СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КАНАЛОВ В СПУТНИКОВОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2017 года по МПК H04J4/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области радиосвязи, а именно к способам резервирования и распределения пропускной способности в спутниковых сетях с передачей мультимедийного пакетного трафика, обеспечивающих высокую эффективность использования пропускной способности спутниковых каналов при допустимой задержке передачи.

В спутниковых сетях с передачей мультимедийного пакетного трафика (IP-телефония, видеотелефония, высокоскоростная передача мультимедийной информации), выделение ресурса пропускной способности каналов для активных спутниковых терминалов осуществляется с помощью схемы BoD (Bandwidth on Demand - предоставление ресурса по требованию), имеющей различные варианты реализации в соответствии со стандартами DVB-RCS (ETSIEN 301790 v1.5.1, 2009 г.), DVB-RCS2 (ETSIEN 101545 v1.1.1, 2012 г.). Однако в области резервирования и распределения пропускной способности существуют проблемы достижения потенциально высокой эффективности использования пропускной способности, определяемой показателем информационной эффективности (Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.: 204 ил., с. 27).

Уровень техники

Известен способ распределения пропускной способности в спутниковых сетях с передачей пакетного пользовательского трафика переменной скорости, учитывающий требования по временной задержке и джиттеру передачи, предложенный в изобретении ("Method of allocating communication resources in an MF-TDMA telecommunication system", патент US №7385943 B2, H04B 7/212, 10.06.2008).

Согласно изобретению весь заявленный к передаче в спутниковых каналах мультимедийный трафик в зависимости от требований к качеству передачи разделяется на информационные потоки (классы сервиса), чувствительные к временной задержке (трафик реального времени: речь, видеоконференц-связь), и информационные потоки, не критичные к временной задержке (трафик интерактивных данных: передача файлов, доступ в интернет, эл. почта и т.п.). Способ-аналог предполагает резервирование на закрепленной основе временных слотов от одного цикла к другому для передачи трафика реального времени с целью уменьшения временной задержки и джиттера. Для интерактивного трафика на каждом цикле проводится назначение временных слотов, оставшихся после обслуживания запросов трафика реального времени. Основное внимание в рассматриваемом способе-аналоге уделяется технической реализации алгоритма последовательного по классам сервиса назначения временных слотов (обоснование производительности, тактовой частоты процессора, разрядность шины), обеспечивающего сокращение времени, затрачиваемого на процедуру формирования частотно-временного плана передачи (ВТР).

Недостатком способа-аналога является резервирование на закрепленной основе временных слотов от одного цикла к другому, что не позволяет достичь потенциально высокой эффективности использования доступной пропускной способности.

В изобретении "Dynamic resource allocation based on quality-of-service" (патент US № 2007/0104101 A1, H04L 12/26, 10.05.2007) описан способ динамического распределения ресурса в интерактивных сетях спутниковой связи.

Согласно изобретению все поступающие на центральную станцию (ЦС) от спутниковых терминалов запросы динамического резервирования классифицируются по типам сервиса на основе величины запрашиваемой скорости, объема передаваемых данных, уровня требований к качеству передачи трафика и т.д. Устройство динамического планирования ЦС в соответствии с классом запросов последовательно распределяет имеющийся в текущем цикле частотно-временной ресурс. Выделение ресурса пропускной способности проводится частотно-временными блоками фиксированного объема [ΔF⋅Δτ], где ΔF - частотная полоса, соответствующая минимальная символьной скорости, Δτ - длительность временного слота.

Недостатком способа-аналога является выделение пропускной способности только блоками фиксированной длины, что не позволяет достичь потенциально высокой эффективности использования доступной пропускной способности.

Также известен способ динамического распределения ресурса пропускной способности обратных каналов в мультимедийной сети спутниковой связи интерактивного доступа (патент RU № 2410838 C1, H04J 4/00, опубл. 27.01.2011, бюл. №3).

Согласно изобретению спутниковые интерактивные терминалы осуществляют формирование запросов динамического резервирования временных слотов на длительности очередного цикла передачи, отправляют сформированные запросы на центральную станцию сети. Центральная станция пересчитывает запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, которые выделяются терминалам на длительности очередного цикла передачи.

