СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТИ РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ
METHOD FOR FUNCTIONING OF A RADIO RELAY NETWORK WITH PACKET SWITCHING

Изобретение относится к области сетей связи и может быть использовано при проектировании и построении новых или совершенствовании существующих сетей радиорелейной связи с коммутацией пакетов.
Известен способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации и система для его реализации (См. Патент РФ №2336566, G06N 1/00, опубл. 20.10.2008, бюл. №29), заключается в определении схемотехнических характеристик элементов сети связи, установлении их взаимосвязи, описании структуры сети связи, разделении всех связей на основные и резервные, задания произвольных комбинаций повреждений элементов сети связи, определении значения показателя аварийности состояния связей между элементами сети связи, моделировании процесса обеспечения технической готовности при эксплуатации сети связи, имитации различных видов отказов, повреждений и сбоев основных элементов сети связи, замещении поврежденных связей резервными, определении значения показателя восстановления работоспособности сети связи, осуществлении сбора статистики, прогноза технического состояния основных элементов сети связи и расчете основных показателей функционирования сетей связи.
Недостатком способа является относительно низкая эффективность функционирования сети радиорелейной связи (СРС) с коммутацией пакетов, так как реконфигурацию сети связи выполняют без учета требований к уровню обслуживания и оценивания изменений пропускной способности в маршрутах передачи. Под эффективностью функционирования СРС понимается количество обслуженного пакетного трафика за промежуток времени с требуемым уровнем качества обслуживания.
Известен способ обеспечения устойчивости сетей связи в условиях внешних деструктивных воздействий (См. Патент RU 2379753 С1, МПК G06F 21/20, G06N 3/02, опубликовано 20.01.2010, бюл. №2), заключается в контроле внешних деструктивных воздействий, оценивании пропускной способности и, путем распределения доступного ресурса между абонентами, обеспечении своевременности предоставления информационных услуг.
Недостатком указанного способа является относительно низкая эффективность функционирования СРС с коммутацией пакетов, так как оценка пропускной способности осуществляется только с учетом деструктивных воздействий и не позволяет учесть потери пропускной способности, обусловленные перегрузкой в сети.
тр
тр
бл
св
бл
св
тр
доп
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ повышения эффективности функционирования системы связи (См. Патент РФ №2729556, С1. кл. H04L 29/02, H04W 28/02, опубл. 07.08.2020 г.). Известный способ заключается в том, что измеряют реальную пропускную способность γ системы связи, устанавливают требуемую пропускную способность γ, на основе измеренной реальной пропускной способности γ и заданной требуемой пропускной способности γ вычисляют вероятность блокировки системы связи Р, измеряют время простоя и время работы элементов системы связи, на основе которых вычисляют коэффициент готовности системы связи и вероятность связности системы связи Р, на основе вероятности блокировки системы связи Р, вероятности связности системы связи Р, реальной пропускной способности γ и заданной требуемой пропускной способности γ вычисляют риск потери пропускной способности системы связи R, сравнивают его с установленным допустимым значением R и при превышении установленного допустимого значения осуществляют реконфигурацию системы связи.
Недостатком способа-прототипа является относительно низкая эффективность функционирования СРС с коммутацией пакетов. Это обусловлено тем, что проведение реконфигурации СРС с коммутацией пакетов выполняют без учета требований к уровню обслуживания и оценивании изменений пропускной способности в маршрутах передачи. Реконфигурацию СРС с коммутацией пакетов осуществляют только на основе вычисленного значения риска потери пропускной способности, что не позволяет выбрать оптимальный вариант ее реконфигурации в зависимости от тенденции изменения пропускной способности в одномерных и многомерных маршрутах передачи.
Техническим результатом при использовании заявленного способа функционирования СРС с коммутацией пакетов, является повышение эффективности ее функционирования за счет реконфигурации структуры до появления перегрузки в многомерном маршруте и повышения количества обслуженного пакетного трафика за промежуток времени с требуемым уровнем качества обслуживания.
