Методика установления требуемых рабочих характеристик и ее оптимизация для пакетных приложений ip в подвижной спутниковой службе
жүктеу/скачать 174.46 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 2 Физический уровень (Уровень 1)
- 2.2 Функции физического уровня
- 3 Уровень протокола управления доступом (Уровень 2)
- 4 Указания по проектированию системы пакетной передачи данных IP в ПСС, которая может влиять на рабочие характеристики сетевого уровня (Уровень 3) и более высоких уровней
- 4.1 Коэффициент ошибок по битам
- 4.2 Буферизация и управление потоками
- 4.3 Автоматический запрос на повторение (ARQ)
- 2 Коэффициент ошибок в пакете IP
- 3 Коэффициент потерь в IP-пакете
- 4 Задержка передачи IP-пакета (IPTD)
- 5 Отклонение задержки передачи IP-пакета
- 2 Проблемы сквозных соединений с большой задержкой на время распространения сигнала
- 3 Методика улучшения пропускной способности TCP-протокола
- 4 Предполагаемая пропускная способность TCP
- 5 Другие методики улучшения рабочих характеристик TCP/IP-протокола
Рек. МСЭ-R М.1741 рекомендациЯ МСЭ-R М.1741* Методика установления требуемых рабочих характеристик и ее оптимизация для пакетных приложений IP в подвижной спутниковой службе (Вопросы МСЭ-R 85/8, МСЭ-R 87/8, МСЭ-R 112/8 и МСЭ-R 233/8) (2006)
В настоящей Рекомендации предлагается методика установления требуемых рабочих характеристик и ее оптимизация для пакетных приложений IP в подвижной спутниковой службе. Указания по рабочим параметрам и требуемым характеристикам для физического уровня и уровня протокола управления доступом (MAC Medium Access Control), методика установления требуемых рабочих характеристик, а также указания по оптимизации рабочих характеристик протокола TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) для пакетных приложений IP в подвижной спутниковой службе содержатся, соответственно, в Приложениях 1, 2 и 3 к данной Рекомендации. Ассамблея радиосвязи МСЭ,
a) что пакетная передача на основе протокола Интернет (IP) стала одним из основных способов передачи данных в современных сетях связи, включая подвижные спутниковые системы; b) что номинальные эталонные цепи, технические параметры, рабочие характеристики и требования к готовности уже были оговорены для стандартных подвижных спутниковых служб (ПСС) в нескольких существующих Рекомендациях; c) что технические параметры и рабочие характеристики должны быть определены на основе пакетных уровней IP-протокола в дополнение к основным рабочим характеристикам канала цифровой передачи данных для ПСС; d) что в Рекомендации МСЭ-R М. 1636 приведены определения для эталонных моделей и рабочих характеристик в качестве технической основы для разработки пакетных приложений IP в ПСС; e) что необходимы указания к требуемым рабочим характеристикам физического и канального уровней систем ПСС, обслуживающих пакеты IP, вместе с методикой установления требуемых рабочих характеристик пакетной передачи IP, для обеспечения эффективного использования системой ресурсов частотного спектра; f) что протокол управления передачей (TCP) является одним из самых широко распространенных транспортных уровневых IP-протоколов и требует особого внимания к вопросу оптимизации рабочих параметров, если применяется в системе с большой задержкой передачи, такой как линия связи ПСС,
Указания к требуемым рабочим характеристикам для пакетной передачи IP в ПСС 1 ВведениеДля обеспечения допустимости и необходимой обработки параметров спутниковой линии связи (таких, как большая задержка передачи, переменная частота появления ошибок, периодические сбои связи) оконечные устройства в ПСС предъявляют несколько требований к рабочим характеристикам в зависимости от используемых протоколов. Рассматриваемые протоколы, работающие с пакетной передачей IP через спутниковую линию связи, включают в себя физический уровень (PHY) и уровень протокола управления доступом к среде передачи (MAC). В данном разделе определены параметры и рабочие характеристики уровней PHY и MAC, соответствующие рабочим характеристикам пакетной