Недостатком способа-аналога является достижение высокой эффективности распределения ресурса пропускной способности только в условиях перегрузки по трафику, что не позволяет достичь потенциально высокой эффективности использования доступной пропускной способности.

Наиболее близким по физической сущности к предлагаемому решению является способ динамического резервирования пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа (патент RU № 2502193 C1, H04J 4/00, опубл. 20.12.2013, бюл. №35).

Согласно изобретению на центральной станции сети спутниковой связи определяют количество активных спутниковых терминалов. В каждом активном спутниковом терминале измеряют скорость поступающего трафика пакетных данных и заполненность входного буфера спутникового терминала, прогнозируют скорость поступления пакетных данных на вход каждого активного спутникового терминала. Определяют оптимальное значение уровня квантиля, характеризующего избыточность резервирования, для прогнозных значений скорости поступления пакетных данных в буфер передачи активного спутникового терминала на один, два и три цикла передачи вперед. Исходя из заполненности входного буфера и сформированных на предыдущих циклах запросах на выделение пропускной способности, а также данных прогноза скорости поступления пакетного трафика, выполненного с учетом уровня квантиля, формируют запрос динамического резервирования пропускной способности временных слотов на длительности очередного цикла передачи с учетом требований к качеству передачи. Сформированные запросы отправляют на центральную станцию сети, в которой пересчитывают запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, которые выделяются терминалам.

Недостатком способа-прототипа является отсутствие возможности динамического изменения параметров резервирования и распределения пропускной способности в соответствии со статистическими характеристиками передаваемого пакетного трафика, что не позволяет достичь потенциально высокой эффективности использования доступной пропускной способности.

Наиболее близким к изобретению является устройство резервирования пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа, синтезируемое по материальным действиям в патенте RU № 2502193.

Устройство состоит из центральной станции (ЦС), множества подключенных к ней спутниковых терминалов (СТ) и оконечного оборудования терминалов и центральной станции. Оконечное оборудование параллельно соединено с ЦС и с каждым СТ, а множество СТ, в свою очередь, параллельно соединены с ЦС.

В состав центральной станции входят: антенна, спутниковый модем, состоящий из дуплексера, радиоприемника и радиопередатчика, контроллер центральной станции, формирователь частотно-временного плана, маршрутизатор, мультиплексор, демультиплексор. Выход антенны соединен с первым входом дуплексера, второй вход дуплексера соединен с выходом радиопередатчика, а выход дуплексера соединен с входом радиоприемника. Первый вход демультиплексора соединен с выходом радиопередатчика, а второй вход соединен с первым выходом контроллера центральной станции, первый выход демультиплексора соединен с первым входом маршрутизатора, а второй выход соединен с входом формирователя частотно-временного плана (ЧВП). Первый выход маршрутизатора соединен с входом оконечного оборудования, а второй вход маршрутизатора соединен с выходом оконечного оборудования. Первый вход мультиплексора соединен со вторым выходом контроллера центральной станции, второй вход мультиплексора соединен с выходом формирователя ЧВП, третий вход мультиплексора соединен со вторым выходом маршрутизатора, выход мультиплексора соединен с входом радиопередатчика.