тр
тр
бл
св
о
м
о доп
м доп
о
о доп
м
м
доп
тр
Технический результат достигается тем, что в известном способе функционирования СРС, заключающемся в том, что измеряют реальную пропускную способность γ СРС, устанавливают требуемую пропускную способность γ. На основе измеренной реальной пропускной способности γ и заданной требуемой пропускной способности γ, вычисляют вероятность блокировки СРС Р. Измеряют время простоя и время работы радиорелейных станций, на основе которых вычисляют коэффициент готовности и вероятность связности СРС Р. Дополнительно оценивают уровень качества обслуживания трафика и характер изменения пропускной способности одномерных маршрутов передачи K СРС. На основе характера изменения пропускной способности одномерных маршрутов передачи оценивают характер изменения пропускной способности многомерного маршрута передачи K СРС. Устанавливают временной интервал определения характера изменения пропускной способности и верхнюю границу пропускной способности каждого одномерного маршрута передачи K, а также верхнюю границу пропускной способности многомерного маршрута передачи K. При достижении значения характера изменения пропускной способности одномерного маршрута передачи K к граничному значению K добавляют в многомерный маршрут ближайший менее загруженный одномерный маршрут передачи, в котором обеспечивается требуемый уровень качества обслуживания. При достижении значения характера изменения пропускной способности многомерного маршрута передачи K к граничному значению K вычисляют характер изменения реальной пропускной способности γ СРС. При достижении характера изменения реальной пропускной способности γ заданной требуемой пропускной способности γ реконфигурируют СРС.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе реализована возможность реконфигурации СРС с коммутацией пакетов на структуру обеспечивающую требуемый уровень качества обслуживания трафика исходя из характера изменения пропускной способности одномерных и многомерного маршрутов, чем и достигается повышение эффективности функционирования СРС с коммутацией пакетов.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - общий вид СРС с коммутацией пакетов, реализующий предлагаемый способ;
фиг. 2 - нормы для услуг с распределением по классам обслуживания;
фиг. 3 - представление СРС в виде ориентированного ациклического графа;
фиг. 4 - параметры адаптивных режимов модема МД-310Е радиорелейной станции Р-416ГМ;
1
12
фиг. 5 - пример изменения пропускной способности радиорелейных интервалов на временных промежутках t t;
1
12
фиг. 6 - пример изменения пропускной способности в одномерных и многомерном маршрутах в СРС на временных промежутках t - t;
1
2
фиг. 7 - пример распределения пропускной способности в СРС на временных промежутках t, t;
4
фиг. 8 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
7
фиг. 9 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
8
фиг. 10 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
9
фиг. 11 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
10
фиг. 12 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
11
фиг. 13 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
12
фиг. 14 - пример распределения пропускной способности в СРС на временном промежутке t;
фиг. 15 - пример динамики изменения пропускной способности в одномерном маршруте 1-2-3;
фиг. 16 - пример динамики изменения пропускной способности в одномерном маршруте 4-5-6;
фиг. 17 - пример динамики изменения пропускной способности в одномерном маршруте 1-5-3;
фиг. 18 - пример динамики изменения пропускной способности в многомерном маршруте.
Возможность реализации заявленного способа объясняется следующим. В соответствии с фиг. 1 сеть радиорелейной связи с коммутацией пакетов строится на основе радиорелейных станций с каналообразующим оборудованием в виде маршрутизаторов, обеспечивающих коммутацию пакетов.
л
2
л
Максимально возможную пропускную способность радиорелейной линии, когда количество различимых состояний информационного параметра сигнала выбрано заранее с учетом возможностей их устойчивого распознавания приемником радиорелейной станции, записывают в виде С=2Δƒ log М, где Δƒ - ширина полосы пропускания линии, Гц; М - количество различимых состояний информационного параметра сигнала (Цифровые радиорелейные станции: Учеб. пособие для ввузов связи / С.А. Якушенко, С.А. Бондаренко, С.О. Бурлаков. - СПб.: ВАС, 2011. - 336 с. стр. 39).
В высокоскоростных радиорелейных станциях реализуют адаптивную квадратурную амплитудную манипуляцию M-QAM, где М - число позиций модуляции (М=4, 64, 128), которая позволяет осуществить выбор числа позиций в зависимости от текущего отношения сигнал/шум на радиорелейной линии связи. При уменьшении отношения сигнал/шум на радиорелейной линии связи число позиций модуляции автоматически понижают, при этом уменьшается пропускная способность канала связи. При увеличении отношения сигнал/шум на радиорелейной линии связи кратность модуляции увеличивается, при этом увеличивается пропускная способность канала связи.
Одномерным маршрутом передачи в СРС с коммутацией пакетов называют совокупность последовательно соединенных каналов связи в соединении точка-точка между радиорелейной станцией, являющейся источником сообщений, и радиорелейной станцией - получателем сообщений.
