распределенная база данных и протокол ее управления.

Каждый спутник рассылает собранную ИМАТ только спутникам своей орбиты. В результате все спутники орбиты располагают информацией о местоположении всех терминалов, которые находятся в областях покрытия спутников этой орбиты. Неизвестным остается местоположение терминалов, не находящихся в области покрытия спутников орбиты, поэтому эти местоположения запрашиваются у ближайших спутников других орбит.

Рассмотрим три стадии подробно на примере спутниковой системы, орбитальная группировка которой повторяет орбитальную группировку системы Iridium.

Стадия рассылки. Спутник А отправляет информацию о местоположении в обе стороны спутникам своей орбиты, конечными получателями являются спутники В и С (рис. 2). В рассматриваемой системе одиннадцать спутников, поэтому количество скачков до спутников В и С одинаково и равно пяти. По мере того, как передается сообщение от спутника А к конечным спутникам, промежуточные спутники его тоже копируют. Эту схему использует каждый спутник орбиты.

123456 123456

1 полушарие Номер орбиты 2 полушарие

Рис. 2. Стадия рассылки

Все спутники рассылают сообщения о местоположениях периодически и одновременно. Таким образом, в конце стадии рассылки, все спутники одной орбиты располагают одинаковой базой данных ИМАТ.

Стадия запросов. Каждому спутнику внутри плоскости известно только местоположение терминалов, которые видны спутниками плоскости. Чтобы узнать местоположение других терминалов, спутники системы рассылают запросы ближайшим спутникам других плоскостей.

Рассмотрим способ расчета маршрута для отправки запроса (рис. 3). В полярных низкоорбитальных системах задержка внугриорбитальных линий больше, чем межор-битальных. Поэтому путь с наименьшей задержкой для рассылки запроса будет пролегать через межорбитальные линии с как можно более высокой широтой.

у у V

гш

, ш

11111

и п

гтТг

Ч У

123456 123456

1 полушарие Номер орбиты 2 полушарие

Рис. 3. Стадия запросов

У спутника А (рис. 3) нет межорбитальных линий, поэтому запрос отправляется спутнику той же орбиты, но с меньшей широтой. Как видим, у этого спутника есть межорбитальные линии. В момент прихода запроса спутник пересылает запрос спутнику первой орбиты и спутнику третьей орбиты. Запрос в сторону орбит с меньшим номером уже разослан. Теперь осталось разослать запрос оставшимся орбитам с большим номером. У спутника третьей орбиты нет активной межорбитальной линии со спутником четвертой орбиты, поэтому запрос пересылается на спутник третьей орбиты с меньшей широтой. У этого спутника есть активная межорбитальная со спутником четвертой орбиты, поэтому запрос пересылается от этого спутника на следующую орбиту. Запрос продолжают пересылать до тех пор, пока он не достигнет шестой орбиты.

У спутника С маршрут рассчитывается по тем же правилам, только нет отправки запроса в сторону орбит с меньшим номером, так как спутник С находится в орбите номер 1. У спутника В есть активные межорбитальные линии со всеми соседними орбитами. Его маршрут проходит через них. Таким образом, маршруты рассчитываются по принципу: если есть активная межорбитальная линия, сообщение пересылается по ней, если нет, то сообщение пересылается спутнику с меньшей широтой в той же орбите, затем проверяется, есть ли у этого спутника активная межорбитальная линия и т.д.

123456 123456

1 полушарие Номер орбиты 2 полушарие

Рис. 4. Стадия ответа

Стадия ответов. Спутник А отправляет запрос о местоположении терминала абонента (рис. 4). В базе данных спутника В находится информация о местоположении терминала. Когда запрос приходит к этому спутнику, спутник не пересылает запрос дальше. После получения запроса спутник В отправляет ответ по тому же маршруту, по которому пришел запрос. Таким образом, пересылка запроса прекращается спутником, в базе данных которого есть информация о местоположении терминала абонента.

Запрос в сторону других орбит рассылается до конца, так как с той стороны нет спутника, в базе данных которого хранится информация о местоположении терминала.