В состав каждого из множества подключенных к ЦС спутниковых терминалов входит: Ethernet-контроллер буфер передачи, состоящий из регистра сдвига пользовательской информации и служебного регистра сдвига, мультиплексор, спутниковый модем, состоящий из радиопередатчика, радиоприемника и дуплексера, антенна, демультиплексор, блок управления передатчиком, блок измерения заполненности буфера, блок измерения скорости трафика, блок прогнозирования скорости трафика, блок определения оптимального уровня квантиля, блок формирования запросов. Первый вход Ethernet-контроллера соединен с первым выходом демультиплексора, первый выход Ethernet-контроллера соединен с входом регистра сдвига пользовательской информации буфера передачи, второй вход и второй выход Ethernet-контроллера соединены с выходом и входом оконечного оборудования соответственно. Параллельно регистру сдвига пользовательской информации, с первым выходом Ethernet-контроллера соединен вход блока измерения заполненности буфера, выход которого параллельно соединен с входами блока прогнозирования скорости трафика и блока определения оптимального уровня квантиля. Первый вход блока формирования запросов соединен с выходом блока измерения заполненности буфера, второй вход блока формирования запросов соединен с выходом блока прогнозирования скорости трафика, третий вход блока формирования запросов соединен с выходом блока определения оптимального уровня квантиля, выход блока формирования запросов соединен с входом служебного регистра сдвига. Выход регистра сдвига пользовательской информации соединен с первым входом мультиплексора, второй вход мультиплексора соединен с выходом служебного регистра сдвига, третий вход мультиплексора соединен с первым выходом блока управления передатчиком, выход мультиплексора соединен с первым входом радиопередатчика. Первый вход блока измерения заполненности буфера параллельно соединен с входом регистра сдвига пользовательской информации, второй вход блока измерения заполненности буфера параллельно соединен с входом служебного регистра сдвига, третий вход параллельно соединен с выходом мультиплексора. Второй вход радиопередатчика соединен с вторым выходом блока управления передатчиком, выход радиопередатчика соединен с первым входом дуплексера. Выход дуплексера соединен с входом радиоприемника, второй вход дуплексера соединен с антенной, выход радиопередатчика соединен с входом демультиплексора, второй выход демультиплексора соединен с входом блока управления передатчиком.

Недостатком устройства-прототипа является низкая эффективность использования доступной пропускной способности вследствие отсутствия элементов схемы, обеспечивающих обработку статистических характеристик трафика и изменение параметров схемы резервирования и распределения пропускной способности.

Задачей изобретений являются способ динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети и устройство, его реализующее, позволяющие повысить эффективность использования доступной сетевой пропускной способности.

Известный способ динамического резервирования пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа, при котором в каждом активном спутниковом терминале измеряют скорость поступающего трафика пакетных данных и заполненность входного буфера спутникового терминала, определяют оптимальное значение уровня квантиля для прогнозных значений скорости поступления пакетных данных в буфер спутникового терминала на один, два и три цикла передачи вперед. Исходя из заполненности входного буфера и сформированных на предыдущих циклах передачи запросах, а также данных прогноза скорости поступления пакетного трафика, выполненного с учетом уровня квантиля, характеризующего избыточность резервирования, формируют запрос динамического резервирования пропускной способности с учетом требований к задержке передачи. Центральная станция пересчитывает запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, которые распределяет терминалам. Согласно изобретению способ-прототип дополнен тем, что в каждом активном спутниковом терминале выполняют классификацию трафика по дисциплине обслуживания и типу резервирования (CRA, RBDC, VBDC). Для первоначальных запросов определяют долгосрочный статистический профиль агрегированного трафика, поступающего в буфер передачи спутникового терминала, определяют краткосрочный статистический профиль агрегированного трафика. Определяют параметры измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии битовой скорости поступающего пользовательского трафика, а именно период измерения, величину шага квантования диапазона значений скорости, измеряют на выбранном периоде выборочное среднее и выборочную дисперсию скорости поступающего пользовательского трафика. Определяют параметры прогнозируемой динамики условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости, а именно, коэффициенты регрессии и скользящего среднего, исходя из краткосрочного статистического профиля трафика, ожидаемого времени инерционности резервирования и распределения, прогнозируют значение условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости поступающего на вход спутникового терминала трафика. Формируют и отправляют на центральную станцию запрос на выделение пропускной способности с информацией о прогнозируемом статистическом профиле трафика и параметрах резервирования, на центральной станции, учитывая статистические профили трафика, формируют частотно-временной план передачи, определяют оптимальное значение длительности временных слотов для спутниковых каналов сети на один цикл передачи, отправляют терминалам частотно-временные планы.

