Методы повышения эффективности использования ресурсов геостационарных сетей спутниковой связи Кащеев Алексей Анатольевич

Содержание к диссертации

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ. ОБЩИЙ
ПОДХОД 12

1.1 Общие положения 12

1. Классификация геостационарных сетей спутниковой связи 12

2. Общая структурная схема земной станции спутниковой

связи 17

3. Типовая схема информационного взаимодействия геостационарной сети спутниковой связи. Протоколы модели взаимодействия открытых систем 19

4. Основные энергетические зависимости для линии спутниковой связи 23

1.2 Системный подход к технико-экономической оптимизации
геостационарной сети спутниковой связи 27

1. Разработка методологии технико-экономической оптимизации геостационарной сети спутниковой связи 27

2. Разработка технического задания на геостационарную

сеть спутниковой связи в математической форме 30

3. Разработка задания на программно-алгоритмическое обеспечение геостационарной сети спутниковой связи 32

4. Решение задачи технико-экономической оптимизации геостационарной сети спутниковой связи 36

5. Выводы и постановка общей задачи исследований 40

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ СЕТИ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ПЕРЕДАЧИ
ГОЛОСОВОЙ ИНФОРМАЦИИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 45

2.1 Математическая модель геостационарной сети спутниковой связи
передачи голосовой информации 45

2.1.1 Оценка телефонной нагрузки голосового трафика методами цифрового
спектрального анализа 45

1. Обзор методов цифрового спектрального анализа 45

2. Исследование методов цифрового спектрального анализа для оценки телефонной нагрузки голосового трафика 49

3. Технико-экономическая эффективность применения методов цифрового спектрального анализа 60

2.1.2 Оценка параметров математической модели геостационарной

сети спутниковой связи передачи голосовой информации .'. .64

2.2 Математическая модель геостационарной сети спутниковой
связи передачи данных 77

4. Передача данных по линии спутниковой связи на транспортном уровне 77

5. Обзор и выбор математических моделей массового обслуживания 78

6. Оценка параметров математической модели геостационарной сети спутниковой связи передачи данных 83

2.3 Выводы к главе 2 97

3 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ СЕТИ
СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ 101

7. Классический метод выбора параметров геостационарных сетей спутниковой связи 101

8. Технико-экономическая оптимизация геостационарной сети спутниковой связи передачи голосовой информации 102

3.2.1 Постановка задачи технико-экономической оптимизации

4 геостационарной сети спутниковой связи передачи голосовой

информации 102

3.2.2 Оценка оптимальных параметров геостационарной сети спутниковой

связи передачи голосовой информации 105

3.3 Технико-экономическая оптимизация геостационарной сети
спутниковой связи передачи данных 108

9. Постановка задачи технико-экономической оптимизации геостационарной сети спутниковой связи передачи данных 108

10. Оценка оптимальных параметров геостационарной сети спутниковой связи передачи данных 110

3.4 Информационная эффективность геостационарных сетей спутниковой
связи передачи голосовой информации и передачи данных 113

3.5 Выводы к главе 3 115

Заключение 118

Список использованной литературы 120

Приложение А Значения оптимальных параметров геостационарной

сети спутниковой связи передачи голосовой информации 130

Приложение Б Значения оптимальных параметров геостационарной

сети спутниковой связи передачи данных 140

Приложение В Копии актов о внедрении 146

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АВТ - антенно-волноводный тракт;

АВФ - антенно-волноводный фильтр;

АП - антенный пост;

АР - авторегрессия;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ВОС - взаимодействие открытая система;

ВРК - временное разделение каналов;

ГК - голосовой кодек;

ГСР - геостационарный спутник-ретранслятор;

ГССС - геостационарная сеть спутниковой связи;

ГССС ПГ - геостационарная сеть спутниковой связи передачи голосовой

информации;

ГССС ПД - геостационарная сеть спутниковой связи передачи данных;

ГТ -голосовой трафик;

ДВП - дискретно-временная последовательность;

ДМП - демультиплексор;

ЗС - земная станция спутниковой связи;

КО - каналообразующее оборудование;

КРК - кодовой разделение каналов;

ЛСС - линия спутниковой связи;

ММЭ - метод максимальной энтропии;

МП - мультиплексор;

МСД - многостанционный доступ;

МШУ - малошумящий усилитель;

НЛП - нелинейное программирование при наличии ограничений;

ПКП - последовательное квадратичное программирование;

ПРЧ — преобразователь частот;

ПУК - помехоустойчивое кодирование;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

РЧТ - радиочастотный тракт;

СВЧ - сверхвысокая частота;

СКО - среднеквадратическое отклонение;

СМ - спутниковый модем;

СМО - система массового обслуживания;

СПМ - спектральная плотность мощности;

УМ - усилитель мощности;

ФМ - фазовая манипуляция;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЦРФ - цифровой рекурсивный фильтр;

ЦСА - цифровой спектральный анализ;

ЧНН - час наибольшей нагрузки;

ЧРК - частотное разделение разделение каналов;

ЧЭР - частотно-энергетический ресурс;

ЭИИМ - эквивалентная изотропно-излучаемая мощность.