передачи IP через линию связи ПСС. 2 Физический уровень (Уровень 1)2.1 Пакетный канал многостанционного доступаРадиоканалы и их ресурсы обычно используются разным количеством подвижных спутниковых оконечных устройств для соединения со спутниковым шлюзовым доступом через линию связи ПСС для обеспечения пакетной передачи IP. Механизмы совместного использования радиоканалов и их ресурсов для пакетного многостанционного доступа представляют собой сочетание технологий. Одним из возможных методов управления ресурсами для подвижных спутниковых оконечных устройств с целью доступа к радиоканалам является использование каналов в прямом направлении на основе уплотнения с временным разделением каналов (TDM) и в обратном направлении на основе многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA). В этом случае каждый спутниковый шлюзовый доступ координирует группу каналов прямой (to-mobile) и обратной (from-mobile) связи. Кроме того, спутниковые оконечные устройства могут поддерживать одну и более пару передачи/приема. Многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA) для физического уровня требует определенных поэтапных протоколов передачи, которые подробно описаны в § 4.4. 2.2 Функции физического уровняФизический уровень отвечает за передачу потока двоичных сигналов через спутниковый канал связи и выполняет следующие функции: Для передатчика: – кодирование, шифрование и чередование; – модуляция закодированного потока двоичных сигналов; – передача модулированного сигнала на мультиплексированный канал. Для приемника: – прием модулированного сигнала; – демодуляция сигнала в поток закодированных двоичных сигналов; – декодирование, дешифровка и противоположное чередование. На физическом уровне полный кадр передается вместе с информацией об измеренных параметрах спутникового сигнала, таких как синхронизация и уровень мощности.
– задание адреса физического устройства или логического соединения, планирование ресурсов передачи информации между этими объектами в прямом и обратном направлениях на пакетный мультиплексный канал; – упаковка и распаковка IP-пакетов в кадры MAC, включая сегментацию и повторную сборку по требованию; – буферизация и управление потоками информации с верхних уровней (например, на IP уровне); – автоматический запрос на повторение (ARQ) (если требуется особое соединение, чувствительное к ошибкам).
таблица 1 Пример параметров коэффициента ошибок по битам (BER)
Значения в таблице 1 измерены после установления синхронизации сигнала. Во время измерения данных учитывались такие возможные причины ухудшения BER, как фазовый шум, выпадение из синхронизации, проскальзывание синхронизирующего или тактового импульса и проскальзывание цикла, но не принималось в расчет любое ухудшение характеристик, вызванное сцеплением пакетов в связи с многолучевым замиранием, блокировкой, экранированием или влиянием соседнего канала. 4.2 Буферизация и управление потокамиПеред передачей через пакетный канал многостанционного доступа физического уровня IP-пакеты, поступающие с высших уровней (т. е. с сетевого уровня IP), буферизуются на MAC-уровне, на подуровне соединения. Механизм контроля и размер буфера влияют на рабочие характеристики пакетной передачи IP. Например, если размер буфера достаточно большой, снижается риск потери пакета вследствие переполнения буфера, в то же время задержка из-за буферизации может увеличиваться, если объем буфера слишком большой. Таким образом, необходимо тщательно выверить механизм контроля буфера и его размер с учетом компромисса между потерями и задержки пакетной передачи IP. 4.3 Автоматический запрос на повторение (ARQ)MAC-уровень обеспечивает надежную передачу пакета, посредством этого информация доставляется последовательно и без ошибок за счет увеличения задержки передачи. Механизм поддержки автоматического запроса на повторение также должен быть выбран таким образом, чтобы сбалансировать количество ошибок передачи и параметры задержки. 