Планирование и распределение спутниковых линий в сети связи на базе малых станций VSAT

Министерство образования Российской федерации

Саратовский государственный технический университет 
 
 
 
 
 

Кафедра радиотехники 
 
 
 
 

Курсовая  работа

по  курсу «Сети ЭВМ: протоколы и интерфейсы» 
 
 

Планирование  и распределение  спутниковых линий  в сети связи на базе малых станций VSAT 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

             Выполнил: Белоручкин А.

                                          группа РТ-22

                               Проверил:  Ширишин С.И. 
 
 
 

Саратов 2005 г.

Цель  работы: на основе исходных данных рассчитать количество необходимых периферийных линий в сети связи на базе малых станций VAST. Определить Оптимальный метод доступа. 

Спутниковая сеть с использованием VSAT является  интегрированной системой связи, которая связывает дуплексными спутниковыми линиями географически распределенных пользователей через геостационарный спутник связи.

    В  сети VSAT имеется два типа линий:  главные и периферийные. Главные линии - это выходящие от ЦЗС к удаленным VSAT линии, а периферийные - линии от VSAT к ЦЗС.

      Главная линия. Выходящая TDM линия представляет собой непрерывный поток бит со скоростью 512 кбит/с, состоящий из объединенной (мультиплексированной) последовательности пакетов различной длины. Контроллеры портов данных ЦЗС регулярно опрашивают в соответствии с классом услуг каждый порт, выдавая к передаче несколько или все пакеты очереди прежде чем опросить следующий порт. Каждый порт данных передает пакеты по принципу «первым пришел – первым ушел».

     Периферийная линия. Входящие TDMA линии представляют собой составные, независимые потоки бит со скоростью 128 кбит/с. Данные пользователей в виде пакетов передаются как блоки. Станции могут передавать данные внутри временных интервалов (множества слот) на основе любого из трех методов доступа:

1.   Случайная Алоха. В этом режиме множество слот одновременно доступны многим пользователям, а следовательно, могут возникать наложения пакетов (конфликты), что требует их повторной передачи, как в методе захвата несущей с конфликтами. Случайная Алоха хорошо подходит для передачи данных большим числом пользователей (портов) с редкими трафиком в виде коротких сообщений и где важным является небольшое среднее время ответа.  Хотя среднее время ответа может быть минимизировано, ответное время будет случайно отклоняться в широкой области от среднего. В сети удаленные пользователи используют этот протокол также для передачи служебных кадров и запросов на резервирование слот. Однако такие каналы конфигурируются отдельно как каналы управляющей Алохи.

2.   Передача с резервированием. Режим используется для передачи данных в пределах выделенных кадров, в которых другие станции не могут иметь доступ к периферийной линии. При этом требование на резервирование может быть передано в ЦЗС по каналам управляющей Алохи или в процессе передачи присоединением к текущему пакету данных соответствующего запроса на резервирование («piggybacking»). Доступ с резервированием использует пропускную способность спутниковой связи наиболее эффективно для трафика с длинными сообщениями или больших массивов данных. Время ответа для этого типа доступа обычно больше, чем в случае других технологий, но не существенно отличается от среднего.

3.   Потоковая передача. Периферийным станциям может быть выделены кадры на основе логики создания виртуального канала, позволяющего воспринимать выделенный ресурс как физическую линию. Этот доступ лучше всего подходит для пользователей, которым требуется высокая пропускная способность. Размеры сообщений могут быть постоянной или переменной длины, но трафиковый поток должен быть постоянным и мощным. Время ответа практически постоянно и близко к среднему времени ответа случайной Алохи. Другое применение - передачи голосового трафика. 

Исходные  данные: 

1.   Средняя  длина сообщений периферийной  линии – 1000 байт.

2.    Средняя длина сообщений основной линии – 3000 байт.

3.  Скорость  поступления сообщений (с учетом  пиковой загрузки)– 43      сообщ./час/VSAT.

4.    Среднее время ответа – 6.3 с.

5.    Время ответа в 95% случаев  – 8.8 с.

6.    Число удаленных станций (VSAT) – 320

7.     Коэффициент использования периферийной линии методом Алохи – 5%

8.   Коэффициент  использования периферийной линии  методом передачи с   резервированием – 3,4%

9.    Скорость канала основной линии   – 512 Кбит/с

10.  Коэффициент  использования основной линии  – 80% 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  количества главных  линий: 

Общий трафик = трафик выделений  на резервирование + трафик подтверждения + трафик данных + трафик синхронных данных + служебный трафик

трафик  выделений на резервирование:

ТР=320*0,012*(17*8)=0,52224 бит/с

трафик  подтверждения:

ТП=(0,012*1+0,012*1+0,012*1)*(10*8)=0,00288 бит/с

трафик  данных:

ТД=((3000/246*10)+3000)*8*1=25,04 Кбит/с

трафик  синхронных данных:

ТС=512+n*1,7778  n=3000/512

ТС=512+6*1,7778=512+10,67=522,67 Кбит/с

служебный трафик:

СТ=12 Кбит/с

общий трафик:

ОТ=12+522,67+25,04+0,00288+0,52224=560,23 Кбит/с

Потенциальная емкость одной  основной линии при 80% использования:

Е=(512-12)*0,8=400 Кбит/с

Количество  основных линий:

N=ОТ/Е N=560,23/400=1,4 ≈2 основные линии 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчет  периферийных линий: 

1. Трафик случайной Алохи

Средняя скорость передачи пакетов одной станцией, включая ответы на подтверждение, равна:

R=0.012 сообщ./с +0.012 сообщ./с*50% (для АСК) = 0,018 сообщ./с.

Общая скорость передач всех станций равна:

R_n = 0,018 сообщ./с*320 = 5,76 сообщ./с.