Задача изобретения решается тем, что устройство динамического резервирования пропускной способности обратных каналов в сети спутниковой связи интерактивного доступа, в состав которого входит центральная станция, множество подключенных к ней спутниковых терминалов и оконечного оборудования терминалов и центральной станции. Оконечное оборудование параллельно соединено с центральной станцией и с каждым спутниковым терминалом, а множество спутниковых терминалов, в свою очередь, параллельно соединены с центральной станцией. В состав центральной станции входят: антенна, спутниковый модем, состоящий из дуплексера, радиоприемника и радиопередатчика, контроллер центральной станции, формирователь частотно-временного плана, маршрутизатор, мультиплексор, демультиплексор. Выход антенны соединен с первым входом дуплексера, второй вход дуплексера соединен с выходом радиопередатчика, а выход дуплексера соединен с входом радиоприемника. Первый вход демультиплексора соединен с выходом радиопередатчика, а второй вход соединен с первым выходом контроллера центральной станции, первый выход демультиплексора соединен с первым входом маршрутизатора, а второй выход соединен с входом формирователя частотно-временного плана (ЧВП). Первый выход маршрутизатора соединен с входом оконечного оборудования, а второй вход маршрутизатора соединен с выходом оконечного оборудования. Первый вход мультиплексора соединен со вторым выходом контроллера центральной станции, второй вход мультиплексора соединен с выходом формирователя ЧВП, третий вход мультиплексора соединен со вторым выходом маршрутизатора, выход мультиплексора соединен с входом радиопередатчика. В состав каждого из множества подключенных к ЦС спутниковых терминалов входит: Ethernet-контроллер, буфер передачи, состоящий из регистра сдвига пользовательской информации и служебного регистра сдвига, мультиплексор, спутниковый модем, состоящий из радиопередатчика, радиоприемника и дуплексера, антенна, демультиплексор, блок управления передатчиком, блок измерения заполненности буфера, блок измерения скорости трафика, блок прогнозирования скорости трафика, блок определения оптимального уровня квантиля, блок формирования запросов. Первый вход Ethernet-контроллера соединен с первым выходом демультиплексора, первый выход Ethernet-контроллера соединен с входом регистра сдвига пользовательской информации буфера передачи, второй вход и второй выход Ethernet-контроллера соединены с выходом и входом оконечного оборудования соответственно. Параллельно регистру сдвига пользовательской информации, с первым выходом Ethernet-контроллера соединен вход блока измерения заполненности буфера, выход которого параллельно соединен с входами блока прогнозирования скорости трафика и блока определения оптимального уровня квантиля. Первый вход блока формирования запросов соединен с выходом блока измерения заполненности буфера, второй вход блока формирования запросов соединен с выходом блока прогнозирования скорости трафика, третий вход блока формирования запросов соединен с выходом блока определения оптимального уровня квантиля, выход блока формирования запросов соединен с входом служебного регистра сдвига. Выход регистра сдвига пользовательской информации соединен с первым входом мультиплексора, второй вход мультиплексора соединен с выходом служебного регистра сдвига, третий вход мультиплексора соединен с первым выходом блока управления передатчиком, выход мультиплексора соединен с первым входом радиопередатчика. Первый вход блока измерения заполненности буфера параллельно соединен с входом регистра сдвига пользовательской информации, второй вход блока измерения заполненности буфера параллельно соединен с входом служебного регистра сдвига, третий вход параллельно соединен с выходом мультиплексора. Второй вход радиопередатчика соединен с вторым выходом блока управления передатчиком, выход радиопередатчика соединен с первым входом дуплексера. Выход дуплексера соединен с входом радиоприемника, второй вход дуплексера соединен с антенной, выход радиопередатчика соединен с входом демультиплексора, второй выход демультиплексора соединен с входом блока управления передатчиком. Дополнительно введены следующие блоки: в спутниковом терминале - регистр сдвига, демультиплексор, анализатор заголовков, блок классификации трафика, регистр сдвига CRA, регистр сдвига VBDC, регистр сдвига RBDC, блок статистической обработки трафика, состоящий из блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости, блок прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости, блок адаптации статистического профиля трафика, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, микропроцессор, блок управления резервированием; на центральной станции - блок определения оптимального размера временного слота. Первый выход Ethernet-контроллера соединен с входом регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен с входом анализатора заголовков, второй выход регистра сдвига параллельно соединен с первым входом демультиплексора и вторым входом блока измерения заполненности буфера. Вход блока классификации трафика соединен с выходом анализатора заголовков, выход блока классификации трафика соединен со вторым входом демультиплексора. Первый, второй, и третий выходы демультиплексора соединены с входами регистра сдвига CRA, регистра сдвига VBDC, регистра сдвига RBDC соответственно. Первый, второй, третий, четвертый, пятый входы мультиплексора соединены с выходами регистра сдвига CRA, регистра сдвига VBDC, регистра сдвига RBDC, служебного регистра сдвига, первым выходом блока управления передатчиком соответственно. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы оперативного запоминающего устройства соединены со вторым выходом постоянного запоминающего устройства, выходом блока измерения заполненности буфера, выходом блока адаптации статистического профиля трафика, выходом блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости, выходом блока прогнозирования условного среднего скорости и дисперсии условного среднего, первым выходом микропроцессора соответственно, а первый выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом микропроцессора, а второй выход оперативного запоминающего устройства параллельно соединен с входом служебного регистра сдвига и первым входом блока измерения заполненности буфера. Вторые вход и выход микропроцессора соединены с первыми выходом и входом постоянного запоминающего устройства, третий выход микропроцессора соединен с входом блока управления резервированием, первый, второй, третий выходы которого соединены с первыми входами блоков адаптации статистического профиля трафика, измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости и прогнозирования условного среднего скорости соответственно. Вторые входы блоков адаптации статистического профиля трафика и измерения выборочного среднего и дисперсии скорости параллельно соединены с входом регистра сдвига RBDC, а второй вход блока прогнозирования условного среднего скорости и дисперсии условного среднего скорости соединен с выходом блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости. Вход блока определения оптимального размера временного слота параллельно соединен со вторым выходом демультиплексора, а выход блока определения оптимального размера временного слота соединен со вторым входом формирователя частотно-временного плана.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в способе и устройстве, его реализующем, обеспечивается повышение эффективности использования доступной сетевой пропускной способности за счет снижения избыточности краткосрочного резервирования пропускной способности, согласования объема временных слотов и порядка их распределения на периоде цикла передачи со статистическими свойствами пользовательского трафика.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа и устройства, его реализующего, условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, на который направлено решение задачи, следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Возможность реализации заявленного способа на современных вычислительных процессорах, например, с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) позволяют утверждать о его «промышленной применимости».