Многомерным маршрутом передачи сообщения в СРС называют множество параллельно соединенных независимых одномерных маршрутов передачи, по которым передают пакетный трафик, составляющий сообщение. В зависимости от уровня обслуживания одномерного маршрута передачи выбирают информационную нагрузку. В случае ухудшения уровня обслуживания одномерного маршрута передачи число пакетов сообщения, направляемых маршрутизатором радиорелейной станции по одномерному маршруту передачи, уменьшают до величины, обеспечивающей заданный уровень обслуживания сообщений. При улучшении уровня обслуживания одномерного маршрута передачи его загрузка может быть увеличена.
дост
треб
дост
треб
Под уровнем обслуживания понимают совокупность технических параметров, характеризующих соответствие некоторой группы ресурсов поступающей нагрузке при определенных условиях [Рекомендация Е. 800 «Термины и определения по инженерии трафика»; Лемешко А.В., Модель и метод предотвращения перегрузки с активным управлением очередью на узлах телекоммуникационной сети // Проблемы телекоммуникаций. - 2014. - С. 91-104; Шринивас В., Качество обслуживания в IP: учеб. Пособие / В. Шринивас. - М.: издательский дом «Вильямс», 2003. - 368 с.]. Определение уровня качества обслуживания каждого потока данных производят по своевременности доставки пакета, оцениваемой достижимой максимальной сквозной задержкой пакета i-го потока данных «из конца в конец» s-го класса из множества S классов трафика t, не превышающей требуемого значения t, определяемого рекомендацией Y.1541: ∀s ∈ {S}, ∀i ∈ {1,…,n} t≤t.
треб
На фиг. 2 представлены нормы для услуг с распределением по классам качества обслуживания, выраженные через максимально допустимую задержку передачи пакета между радиорелейной станцией, являющейся источником сообщений, и радиорелейной станцией - получателем сообщений t. Гарантированное качество обслуживания предоставляемых мультисервисных услуг достигается путем обеспечения требуемой задержки обработки пакетов i-го потока в маршрутизаторе радиорелейной станции - получателем сообщений.
Уровень качества обслуживания трафика оценивают с помощью интегрального показателя для различных категорий и типов трафика, который рассчитывают по формуле
ku
ku
ku
ku
Q=(Т, Р, D),
ku
ku
ku
ku
где Q - обобщенный показатель качества обслуживания пакетного трафика, Т - время задержки, Р - вероятность своевременной доставки и D - вариация задержки для различных категорий трафика k∈[1, K] и типа трафика u∈[1, U].
ku
Показатель Q рассчитывают как интегральную оценку по трем показателям с учетом весовых коэффициентов g, которые определяют методом экспертных оценок.
ku
ku
ku
Параметры T, P, D нормируют по формуле
max
min
где  - нормированное значение параметра в диапазоне [0,1]; X X - максимальное и минимальное значение нормируемого параметра соответственно, которые определены на фиг. 2, х - текущее значение нормируемого параметра.
С учетом вышеперечисленного оценку уровня качества обслуживания пакетного трафика производят по формуле:
1
2
3
где g,g,g - весовые коэффициенты для соответствующих показателей,  - нормированные значения задержки, потерь и вариации задержки для соответствующей категории и типа трафика.
о
м
Характер изменения пропускной способности одномерных и многомерных маршрутов передачи K и K сети радиорелейной связи может быть вычислен с помощью различных методов, например, метода экспоненциально взвешенных скользящих средних [Прогнозирование социально-экономических процессов: Учебно-методическое пособие. // Автор-составитель: Капитанова О.В. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2016 - 74 с. стр. 34]
t
а
где y - фактические уровни временного ряда, t - моменты времени,  - вес приписываемый уровню ряда.
Значение тенденции определяют совокупностью предыдущих значений влияние которых ослабевает в геометрической прогрессии.