4.4 ПланированиеПланирование – это процесс распределения ресурсов пакетного канала многостанционного доступа для каждого соединения, которое обеспечивается спутниковым шлюзом. Простой метод распределения ресурсов – принцип "первым пришел – первым обслужен" (FIFO), в котором ни у одного соединения нет преимущества перед остальными. Для дифференциации преимущества каждого соединения планирование может быть основано на качестве параметров обслуживания каждого соединения. Кроме того, для определения преимущества передачи данных в процессе планирования может использоваться статус очередности для других соединений. Приложение 2 Методика установления требуемых рабочих характеристик для пакетной передачи IP в ПСС 1 ВведениеДля пакетных приложений IP основные определения рабочих характеристик и требований к ним представлены в Рекомендациях МСЭ-Т Y.1540 и Y.1541, соответственно. Для пакетной передачи данных IP с использованием ПСС главные компоненты таких рабочих характеристик определяются сквозным каналом связи ПСС. С учетом свойств и рабочих характеристик каналов связи ПСС, указанных в предыдущем разделе, в настоящем разделе суммируются некоторые возможные методики установления требуемых рабочих характеристик пакетной передачи IP через каналы ПСС. В данном разделе канал связи ПСС или спутниковое подразделение относится к спутниковой линии связи между спутниковыми оконечными устройствами доступа как на подвижных, так и на земных станциях межсетевого сопряжения через спутник в соответствии с рисунками 1 и 2 Рекомендации МСЭ-R М. 1636. 2 Коэффициент ошибок в пакете IPВ Рекомендации МСЭ-Т Y.1540 коэффициент ошибок в пакете IP (IPER) определен как отношение количества всех пакетов, содержащих ошибки, к общему количеству пакетов, переданных как успешно, так и с ошибками. Пакет определяется ошибочным в том случае, когда двоичное содержание полей доставленного пакета информации не полностью соответствует содержанию полей изначального пакета или что одно или более полей заголовка доставленного пакета повреждены. Теоретически возможно установить коэффициент ошибок в пакете IP, вызванных передачей ошибочных пакетов через линию связи ПСС, учитывая рабочие характеристики цифровой передачи, оговоренные для линий ПСС. Если предполагается наличие случайной ошибки, коэффициент ошибок в пакете IP, представляющий собой вероятность того, что по меньшей мере один бит информации поврежден, может быть статистически выведен по формуле:  , (1)
где:
BER: коэффициент ошибок по битам после применения возможных схем упреждающей коррекции ошибок (FEC) Packet_size: размер пакета IP в байтах, переданный по линии связи ПСС. Например, в Рекомендации МСЭ-R М.1476 оговорено, что требуемые рабочие характеристики для ПСС, являющейся частью цифровой сети с интеграцией служб (ISDN), определяют величину коэффициента ошибок по битам менее чем 9 10–7. Если размер IP-пакета составляет 1500 байт, коэффициент ошибок в IP-пакете для системы, соответствующей Рекомендации МСЭ-R, будет составлять 1 10–2. Обычно предполагается, что между сокращением количества пакетных ошибок и сокращением задержки передачи будет достигнут баланс. Подобный баланс зависит от конструкции системы. Для приложений, чувствительных к ошибкам, в Рекомендации МСЭ-Т Y.1541 оговаривается, что требуемое рабочее значение коэффициента ошибок в IP-пакете предварительно не должно превышать 1 10–4. Для выполнения Рекомендации МСЭ-Т в части качества обслуживания приложений, чувствительных к ошибкам, можно применить схему автоматического запроса на повторение к линии связи ПСС, что позволит улучшить значение коэффициента ошибок в IP-пакете за счет увеличения задержки передачи. Для приложений, чувствительных к задержкам передачи, невозможно применить ни одну из методик повторной передачи, подобных автоматическому запросу на повторение. Таким образом, коэффициент ошибок в IP-пакете определяется только рабочими характеристиками спутникового канала, такими как коэффициент ошибок по битам и размер каждого IP-пакета, Packet_size, значения которых следует тщательно определять самой конструкцией системы.