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показано:

фиг. 1 - частотно-временная структура цикла передачи;

фиг. 2 - блок-схема алгоритма резервирования и распределения пропускной способности каналов сети спутниковой связи;

фиг. 3 - устройство динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети;

фиг. 4 - результаты экспериментальной проверки эффективности разработанного способа.

Возможность реализации заявленного способа и устройства поясняется следующим образом.

Общедоступный частотно-временной ресурс обратных каналов спутниковой сети, разделен на циклы передачи (суперкадры) 10, каждый из которых в свою очередь разделен на кадры 11 (фиг. 1).

Каждый кадр 11 и 14 занимает совокупность частотных полос соответствующих символьной скорости передачи, и ограничен по времени фиксированной длительностью, разделенной временными слотами 12, 15. Количество временных слотов в цикле передачи, на позициях которых передаются данные с информационной битовой скоростью, определяет потенциальный ресурс пропускной способности сети. Например, в представленной на фиг. 1 структуре, цикл передачи 10 состоит из 8 кадров 11, в каждом из которых располагаются 15 временных слотов 12. Информационная скорость передачи на длительности одного временного слота равна 32 кбит/с. В этом случае ресурс пропускной способности сети составляет 8⋅15⋅32=3840 кбит/с. Цикл передачи 13 состоит из 8 кадров 14, в каждом из которых располагаются 30 временных слотов 25. Информационная скорость передачи на длительности одного временного слота равна 16 кбит/с. Ресурс пропускной способности сети составляет 8⋅30⋅16=3840 кбит/с. Количество временных слотов в кадре определяется центральной станцией. В зависимости от полученных от спутниковых терминалов статистических профилей трафика, центральная станция определяет оптимальный размер временных слотов, количество которых в разных циклах передачи может различаться.

