Способ интервальной оценки информационной эффективности цифровых радиосетей

УДК 621.391.1

СПОСОБ ИНТЕРВАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ИНФОРМАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИФРОВЫХ РАДИОСЕТЕЙ

© А.М. Межуев, И.И. Пасечников, А.И. Родзевич

Ключевые слова: цифровая радиосеть; информационная эффективность; коэффициент полезного действия; пороговое значение; интервал входного трафика.

Работа посвящена реализации способа интервальной оценки информационной эффективности цифровых радиосетей (ЦРС) в зависимости от выбранного порогового значения обобщенного параметра - коэффициент полезного действия (КПД) передачи информации. Результатом разработанного способа является определение интервала входного трафика, в котором ЦРС функционирует с заданным КПД передачи информации, т. е. обеспечивает требуемую эффективность информационного обмена. Он достигается тем, что в исследуемой ЦРС последовательно рассчитываются значения КПД передачи информации для различных значений интенсивности входного трафика от минимального до максимального значений с заданным шагом входной интенсивности и сравниваются полученные значения с их пороговыми значениями КПД, на основании чего определяется интервал, в пределах которого обеспечивается передача информации с КПД не ниже заданного (порогового). Применение такого подхода позволяет ввести для ЦРС и систем передачи информации новый оценочный параметр -полоса пропускания ЦРС по входному трафику на заданном пороговом уровне. Полученные результаты позволяют дать практические рекомендации по обеспечению информационного обмена в сети исходя из выбранного критерия поведения ЦРС в качестве которого может выступать, например: интервал изменения входного трафика, допустимые значения временной задержки, величины потерь пакетов и т. д. Кроме того, выбор различных пороговых значений КПД передачи информации позволит классифицировать ЦРС по качеству обеспечиваемого информационного обмена.

Совершенствование способов передачи и значительное увеличение объемов информации, а также применение новых технических средств предъявляют повышенные требования к информационным системам в целом и, в частности, к системам связи (СС), являющимся их материальной основой и обеспечивающим непосредственно процесс доставки информации. В этом смысле цифровые радиосети (ЦРС) являются наиболее перспективным направлением развития СС и представляют собой результат переноса метода коммутации пакетов на область радиосвязи с подвижными объектами. Привлекательность ЦРС с пакетной коммутацией объясняется возможностью объединения достоинств систем радиосвязи, имеющих общую среду распространения радиоволн для всех пользователей, с преимуществами информационных сетей с коммутацией, базирующихся на разветвленной вычислительной инфраструктуре. Важно подчеркнуть, что применение принципов пакетной радиосвязи в условиях имеющей место чрезвычайной перегруженности КВ и УКВ диапазонов излучениями энергии сигналов самого различного происхождения является своеобразным механизмом ограничения реальной нагрузки в системах радиосвязи и способствует успешному решению проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств данных диапазонов частот. Кроме того, ЦРС позволяют обеспечить связь с пользователями, разбросанными на достаточно обширной территории, в условиях, когда установление проводной связи между пользователями либо практически не осуществимо, либо не целесообразно по экономическим соображениям [1-4].

Анализ существующих подходов к оценке эффективности цифровых сетей связи и информационно-вычислительных систем показывает их ограниченность по учету возможностей хранения информации в системе, по нахождению степени близости к предельным характеристикам передачи информации и по определению оптимальных условий функционирования сети.

Так, в ряде работ для этой цели применяется коэффициент использования каналов связи (КС) по пропускной способности ^ = R / C, где R - скорость передачи информации; C - пропускная способность КС. В целом для ЦРС применяется параметр G - производительность сети, которая определяется числом успешно переданных сообщений в единицу времени.

Широко используются при оценивании эффективности информационного обмена в ЦРС вероятностные характеристики и параметры: вероятность Q своевременного доведения сообщений, определяемая отношением интенсивности своевременно доставленных сообщений к интенсивности входного потока сообщений; своевременность доведения сообщений, описываемая функцией распределения времени доставки F (t);

T дост

вероятность своевременного доведения сообщений с потерей достоверности не более требуемой, при заданных ограничениях на затраты ресурсов

P[t Z Ттр/D z Dtp]rs.