Введение к работе

Актуальность темы. Создание единого информационного пространства сопровождается бурным развитием систем передачи голосовой информации и данных, где основное место занимают геостационарные сети спутниковой связи (далее - сеть спутниковой связи). Значительный вклад в исследование данной области внесли как отечественные ученые - Зубарев Ю.Б., Кукк К.И., Кантор Л.Я., Шахгильдян В.В., Варакин Л.Е. и др., так и зарубежные - Спилкер Д., Прокис Д., Мидлтон Д., Файнстен Л., Голомб С. и др.

Постоянное увеличение информационных потоков и потребителей информации приводит к необходимости расширения сети спутниковой связи, которое ограничивается высокой стоимостью земных станций спутниковой связи (далее - земная станция) с одной стороны, и дороговизной аренды частотно-энергетического ресурса (далее - ресурс) геостационарного спутника-ретранслятора (далее - спутник-ретранслятор) - с другой.

Решению приведенной проблемы посвящены работы Егорова Н.В., Кантора Л.Я., Талызина Н.В., Томского B.C., Федорова Д.А., в которых рассмотрены вопросы оптимального выбора параметров земных станций по критерию минимизации стоимости комплекта «передатчик - антенный пост» при заданных технических требованиях к сети спутниковой связи. Однако здесь оптимизируемая математическая модель не учитывает ряд параметров, присущих сетям спутниковой связи последнего поколения:

характеристики протоколов передачи информации (объем информационных кадров, соотношение полезной и служебной информации в кадре, механизмы передачи информации и т.д.);

вид помехоустойчивого кодирования;

скорость помехоустойчивого кодирования;

тип передаваемой информации (голосовая информация и данные);

надежность линии спутниковой связи;

- число абонентских источников земных станций (телефонные аппараты,

персональные электронно-вычислительные машины);

- кратность фазовой манипуляции сигналов,
что приводит к неточности полученных результатов.

В данной работе в соответствии с принципами системного анализа в качестве критерия оптимизации предлагается использовать стоимость владения сетью, которая учитывает суммарные затраты на оборудование земных станций и на аренду ресурса спутника-ретранслятора.

Таким образом, в условиях ограниченного финансирования бюджетных организаций, в интересах которых создаются многие современные сети спутниковой связи, является актуальной задача оптимального выбора параметров сети по критерию минимизации стоимости ее владения при заданных технических требованиях.

Цель работы: Целью работы является повышение эффективности использования частотных и энергетических ресурсов геостационарных сетей спутниковой связи передачи голосовой информации и передачи данных.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

разработана методология технико-экономической оптимизации выбора параметров геостационарных сетей спутниковой связи;

проведен анализ и выбор методов цифрового спектрального анализа для оценки телефонной нагрузки голосового трафика;

разработана математическая модель сети спутниковой связи передачи голосовой информации;

разработана математическая модель сети спутниковой связи передачи данных;

математически сформулирована и решена задача технико-экономической оптимизации выбора параметров сетей спутниковой связи передачи голосовой информации и передачи данных при заданных ограничениях на пропускную способность линии спутниковой связи, вероятность ошибки передаваемой информации и количество абонентов земных станций.

9 Методы исследования: В работе широко применялись математические

методы теории массового обслуживания, параметрического и непараметрического

цифрового спектрального анализа, математической статистики, вычислительной

математики, нелинейного программирования. Приведенные теоретические

методы сочетались с экспериментальными исследованиями на ПЭВМ в среде

MatLab.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработана математическая модель сети спутниковой связи передачи голосовой информации, учитывающая влияние объема кадра протокола канального уровня FrameRelay и обеспечивающая возможность повышения частотной эффективности сети до 41 % при вероятности ошибки передаваемой информации 10" ;

разработана математическая модель сети спутниковой связи передачи данных, учитывающая влияние информационных характеристик протокола транспортного уровня TCP и обеспечивающая возможность повышения частотной эффективности сети до 41 % при вероятности ошибки передаваемой информации 4*10"⁶;