Для получения доступа к ресурсу пропускной способности очередного цикла передачи СТ проходит процедуру регистрации, включающую этапы инициализации терминала, синхронизации по несущей частоте, цикловой и тактовой синхронизации.

Для передачи запросов динамического резервирования на выделение временных слотов очередного цикла передачи используются временные позиции слотов общеканальной сигнализации (CSC), распределяемые между активными терминалами на основе случайного (S-ALOHA) доступа.

После обработки запросов ЦС определяет оптимальное количество временных слотов в цикле передачи, исходя из полученных статистических профилей трафика, распределяет и назначает каждому СТ необходимое количество трафиковых временных слотов в соответствии с принятым запросом динамического резервирования пропускной способности.

Данные о выделении ЦС радиоресурса для работы спутниковых терминалов (полоса частот, номер несущей, временные интервалы для передачи слотов) передаются в виде дополнительных таблиц сервисной информации: состава цикла передачи, состава кадра, структуры временных слотов, сообщений о коррекции, терминальных информационных сообщений, временного плана передачи пакетов терминалом (ТВТР).

В пределах кадра СТ могут быть выделены любые трафиковые временные слоты. Например, на фиг. 1, стрелками показана последовательность выделения временных слотов для одного терминала, сначала слот 1 в полосе частот , затем слот 12 в полосе частот и слот 9 в полосе частот . Для цикла передачи 23 последовательность выделения временных слотов в кадре 24 для одного терминала: сначала слот 13, затем 14 в полосе частот , затем слот 6 в полосе частот , далее слот 17 в полосе частот слот 29 в полосе частот и слот 20 в полосе частот .

В соответствии с разработанным способом динамического резервирования пропускной способности (фиг. 2), на длительности очередного k-го цикла передачи, оценивают количество активных спутниковых терминалов в сети I (этап 202).

На этапе 204 в каждом активном спутниковом терминале записывают поступающую пакетную информацию в ячейки памяти входного регистра сдвига, после чего считывают из соответствующих разрядов регистра второй байт заголовка протокола IP (RFC 791), содержащий информацию о типе обслуживания пакета, далее байт типа обслуживания пакета преобразуют в адрес буфера передачи, после чего полученный пакет считывают из регистра сдвига и записывают его в буфер передачи по полученному адресу.

На этапе 205 выбирают долгосрочный статистический профиль агрегированного трафика. Для агрегированного трафика от типовой конфигурации оконечного оборудования, поступающего на вход спутникового терминала, выбирают соответствующий долгосрочный статистический профиль трафика. Долгосрочный статистический профиль трафика пакетной информации представляет собой заранее известную гистограмму плотности распределения вероятности битовой скорости, заранее определенные корреляционные и спектральные свойства процесса изменения битовой скорости и вычисленные заранее моменты случайной величины, такие как математическое ожидание, дисперсия битовой скорости. Кроме того, долгосрочный статистический профиль трафика содержит заранее вычисленные оптимальные параметры измерения и прогнозирования условной средней скорости для типовой конфигурации оконечного оборудования. Множество долгосрочных статистических профилей трафика в виде таблиц с данными хранится в ячейках памяти постоянного запоминающего устройства. Долгосрочный статистический профиль трафика, соответствующий конфигурации оконечного оборудования, считывают из ячеек памяти постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и записывают в ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Кроме того, исходя из заданных в долгосрочном статистическом профиле оптимальных параметрах для измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии битовой скорости (период усреднения, величина шага разбиения диапазона значений скорости) и для прогнозирования (коэффициент регрессии и скользящего среднего), формируют оптимальные управляющие команды (Илюхин А.А., Зайцев Д.Ю. Оптимизация доступа пользовательских приложений к ресурсам спутникового радиоинтерфейса с динамическим резервированием пропускной способности. - Успехи современной радиоэлектроники, №10, 2015. - С. 43-55).