Кроме того, среди известных подходов к оцениванию информационной эффективности в системах связи можно выделить многокритериальный

Вход 2 3 4 5

Выход -

Рис. 1. Структурная схема ЦРС с элементами для осуществления интервальной оценки эффективности информационного обмена

подход, приводящим к решению сложной задачи оптимизации множества частных показателей.

Для сетей связи широко используется показатель -

средняя временная задержка сообщений Т как характеристика, определяемая множеством сетевых параметров: вектором потоковой обстановки, топологией сети, алгоритмами маршрутизации, параметрами множественного доступа, вероятностью правильного приема, временем реконфигурации сети.

В последние годы для оценки информационной эффективности ЦРС и сетей передачи данных используется группа QoS-параметров (от англ. Quality of Service - качество обслуживания): полоса пропускания, описывающая номинальную пропускную способность среды передачи информации (Bandwidth); задержка при передаче пакета по сети (Delay); колебания (дрожание) задержки при передаче пакетов - джиттер (Jitter); потери пакетов, определяемые количеством пакетов, потерянных в сети во время передачи (Packet loss) [1-5].

В условиях высокой информационной нагрузки сетей для обеспечения устойчивого их функционирования необходимы: использование предельных возможностей сети по передаче и хранению информации в условиях высокой нагрузки, применение общеизвестных подходов к оцениванию информационной эффективности становится затруднительным и, зачастую, даже неприемлемым.

В работах [6-8] предлагаются иные способы оценки информационных возможностей ЦРС, которые позволяют учитывать свойства сети по хранению информации и определять степень близости системы к предельным возможностям по передаче информации. В качестве универсальных обобщенных параметров, характеризующих информационные возможности сети, используются кибернетическая мощность ЦРС

KW KW

-l v ' ' ттг» гп-

•100%.

KW = N • G\T

Первая определяется путем умножения количества информации, выраженного числом информационных сообщений (пакетов) М, находящихся в ЦРС как в процессе хранения, так и в процессе передачи внутри системы, на производительность ЦРС (О), усредненных за заданный временной интервал (Г). Второй - равен отношению кибернетической мощности (КЖ) системы связи, к полной кибернетической мощности (К^полн), определяющей предел физических возможностей исследуемой ЦРС по информационному обмену.

Недостатками последних способов являются то, что они не позволяют определять, в каком интервале входного трафика ЦРС будет работать с требуемой эффективностью информационного обмена, и не могут быть использованы для сравнительных интервальных оценок информационной эффективности систем связи с различными топологиями в неодинаковых условиях функционирования.

Поэтому задача реализации способа для интервальной оценки информационной эффективности ЦРС на основе универсального параметра с определением степени близости их к предельным возможностям по передаче информации является актуальной, а также имеет важное научное и практическое значение. Цель работы - получение интервала входного трафика, в котором система связи функционирует с заданным КПД передачи информации, т. е. обеспечивает требуемую эффективность информационного обмена для ЦРС с разными структурами при различных значениях их информационной нагрузки [9].

Технический результат работы достигается тем, что в исследуемой ЦРС последовательно рассчитываются значения обобщенного параметра - коэффициента полезного действия (КПД) передачи информации системы связи для различных значений интенсивности

1

входного трафика от ув

до У в

с шагом Аув

и сравниваются с пороговым значением КПД передачи информации системы связи "пор, на основании чего

°пределяется интервал [уВХпор1= Увх пор2], в пределах

которого обеспечивается передача информации в системе связи с КПД не ниже порогового.

Структурная схема, поясняющая работу предлагаемого способа, представлена на рис. 1.

При реализации способа используется понятие ЦРС, под которой в данном случае понимается многоканальная система (объект 1, отмеченный пунктирной линией на рис. 1), состоящая из следующих основных блоков:

2 - устройств ввода информации в ЦРС (БУВИ);

3 - запоминающих устройств (БЗУ);

4 - устройств передачи информации (БУПИ);

5 - устройств вывода информации из ЦРС (БУВ-ВИ).