Коэффициент потерь в IP-пакете, вызванных переполнением пакетами из буфера передач, зависит от следующих параметров: – процесс поступления IP-пакетов; – размер буфера передач на интерфейсе соединения линии ПСС с наземной станцией; – схема планирования передачи IP-пакетов через линию связи ПСС. Общепризнано, что процесс поступления пакетных приложений IP носит переменный характер. Например, определена модель рабочей нагрузки сети (трафика) для просмотра веб-страниц с целью оценки технологии радиопередач в мобильных средствах связи1. В данной модели используется процесс поступления пакетов по так называемому принципу "включено-выключено". Периоды включения и выключения соответствуют сериям пакетов для загрузки файла и для времени считывания файла, соответственно. Данная модель дает хорошее представление о работе просмотра веб-страниц; тем не менее, для оценки рабочих характеристик пакетных приложений IP со сложной моделью трафика и переменным характером поступления данных не было ни описано, ни утверждено ни одного аналитического метода. Одним из возможных способов оценки IPLR при переменном характере трафика является моделирование очереди с соответствующими допущениями на упомянутые выше параметры. Предполагая, что процесс поступления IP-пакетов является пуассоновским и буфер ограничен с помощью планировщика "первым пришел первым обслужен", теоретически возможно рассчитать IPLR , вызванных переполнением буфера, путем анализа очередности M/M/1/K следующим образом:
где:
K: размер буфера в количествах пакетов : интенсивность нагрузки сети (трафика), т. е. = · h : частота поступления пакетов (число пакетов в секунду)
где:
N: число повторных передач согласно автоматическому запросу на повторение Tn,propagation: задержка на время распространения сигнала по линии связи ПСС для n-ой передачи Tn,processing: задержка обработки для передачи пакета по спутниковому каналу и адаптация для n-ой передачи по линии связи ПСС Tbuffer: задержка буферизации на интерфейсе соединения линии ПСС с наземной станцией. Стандартные значения для задержки на время распространения сигнала, Tn,propagation, а также отклонения задержки для различных систем ПСС содержатся в Рекомендации МСЭ-R М.1636. Для негеостационарных (средневысотных) систем ПСС Tn,propagation составляет 69 мс на подспутниковой точке и 103 мс на границе зоны спутниковой связи. Задержка обработки пакета, Tn,processing, зависит от следующих параметров системы ПСС для передачи IP-пакета: – схема упреждающей коррекции ошибок; – структура кадра для линии связи ПСС; – длина пакета и скорость его передачи (бит/с); – схема планирования передачи IP-пакетов по линии связи ПСС. Эти параметры содержатся в требуемых рабочих характеристиках физического и канального уровней ПСС. Задержка буферизации, Tbuffer, может быть установлена путем анализа постановки пакетов в очередь или через изучение типов моделирования, если для процесса поступления пакетов допускается соответствующая модель, размер буфера и схема планирования и кадрирования IP пакета по линии связи ПСС. В Рекомендации МСЭ-Т Y.1541 требуемые рабочие характеристики для задержки передачи пакетов определены как среднее значение IPTD. Для систем, чувствительных к задержкам, где не предусмотрена повторная передача пакета, среднее значение IPTDsat, Для приложений, чувствительных к ошибкам, значение Для автоматического запроса на повторение передачи с остановкой и ожиданием значение где:
: скорость поступления пакетов (пакет/с)  p: коэффициент ошибок в IP-пакете (IPER)
TD: задержка в оба конца на линии ПСС, TD = 2Tpropagation + Tdata,processing + Tack,processing Tpropagation: среднее значение задержки на время распространения сигнала через линию связи ПСС Tdata,processing Tack,processing: среднее значение задержки обработки для пакета данных и подтверждение пакета, соответственно. Для автоматического запроса на повторение передачи с возвращением к N значение  (7)
 (8)
 . (9)
Наконец, для автоматического запроса на повторение передачи с выборочным повтором значение  (10)
 (11)
5 Отклонение задержки передачи IP-пакетаОпределение отклонения задержки передачи IP-пакета (IPDV) описано в Приложении IV Рекомендации МСЭ-Т Y.1541, при этом нужно учитывать различные действующие факторы. К тому же колебания задержки на время распространения сигнала также влияют на отклонение задержки передачи IP-пакета через негеостационарную линию связи ПСС, для которой стандартные значения отклонения задержки на время распространения сигнала приведены в Рекомендации МСЭ-R М.1636. В целом при определении отклонения задержки передачи IP-пакета через линию связи ПСС должны приниматься во внимание вышеупомянутые факторы, и вычисление данного параметра путем анализа очередизации представляется крайне затруднительным. Возможным способом определения отклонения задержки передачи через линию связи ПСС является создание функции распределения для IPTD путем измерения существующих стандартных систем ПСС или путем моделирования. Приложение 3 Указания по оптимизации