На этапе 206 определяют краткосрочный статистический профиль трафика источника пакетной информации, который представляет собой аналогичную долгосрочному статистическому профилю трафика гистограмму плотности распределения вероятности скорости и вычисленные моменты случайной величины, измененные в соответствии с динамикой поступления пакетной информации на вход спутникового терминала. Определение краткосрочного статистического профиля трафика выполняют в процессе поступления пакетных данных на вход буфера передачи спутникового терминала.

На этапе 207 измеряют заполненность буфера передачи спутникового терминала, результатом чего является определение количества битов информации, находящихся в буфере передачи в данный момент.

На интервале времени измерения, определенном в долгосрочном статистическом профиле трафика, происходит измерение выборочного среднего скорости (этап 208) (Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. - пер. с англ. под ред. Р.Л. Добрушина. – М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - С. 95) поступающего в СТ трафика пакетных данных путем подсчета количества битов, поступивших в буфер передачи спутникового терминала по каждому пакету и межпакетной длительности.

Измерение выборочной дисперсии битовой скорости на этапе 208 (Давенпорт В.Б., Рут В.Л. Введение в теорию случайных сигналов и шумов. - пер. с англ. под ред. Р.Л. Добрушина. – М.: Издательство иностранной литературы, 1960. - С. 95-96) происходит путем определения квадрата среднеквадратического отклонения измеренных значений битовой скорости трафика по пакетам относительно измеренного выборочного среднего на тактовом интервале.

Для выполнения процедуры прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости (этап 209) используют заранее заданное время инерционности резервирования, выступающее в качестве горизонта прогнозирования (Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов: монография. - пер. с англ. – М.: Мир, 1976. - С. 191-199, 202-203). Результатом прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости трафика является их ожидаемые значения к моменту получения плана распределения пропускной способности.

Исходя из определенных на этапе 210 классов обслуживания и типа резервирования в каждом активном спутниковом терминале, формируют очередь передачи, в соответствии с которой пропускная способность в первую очередь предоставляется наиболее высокому классу обслуживания и так далее, по снижению класса обслуживания.

На этапе 211, исходя из измеренного значения заполненности буфера передачи (этап 207), сформированного на этапе 206 краткосрочного статистического профиля трафика, измеренного значения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости (этап 208) и прогнозного значения условного среднего и дисперсии условного среднего скорости (этап 209), формируют запрос на выделение пропускной способности (Илюхин А.А., Зайцев Д.Ю. Оптимизация доступа пользовательских приложений к ресурсам спутникового радиоинтерфейса с динамическим резервированием пропускной способности. - Успехи современной радиоэлектроники, №10, 2015. - С. 43-55)

где R_req(kT_CK) - запрашиваемая терминалом скорость на шаге k, Q(kТ_ЦП) - измеренное значение заполненности буфера передачи на шаге k, Т_ЦП - период цикла передачи, τ_RTD - время задержки, - значение битовой скорости поступления трафика в буфер спутникового терминала, являющееся вычисляемым по функции прогнозируемого условного среднего и дисперсии условного среднего скорости.

Полученное значение R_reg(kТ_ЦП) передается по обратному спутниковому каналу через ретранслятор связи на ИСЗ на центральную станцию (этап 212).

Центральная станция получает от всех спутниковых терминалов запросы на выделение пропускной способности и параметры статистического профиля трафика (M[R_b], D[R_b]) (этап 214) и определяет оптимальную величину временного слота этап 215. На этапе 215 центральная станция формирует оптимальный частотно-временной план передачи для сети (Способ формирования частотно-временного плана передачи интерактивного трафика в мультисервисных спутниковых сетях / А.Г. Дубровин, А.А. Илюхин // Телекоммуникации, №11, 2012. – С. 12-19) и передает на терминалы частотно-временные планы с указанием размера временного слота и разрешенных для передачи номеров временных слотов по прямому каналу (этап 216). Определение количества временных окон, которое будет выделено каждому спутниковому терминалу определяют по известному алгоритму (Илюхин А.А. Способ эффективного распределения ресурса пропускной способности спутниковых сетей интерактивного доступа / Вестник РГРТУ, №4 (30). - Рязань, 2009. – С. 16-21). В качестве целевой функции используют зависимость показателя качества передачи трафика от количества выделенных временных слотов.