Анализ протокола

Для сравнения с предложенным протоколом выбраны два протокола с централизованной базой данных. В первом протоколе используется одна земная базовая станция. На рис. 6 изображен граф спутниковой системы и маршруты обмена сообщениями для разных стадий. Рассмотрим стадии протокола:Ошибка! Источник ссылки не найден.

Стадия рассылки. На этой стадии все спутники системы пересылают кратчайшим маршрутом информацию о местоположении терминалов абонентов на спутник И, который является единственным доступным для базовой станции спутником. На рис. 5 изображены маршруты спутников А-Е. Спутник Р, когда приходит информация о местоположении, пересылает ее на земную станцию.

123456 123456

I полушарие Номер орбиты 2 полушарие

Рис. 5. Централизованная схема. Маршруты передачи данных

Стадия запросов. На этой стадии спутники системы передают запросы для получения информации о местоположении по кратчайшему маршруту спутнику F. Спутник F передает запрос на земную станцию.

Стадия ответов. На этой стадии земная станция отправляет ответы спутнику F, который по кратчайшим путям рассылает ответы спутникам, которые их запрашивали.

В системе Iridium планировалось изначально использовать 10 земных базовых станции [5]. Поэтому во втором варианте протокола с централизованной базой данных используется такое же количество земных станций. Координаты станций соответствует координатам запланированных станций. Принцип действия этого протокола такой же, только каждый спутник выбирает ближайшую земную станцию, точнее ближайший спутник, у которого есть доступ к земной станции.

Описание имитационной модели

Цель создания имитационной модели - определение загрузки линий при обмене сообщениями протокола и задержки доставки сообщений в зависимости от выбранных маршрутов. Для проверки взята спутниковая система в один из моментов движения. Для этого момента вычислен граф спутниковой системы (см. рис. 5). Параметры работы протокола оцениваются на найденном графе.

Потоки данных. Для стадии рассылки обоих типов протоколов предполагается, что параметры потока данных, создаваемого рассылкой ИМАТ, одинаковы для каждого спутника. Т.е. количество рассылаемых местоположений и скорость передачи одинаковы для каждого спутника. Объем потока данных от одного спутника условно принят равным единице.

Количество запрашиваемых местоположений на стадии запросов выбрано одинаковым для каждого спутника. В случае протоколов с центральной базой данных запрашиваются местоположения всех терминалов системы, кроме тех, что находятся в области покрытия спутника. В имитационной модели принято, что абонентские терминалы распределены равномерно по поверхности земли. В системе Iridium, которая выбрана для проверки протокола, площадь покрытия спутника составляет около 3% от поверхности земли. Поэтому каждый спутник в протоколе с центральной базой данных запрашивает местоположения 97% абонентских терминалов системы. Объем потока данных условно принят равным 0,97. В схеме с децентрализованной базой данных спутникам одной орбиты известны местоположения всех терминалов, которые находятся в области покрытия спутников этой орбиты. Суммарная площадь покрытия спутников одной орбиты системы Iridium составляет около 31% от земной поверхности. Поэтому запрашивается местоположение только 69% абонентских терминалов системы. Объем потока данных от одного спутника принят равным 0,69.

Количество ответов на стадии ответов равно количеству запросов. Объем потока данных ответов рассчитывается на основе количества присланных запросов.

Результаты

Результаты моделирования приведены в табл. 1. Некоторые линии при обмене сообщениями протоколов полностью не использовались. Параметр доля загруженных линий означает, через какую долю линий передавались сообщения. Суммарная загрузка линий равна сумму

средних загрузок всех линий. Каждый спутник отправляет и получает сообщения на разных стадиях по определенным маршрутам. В процессе моделирования были определены количество скачков и задержка каждого маршрута каждого спутника. Совокупность этих данных представлена в таблице максимумом, минимумом и средним значением.