рабочих характеристик пакетных приложений IP в ПСС 1 ВведениеНа сегодняшний момент в сфере передачи информации через интернет TCP-протокол является доминирующим протоколом транспортного уровня на уровне IP. Рабочие характеристики передачи IP-пакета через TCP-протокол в первую очередь определяются шириной полосы пропускания и задержкой передачи. Когда задержка на время распространения сигнала становится слишком большой, как это происходит для спутниковых линий связи, пропускная способность TCP-протокола может значительно ухудшиться. Например, если полный цикл обмена пакетами составляет 200 мс и размер окна установлен в 8 килобайт, пропускная способность TCP-протокола ограничена 310 кбит/с независимо от ширины полоса сетевого доступа. Чтобы контролировать большие задержки передачи на линии ПСС, в ныне существующих операционных системах в различных ядрах программных модулей TCP широко используется опция масштаба окна, которая позволяет TCP-протоколу использовать размер окна больше, чем 64 килобайта. В данном разделе описывается настройка масштаба окон в TCP-протоколе для большой задержки на время распространения сигнала. 2 Проблемы сквозных соединений с большой задержкой на время распространения сигналаTCP-протокол выполняет сквозной контроль потоков между конечными оконечными устройствами, используя сдвиги в принципах работы окон, как показано на рисунке 1. Контроль потока данных осуществляется ядром программы TCP на персональном компьютере или на рабочей станции. Размер окна используется для контроля потока данных и определяет количество данных, которые могут быть переданы без подтверждения. Максимальный размер окна TCP обычно составляет 64 и 8 килобайт. Этот маленький размер окна имеет серьезные недостатки, если задержка на время распространения сигнала на линии очень большая, например, задержка в 80 мс между восточным побережьем США и Японией через оптоволоконный кабель. Как показано на рисунке 1, отправляющее оконечное устройство TCP не может посылать информацию, даже если доступ к линии не занят, потому что подтверждение не посылается обратно в течение многих часов. Рисунок 1
Рисунок 2 Последовательность сквозного контроля потоков при подходящем размере окна 
4 Предполагаемая пропускная способность TCPПри условии что в широкой сетевой поверхности нет потерь сегментов TCP, предполагаемая пропускная способность TCP рассчитывается по следующему уравнению: "Предполагаемая пропускная способность TCP" = "Максимальный размер окна TCP"/("полный цикл (RTT) между отправителем TCP и получателем" + "время отправления сегмента TCP отправителю"). В таблице 2 показаны отношения между полным циклом передачи данных и предполагаемой пропускной способностью для двух типов максимального размера окна TCP. Значения вычислялись при условии, что максимальный размер сегмента составляет 1460 байт (т. е. максимальная единица передачи имеет размер 1500 байт) и скорость линии доступа отправителя составляет 400 кбит/с как узкое место полосы пропускания (т. е. время отправления сегмента TCP будет 0,03 с). таблица 2
По результатам таблицы 1 в Приложении 1 максимальный размер окна TCP нужно настроить в соответствии с полным циклом между отправителем и получателем TCP. Необходимо обратить внимание на то, что предполагаемая пропускная способность TCP должна быть связана с узким местом полосы пропускания (т. е. полосы пропускания линии ПСС), если значение узкого места полосы пропускания ниже результатов расчета. Таким образом, если пропускная способность TCP в таблице 2 ниже значения узкого места полосы пропускания линии спутникового доступа ПСС, максимальный размер окна TCP должен быть больше, так чтобы полоса пропускания могла эффективно использоваться при передаче IP-пакета. 5 Другие методики улучшения рабочих характеристик TCP/IP-протоколаДругим возможным методом для улучшения рабочих характеристик TCP/IP-протокола в спутниковых каналах передачи является использование метода расщепления сегментов. Сквозная сессия TCP расщепляется на два или три сегмента таким образом, что сегмент спутниковой линии с большой задержкой передачи не ухудшает сквозные характеристики TCP/IP-протокола. В МСЭ-R данный метод расщепления был тщательно изучен, и результаты данного исследования изложены в Рекомендации МСЭ-R S.1711. Определения, данные в Рекомендации МСЭ-R S.1711, и результаты экспериментальных испытаний обеспечивают полное понимание метода и его влияния на улучшение рабочих характеристик TCP/IP-протокола. ________________ *Настоящая Рекомендация должна быть доведена до сведения 4-й Исследовательской комиссии по радиосвязи и 13-й Исследовательской комиссии по стандартизации электросвязи. 1UMTS TR 101 112, "Процедуры отбора технологий радиопередачи для Универсальной системы мобильной связи", апрель 1998 года. жүктеу/скачать 174.46 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|
, (2)
, (3)
, может быть легко вычислено как сумма Tn,propagation, Tn,processing и Tbuffer.
может быть вычислено следующим образом:
(4)
(5)
, (6)
. (12)