Для методов случайная Алоха и передача с резервированием 50%  подтверждений АСК будет передаваться путем присоединения ответа к последнему сообщению, что уменьшает число отдельно передаваемых пакетов АСК приблизительно на 50%.

Для 320 станций  при 5% использовании каналов Алоха (коэффициент использования канала определяется исходя из требуемого времени  ответа) необходимое число каналов  Алоха равно:

N = 5,76 сообщ./с*0.045с/0.05 = 5,184 ≈ 6 каналов на кадр.

Исходя из длины сообщений, передача этих сообщений методом Алоха будет требовать пять блоков периферийной линии, т.е. размер каждого канала будет равен

1000 байт/5 блока + 18 байт  заголовка ≈ 224 байт (делается округление  кратное 8).

Поскольку размер суперкадра TDMA равен 720 байтам, а заголовок – 32 байта, то общее количество доступных байт равно

(720 – 32) байт = 688 байт.

Следовательно, для передачи данных одной периферийной линией требуется

688 байт/224 байт  ≈  3 канала/линия.

Окончательно, для передачи всего трафика потребуются

6 каналов Алоха/3 канала/линия  = 2 периферийные линии.

2. Трафик передачи  с резервированием.

Канал запроса  на резервирования работает в режиме протокола Алоха с блоками  фиксированного размера 32 байт. Расчет строится исходя из скорости входящих в ЦЗС сообщений. Значение коэффициента использования канала Р_а берется 3,4%.

Общая скорость сообщений в сети равна

R={0.012 сообщ./с +0.012 сообщ./с*50% (для АСК)}*320 VSAT = 5,76 сообщ./с

Отсюда число  требуемых каналов резервирования равно:

N=5,76 сообщ./с*0.045 c/0,034 = 8 каналов.

Предполагая, что периферийная линия может  обеспечить 21 управляющих канала (688 байт/32 байта), получаем следующее требуемое  количество периферийных линий для  запросов на резервирование (методом  Алоха)

8 каналов/21 управл. канал  = 0.38 периф. линий.

Теперь определим  общую скорость передачи сообщений  одной станцией.

Для этого  вычислим следующие скорости:

0.012 сообщ./с*1000 байт*8 = 96 бит/с,

0.012 сообщ./с*28 байт (управления)*8 = 2,68 бит/с,

0.012 сообщ./с*18 байт (заголовка)*8 = 0,216 бит/с.

Складывая, получаем

(96 + 2,68+ 0,216) бит/с = 98,9 бит/с.

Следовательно, требуемая пропускная способность  в сети равна

98,9 бит/с *320 VSAT=31648 бит/с.

Поскольку реальная скорость передачи данных, поддерживаемая одной периферийной линии, равна  128кбит/с – 5 кбит/с (управляющий поток) = 122 кбит/с, то требуемую пропускную способность (доступ без столкновений) обеспечивает

31,618кбит/с/122 кбит/с = 0.26 линий.

Следовательно, всего потребуется 

    0.38 линий (с конфликтами) + 0.26 линий (без конфликтов)  = 0,64 ≈ 1 линия.

 Последним  шагом является проверка загрузки  выделенной (зарезервированной) части  ресурсов периферийной линии.  Коэффициент загрузки  вычисляется  следующим образом:

        (320 VSAT *0.012 сообщ./с*0.045 с)/1сообщ./кадр = 0.178 = 17.8%. 
 
 
 

3. Потоковый трафик: 

Одним из основных параметров, характеризующих потоковую  передачу, является среднее время  ответа. В нашем случае время ответа равно 2*3.15 с, т. е. время ожидания  в одном направлении равно 3.15 с.

Видно, что 3.15 с меньше чем длительность 9 суперкадров (1 суперкадр = 0.36 с) (9*0.36=3.24 с). Поскольку в среднем будет занята половина потокового периода прежде чем возможна следующая передача (в нашем случае это - половина суперкадра или 0.18 с), то можно предположить, что одна передача потока на суперкадр (Т0=0.36 с) в 8-х суперкадрах достаточна, чтобы доставить полное сообщение. Поскольку каждая передача включает в себя полный 18 байтовый заголовок, то размер потокового блока в одном суперкадре  будет равен 

(1000байт/8суперкадра) + 18 байт заголовка = 144 байт (округлено кратно 8). 

Отсюда (при  одной передаче на суперкадр)  возможное  количество потоковых каналов на суперкадр  составит: 

688байт/144байт  ≈ 5 каналов/суперкадр. 

Так как в  суперкадре содержится 8 кадров, то потенциальная емкость одной периферийной линии равна 

5 каналов/кадр*8кадров = 40 каналов/суперкадр. 

Следовательно, для передачи трафика всеми станциями (каждой станции требуется один канал) достаточно 

320 станций*1канал/40каналов/суперкадр  = 8 периферийная линия. 

Аналогичный результат может быть получен, если подразумевать,  что  скорость потокового трафика r ≈ 2,8 кбит/с ( (144-18)байт*8/0.36с ≈ 2,8 кбит/с). 
 
 
 
 
 

Полученные  результаты. Выводы: 

В ходе проведенных  расчетов были получены следующие результаты:

Общий трафик основных линий: 4,5 Кбит/с

Число периферийных линий  c методом доступа Алоха: 2 линии

Число периферийных линий  c доступом передача с резервированием: 1 линия

Число периферийных линий  c доступа потоковым трафиком: 8 линий 

   Следовательно, можно сделать вывод: Наиболее рациональным для периферийных линий в нашем случае будет использование метода доступа “передача с резервированием”. В таком случае мы задействуем только одну  периферийную линию связи, что существенно снизит финансовые и энергозатраты, по сравнению с использованием методов доступа потоковым трафиком и случайной Алохи (8 и 2 линии соответственно).