Кроме того, структурная схема реализации предлагаемого способа включает в себя блоки:

6 - измерителя-вычислителя обобщенного параметра КПД передачи информации (БИВКПД);

7 - сравнения БС;

8 - фиксации пороговых значений (БФПЗ). Способ оценки эффективности информационного

обмена ЦРС осуществляется следующим образом (рис. 1). За интервал времени усреднения работы ЦРС из БЗУ, БУПИ и БУВВИ в БИВКПД поступает информация о реальной загрузке системы связи и о предельных возможностях ЦРС по передаче информации, где последовательно производятся измерения и вычисления для определения согласно выражению (2) значений КПД передачи информации " для различных значений

интенсивности входного трафика от ув

д° Ув

с шагом Аувх . Каждое вычисленное значение КПД передается в БС, где производится сравнение с заданным пороговым значением "пор . При выполнении

условия

фиксируется значение увх = увх пор1 в БФПЗ и из

БФПЗ передается команда в БИВКПД для продолжения измерений и вычислений КПД. При выполнении условия "л ^ "пор в БФПЗ фиксируется значение

увх = увх пор2, формируется команда на прекращение

действий по вычислению КПД, и она передается в БИВКПД. После чего в БФПЗ определяется интервал

интешшшстш вх°дН°г° ТрафИ1Ш [Увх пор1, Увх пор2] , в

пределах которого обеспечиваются требуемые условия передачи информации в ЦРС исходя из заданного порогового значения КПД "пор (рис. 2).

Сущность разработанного способа поясняется следующим. Проведение цикла последовательных измерений КПД передачи информации " соответствует решению задачи оценки информационной эффективности системы связи при изменениях интенсивности входного трафика и позволяет определять интервал входного

трафика [Увх пор1 Увхпор2] , в пределах которого система связи функционирует с требуемой эффективностью информационного обмена, исходя из заданного порогового значения обобщенного параметра. Это в свою очередь позволяет ввести для ЦРС и систем передачи информации новый оценочный параметр (аналогии с типовыми методами анализа каскадов радиоэлектронной аппаратуры) - полоса пропускания ЦРС по входному трафику на заданном уровне "пор

ПУ (Л пор) Твх пор2 Увх пор1.

пор

При переходе во временную область может быть получена зависимость КПД передачи информации от величины временной задержки (рис 3). Первые три точки графика соответствуют случаю слабой информационной загрузки ЦРС, когда передача информации обеспечивается без использования свойства временного хранения информации в БЗУ. Далее характер зависимости аналогичен представленной выше на рис. 2 характеристике "(увх ) .

Таким образом, для ЦРС и систем передачи информации может быть также определена полоса пропускания ЦРС по временной задержке на заданном уровне

^пор

ПТ

Установление соответствия между значениями интенсивности входного трафика увх и величинами временной задержки Т в ЦРС позволяет сравнить значения полос пропускания по входному трафику и временной задержке при заданном уровне КПД передачи информации ^пор . Это в свою очередь позволяет дать

практические рекомендации по обеспечению информационного обмена в сети исходя из выбранного критерия поведения ЦРС, в качестве которого может выступать, например: интервал изменения входного трафика, допустимые значения временной задержки, величины потерь пакетов и т. д. Кроме того, представляет интерес исследование механизма выбора различных пороговых значений КПД передачи информации, что позволит классифицировать ЦРС по качеству обеспечиваемого информационного обмена.

Таким образом, предложенный способ оценки информационной эффективности ЦРС позволяет определить интервал входного трафика, в котором система связи функционирует с заданным КПД передачи информации, т. е. обеспечивает требуемую эффективность информационного обмена. Новизна и практическая значимость предлагаемого способа состоят в том, что они позволяют осуществлять интервальную оценку эффективности передачи информации в ЦРС. Этот способ может быть использован, например, для реализации: процедуры управления входным трафиком, регулирования величины временной задержки и потерь информации в сети.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зюко А.Г., Фалько А.И., Панфилов И.П. и др. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации / под ред. А.Г. Зюко. М.: Радио и связь, 1985. 272 с.

2. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: в 2 ч.: пер. с англ. М.: Наука; Гл. ред. физ-мат. лит., 1992. Ч. 1. 336 с.

3. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями: пер. с англ. / под ред. Б.С. Цыбакова. М.: Мир, 1979. 600 с.

4. Шаров А.Н., Степанец В.А., Комашинский В.И. Сети радиосвязи с пакетной передачей информации / под ред. А.Н. Шарова. СПб.: ВАС им. С.М. Буденного, 1994. 216 с.

5. Википедия. URL: ru.rn.wikipedia.org/wiki/QoS (дата обращения: 2.03.2015).

6. Пасечников И.И. Методология анализа и синтеза предельно нагруженных информационных сетей: монография. М.: Машино-строение-1, 2004. 216 с.

7. Межуев А.М. Тензорные методы в теории оценки информационной эффективности и анализа элементов цифровых радиосетей: монография. Тамбов: ИНТЕГРАЦИЯ, 2008. 262 с.

8. Патент № 247928, МПК7 H04L29/00 Способ оценки информационной эффективности системы связи / А.М. Межуев, И.И. Пасечников, А.В. Пономарев, Д.Л. Стуров (РФ). № 2011151376/08. За-явл. 15.12.2011; опубл. 20.03.13. Бюл. № 8.

9. Заявка на изобретение. Способ оценки эффективности информационного обмена системы связи / А.М. Межуев, А.И. Родзевич / заявитель и патентообладатель ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж), заявл. 7.10.2014, № 2014140578.

Поступила в редакцию 28 апреля 2015 г.

Mezhuev A.M., Pasechnikov I.I., Rodzevich A.I. MODE OF AN INTERVAL ESTIMATION OF INFORMATION EFFICIENCY OF DIGITAL RADIO NETWORKS

The operation is dedicated to implementation of a mode of an interval estimation of information efficiency of digital radio networks (DRN) depending on a selected threshold value of the generalized parameter - coefficient of efficiency of an information communication. Result of a designed mode is the determination of an interval of input traffic, in which one DRN operates with a given coefficient of efficiency of an information communication, that is ensures demanded efficiency of an information exchange. It is reached by that in researched DRN values of an efficiency of transfer of the information for different values of intensity of input traffic from minimum up to maximum values with a given pitch of input intensity sequentially pay off and the obtained values to their threshold values of coefficient of efficiency are compared, ground that the interval is defined, in limits which one the information communication from coefficient of efficiency not given below is ensured. The application of such approach allows to enter for DRN and transmission systems of the information the new estimated parameter - passband DRN on input traffic at a given threshold level. The obtained results allow to give the practical guidelines on provision of an information exchange in a network radiating from selected criterion of behaviour DRN as which one can appear, for example: the interval of variation of input traffic, acceptable values of a time delay, value of losses of packets etc. Besides choice of different threshold values of coefficient of efficiency of an information communication will allow to classify DRN on quality of an ensured information exchange.

Key words: a digital radio network; information efficiency; coefficient of efficiency; threshold value; interval of input traffic.

Межуев Александр Михайлович, Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, начальник 123 кафедры передающих и приемных радиоустройств (средств связи и РТО), e-mail: multitenzor@mail.ru

Mezhuev Aleksander Mikhaylovich, Air Force Academy named after professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin, Voronezh, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Chief of 123 Transmitting and Take up Radio (Communication Facilities and Radio Security) Department, e-mail: multitenzor@mail.ru

Пасечников Иван Иванович, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры общей физики, e-mail: pasechni-kov_ivan@mail.ru

Pasechnikov Ivan Ivanovich, Tambov State University named after G.R. Derzhavin, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Professor of General Physics Department, e-mail: pasechnikov_ivan@mail.ru

Родзевич Антон Игоревич, Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, г. Воронеж, Российская Федерация, курсант 12 факультета авиационных средств связи, e-mail: multitenzor@mail.ru

Rodzevich Anton Igorevich, Air Force Academy named after prof. N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin, Voronezh, Russian Federation, Cadet of 12th Faculty of Air Communications Facilities, e-mail: multitenzor@mail.ru