Таблица 1

Сравнение параметров грех схем

Централизованный протокол, 1 ЗС Децентрализованный протокол Централизованный протокол, ЮЗС

Стадия рассыл- ки Стадия запросов и ответов Стадия рассыл- ки Стадия запросов Стадия ответов Стадия рассылки Стадия запросов и ответов

Доля загр. линий 0,33 0,33 0,66 0,48 0,495 0,295 0,295

Сум- марная загрузка 145 279 439 201 133 70 135

Количество скачков

С релнсе 5 5 5 3 3 3 3

Макси- мум 9 9 5 8 8 6 6

Мини- мум 1 1 5 1 1 1 1

Задержка, мс

Среднее 56 57 67 33 33 31 31

Макси- мум 103 103 67 93 93 65 64

Мини- мум 4,6 4,6 67 8,4 8,4 4,6 4,6

У децентрализованного протокола самая большая загрузка линий на стадии рассылки. Загрузка линий децентрализованного протокола больше централизованного с одной земной станцией в 3 раза, больше централизованного с десятью земными станциями в 6 раз. Это связано с тем, что каждый спутник рассылает ИМАТ всем спутникам своей орбиты. В плане средней задержки децентрализованный протокол также проигрывает. По сравнению с протоколом с одной земной станцией в 1,2 раза, с десятью земными станциями - в 2 раза.

На стадии запросов суммарная загрузка линий децентрализованного протокола меньше в 1,4 раза, чем у протокола с одной земной станцией, и больше в 1,5 раза, чем у протокола с 10 земными станциями. Такое соотношение связано с тем, что запросы спутников системы в децентрализованном протоколе отправляются на ближайшие спутники, у которых есть межорбитальные линии (рис. 4). Их достаточно много, чтобы загрузка линий была меньше в сравнении с централизованным протоколом с одной земной станцией, где все потоки данных концентрируются вблизи спутника, который связан с земной станцией. В тоже время равномерное распределение десяти земных станций снижает концентрацию потоков данных еще больше, поэтому протокол с десятью земными станциями выигрывает. Средняя задержка меньше в 1,7 раза, чем у протокола с одной земной станцией и больше в 1,06 раза, чем у протокола с десятью земными станциями, т.е. практически равна.

На стадии ответов загрузка линий децентрализованной схемы меньше в 2,1 раза по сравнению с протоколом с одной земной станцией, и немного меньше, на 2%, по сравнению с протоколом с десятью земными станциями.

Литература

1. Zhang Z. et al. A Location Management Strategy Based on Dual Location Areas in LEO Satellite Networks // Information Technology Journal 10(4), 894-898, 2011.

2. McNair J., Location registration and paging in mobile satellite systems // Proceedings of Conference on IEEE computers and Communications, 232-237,2000.

3. Tsimoda. H. Supporting IP/LEO satellite networks by handover-independent IP mobility management // IEEE J. Sel. Areas Communications, 300-307, 2004.

4. Jinglin. W. et al. Research on hierarchical location management scheme in LEO satellite networks // Proceeding of the 2 International Conference on Future Computer and Communication, 127-131,2010.

5. Pratt S.R. et al. An Operational And Performance Overview Of The Iridium Low Earth Orbit Satellite System // IEEE Communications Surveys, Second Quarter 1999.

Management protocol for decentralized subscriber terminal location database in nongeostationary satellite systems

Ivanov V.I., MTUCI, Russia

Abstract

Management protocol for decentralized subscriber terminal location (STL) database.in nongeostationary satellite systems is described. STL database is stored on satellites in distributed manner. According to protocol, every satellite sends all gathered STL to the satellites of its orbit. Requests for terminal location should be sent to satellites on other orbits, to get unknown STL. Imitation modeling is conducted for management protocol of decentralized database and two protocols with centralized one. STL central database is stored on one ground base station in the first type of centralized protocol. And STL central database is equally accessed from ten ground base stations in second type of centralized protocol. Analysis of protocol is conducted based on the modeling results. Management protocol for decentralized subscriber terminal location database good performance is confirmed.

Keywords: subscriber location, decentralized subscriber terminal location database, location data management.

Это связано с тем, что в децентрализованном протоколе прекращается пересылка сообщения запроса, если у промежуточного спутника есть координаты запрашиваемого терминала (рис. 5). Соотношение средней задержки такое же, как и для стадии запросов.

Таким образом, децентрализованный протокол проигрывает двум централизованным лишь в случае стадии рассылки. При этом разница в средней задержке сообщений по сравнению с протоколом с одной земной станцией небольшая. В стадии запросов и ответов он полностью превосходит протокол с одной земной станцией и практически сравнялся с централизованным протоколом, в котором используется десять земных станций.