получены алгоритмы оптимального выбора внутренних параметров математических моделей геостационарных сетей спутниковой связи по критерию минимизации стоимости владения сетью, обеспечивающих возможность повышения информационной эффективности сети спутниковой связи передачи голосовой информации на 24 % и данных - на 3,5 % при вероятностях ошибки передаваемой информации 10" и 4*10" соответственно.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение в опытно-конструкторских работах на создание систем спутниковой связи в интересах Министерства обороны Российской Федерации в Федеральном государственном унитарном предприятии "Особое конструкторское бюро "Спектр" (ФГУП "ОКБ "Спектр").

10 Представленные в работе математические выражения и алгоритмы могут

применяться на эскизном и техническом проектировании систем спутниковой

связи с целью минимизации стоимости владения последних при прочих равных

технических условиях.

Основные положения, выносимые на защиту:

математическая модель сети спутниковой связи передачи голосовой информации, учитывающая влияние объема кадра протокола канального уровня FrameRelay на оценку ее выходных параметров и обеспечивающая возможность повышения частотной эффективности сети до 41 % при вероятности ошибки передаваемой информации 10" ;

математическая модель сети спутниковой связи передачи данных, учитывающая влияние информационных характеристик протокола транспортного уровня TCP и обеспечивающая возможность повышения частотной эффективности сети до 41 % при вероятности ошибки передаваемой информации 4*10"⁶;

алгоритмы оптимального выбора внутренних параметров математических моделей сетей спутниковой связи по критерию минимизации стоимости владения сетью, обеспечивающие повышение информационной эффективности сети спутниковой связи передачи голосовой информации на 24 % и данных - на 3,5 % при вероятностях ошибки передаваемой информации 10~⁶ и 4*10"⁶ соответственно.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Научно-техническая конференция "Методы и устройства формирования сигналов в информационных системах", г. Рязань, 2004.

2. 30-я межвузовская научно-практическая конференция "Информационно-телекоммуникационные технологии", г. Рязань, 2004.

3. Всероссийский научно-практический семинар "Сети и системы связи", г. Рязань, 2005.

4. Научная сессия МИФИ "Компьютерные науки. Информационные технологии", г. Москва, 2005.

5. 14-я международная научно-техническая конференция "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций", г. Рязань, 2005.

6. Научная сессия МИФИ "Компьютерные науки. Информационные технологии", г. Москва, 2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. Из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 статья в межвузовском сборнике научных трудов, 11 тезисов докладов на конференциях.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 117 наименований и 3 приложений. Диссертация содержит 129 страниц, в том числе 11 таблиц и 67 рисунков.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю д. т. н., проф. Кошелеву В. И. за неоценимую помощь и моральную поддержку, оказанную в процессе работы над диссертацией. Автор также благодарит своих коллег, аспирантов и сотрудников кафедр РТС, САПР ВС, РУС и РТУ за высказанные замечания, содействие и помощь в процессе работы и оформления диссертации. Выражаю особую благодарность своим родным и близким за предоставленную возможность заниматься научной деятельностью.

Похожие диссертации на Методы повышения эффективности использования ресурсов геостационарных сетей спутниковой связи

Метод повышения эффективности обработки видеоинформации с использованием распределенных вычисленийЕрмаков, Александр Вадимович

Использование моделей искусственного интеллекта и интерактивных методов обработки информации в целях повышения эффективности управления торговлей и услугами промышленных предприятийАлексеев Владимир Владимирович

Разработка методики повышения эффективности использования вычислительных ресурсов при применении технологии виртуальных машин Рахман Павел Азизурович

Повышение эффективности использования информационных ресурсов электроэнергетического предприятия на основе применения графовых моделейЗайцев, Олег Владимирович

Системный анализ и направления повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на газоперерабатывающих предприятияхВинниченко Николай Васильевич

Повышение эффективности целевого применения систем управления подразделениями МЧС России на осное рационального использования потенциала социальных ресурсовСурмило Андрей Валентинович

Научно-технические разработки по усовершенствованию протокола резервирования ресурсов в пакетных сетях связи Виноградов Алексей Юрьевич

Разработка методики оптимизации распределения ресурсов центров обработки данных в сети интернетТутова Наталья Владимировна

Разработка методов и алгоритмов имитационного моделирования интеллектуальных сетей связиКузякин Максим Александрович

Методы адаптивного управления информационными потоками в корпоративных сетях связиНизамов Шамиль Ранисович