тр
тр
бл
св
Требуемую пропускную способность γ сети радиорелейной связи определяют на основе потребностей пользователей в услугах и видах связи (Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. - СПб.: Питер, 2016. - 992 с.). Измеряют реальную пропускную способность. На основе требуемой пропускной способности γ и измеренной реальной пропускной способности сети радиорелейной связи γ определяют вероятность блокировки сети радиорелейной связи Р (Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: в 2-х ч. Ч. 1. Пер. в англ. - М.: Наука, 1992). Время работы и время простоя радиорелейных станций, измеряют, например, с использованием программно реализованных секундомеров. Вычисляют коэффициент готовности сети радиорелейной связи (ГОСТ Р 53111 - 2008. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки. - М.: Стандартинформ, 2009 г. - 19 с.). На основе коэффициента готовности определяют вероятность связности информационных направлений Р (ГОСТ Р 53111 - 2008. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки. - М.: Стандартинформ, 2009 г. - 19 с.).
На фиг. 1 в качестве примера представлена структура СРС, построенная на основе радиорелейных станций Р-416ГМ, в которых реализован режимы работы с адаптивной модуляцией. Радиорелейная сеть связи представлена в виде ориентированного ациклического графа (фиг. 3). На узлах связи расположены радиорелейные станции Р-416ГМ. Узел «А» является источником сообщений, а узел «В» корреспондирующим узлом.
На фиг. 4 представлены параметры адаптивных режимов модема МД-310Е из состава Р-416ГМ [Блок модема МД-310Е Руководство по эксплуатации КСЮВ.467762.047-11РЭ].
РПС
ТПС
ОПС
На фиг. 5 и фиг. 6 представлено изменение пропускной способности радиорелейных интервалов в СРС, представленной на фиг. 2. На фиг. 5 и фиг. 6 приняты следующие обозначения: С - реальная пропускная способность; С - характер изменения пропускной способности; С - остаточная пропускная способность. В связи с тем, что показатель пропускной способности модема МД-310Е радиорелейной станции Р-416ГМ принимает фиксированные значения (фиг. 4), то за значения характера изменения пропускной способности принимают данные значения, следующие по порядку убывания или возрастания.
1
2
Распределение пропускной способности в СРС на временных промежутках t, t представлено на фиг. 7.
3
4
На временном промежутке t происходит уменьшение пропускной способности радиорелейного интервала 1-2, входящего в одномерный маршрут передачи трафика 1-2-3, в связи с чем часть трафика на временном промежутке t перераспределяется на другой ближайший менее загруженный одномерный маршрут 4-5-6 (фиг. 8).
7
На временном промежутке t продолжается уменьшение пропускной способности одномерного маршрута 1-2-3, в связи с чем происходит дальнейшее перераспределения трафика на одномерный маршрут 4-5-6 (фиг. 9).
8
На временном промежутке t продолжается уменьшение пропускной способности одномерных маршрутов 1-2-3 и 4-5-6 вследствие чего происходит перераспределение трафика на одномерный маршрут 1-5-3. Суммарная пропускная способность многомерного маршрута между узлами А и В в СРС уменьшается (фиг. 10).
9
На временном промежутке t пропускная способность одномерных маршрутов 1-2-3 и 4-5-6 продолжает уменьшаться, вследствие чего продолжается перераспределение трафика на одномерный маршрут 1-5-3. Суммарная пропускная способность многомерного маршрута между узлами А и В близка к пороговому значению (фиг. 11).
10
11
12
На временном промежутке t пропускная способность одномерных маршрутов 1-2-3 и 4-5-6 продолжает уменьшаться. Началось уменьшение пропускной способности одномерного маршрута 1-5-3. Суммарная пропускная способность многомерного маршрута между узлами А и В приблизилась к пороговому значению (фиг. 12). В данный момент времени СРС необходимо реконфигурировать. Если СРС не реконфигурировать, то на временном промежутке t продолжится уменьшение пропускных способностей всех задействованных одномерных маршрутов. Значение суммарной пропускной способности многомерного маршрута в СРС примет значение ниже порогового, минимально необходимого, вследствие чего на следующем временном интервале будет перегрузка СРС (фиг. 13). На временном промежутке t сеть радиорелейной связи перегружена, пропускная способность многомерного маршрута меньше необходимой (фиг. 14).
Динамика передачи трафика в одномерном маршруте 1-2-3 представлена на фиг. 15. Динамика передачи трафика в одномерном маршруте 4-5-6 представлена на фиг. 16. Динамика передачи трафика в одномерном маршруте 1-5-3 представлена на фиг. 17, а многомерного маршрута между узлами связи А и В на фиг. 18.
Реконфигурацию СРС с коммутацией пакетов осуществляют путем переключения линий связи между радиорелейными станциями и перераспределения трафика между ними.