Последовательность действий повторяется для каждого i-го спутникового терминала в каждом k-м цикле передачи.

На фиг. 3 представлена схема устройства динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети. Терминальные части и часть, располагающаяся на центральной станции, могут быть реализованы на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) с техническими характеристиками не хуже, чем ПЛИС Xilinx KU3P (электронный ресурс: http://www.xilinx.com/support/documentation/selection-guides/ultrascale-plus-fpga-product-selection-guide.pdf#VUSP, дата обращения 17.11.2015).

Для получения доступа к ресурсу пропускной способности очередного цикла передачи, СТ проходит процедуру регистрации, включающую этапы инициализации терминала, синхронизации по несущей частоте, цикловой и тактовой синхронизации. Прошедшие процедуру регистрации терминалы являются активными в данный момент. Количество активных в данный момент спутниковых терминалов определяют в контроллере центральной станции (373).

В каждом активном спутниковом терминале (302) после его включения считывают по системной шине, выполняющей функции передачи команд управления, адреса и данных (Максфилд К. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2007. - 408 с.: илл. – С. 396), из ячеек памяти постоянного запоминающего устройства (332) программу динамического резервирования, которую по системной шине под действием микропроцессора (333) записывают в ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) (331). Далее с помощью микропроцессора (333) выполняют программу динамического резервирования пропускной способности каналов мультисервисной сети спутниковой связи. Микропроцессор может быть реализован программно или входить в состав ПЛИС (Максфилд К. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2007. - 408 с.: илл. – С. 79-81).

В качестве оконечного оборудования (301) может выступать заранее определенный перечень оборудования в соответствующей конфигурации параметров пользовательских приложений, например терминал видеосвязи, телефонный аппарат IP и персональная ЭВМ. В оконечном оборудовании формируют пакетный трафик пользовательских приложений, который записывают в ячейки памяти буфера передачи спутникового терминала (320) через входной регистр сдвига (311) и демультиплексор (312). Поступающий пакетный трафик может быть представлен как множество пакетов размером L_a[k], поступающих с некоторой межпакетной длительностью Δt_a[k].

Во время передачи трафика через обратный спутниковый канал пакетные данные и служебная информация (запросы на выделение пропускной способности, параметры статистического профиля трафика источников), записанные в соответствующие регистры сдвига (321, 322, 323, 324) буфера передачи (320), мультиплексируются в информационный поток в блоке (354) и поступают на вход радиопередатчика (351) спутникового модема (350) (модем спутникового терминала может быть реализован как составная часть спутникового маршрутизатора, например Gilat SkyEdgeII IP, электронный ресурс: http://www.gilat.com/dynimages/t_brochures/files/SkyEdgeII-IP-280914-FINAL.pdf, дата обращения 17.11.2015). Поступивший с выхода мультиплексора (354) поток преобразуют в радиосигнал в блоке (351), который поступает на вход дуплексера (352), представляющего собой два перестраиваемых фильтра, полосы пропускания которых соответствуют полосам частот передачи и приема. Поступивший по фидеру с выхода дуплексера в антенну (357) радиосигнал преобразуют в электромагнитное поле. Далее через ретранслятор связи на борту космического аппарата электромагнитное поле поступает в антенну центральной станции (361), где его преобразуют в радиосигнал, который через выход дуплексера (363) поступает на вход радиоприемника (362). Далее радиосигнал преобразуют в информационный поток в блоке (362), который поступает на вход демультиплексора (371) центральной станции (303), где происходит выделение из информационного потока сети спутниковой связи служебной информации. Принятый трафик с выхода демультиплексора (371) поступает на вход маршрутизатора центральной станции (372), откуда через сети связи поставщиков телекоммуникационных услуг (Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2010. - 944 с.: ил. – С. 145-150, 666, 668-670) поступает на вход ответного оконечного оборудования (304).

Через сети поставщиков телекоммуникационных услуг трафик от оконечного оборудования (304) поступает на вход маршрутизатора центральной станции (372), а с его выхода трафик поступает на вход мультиплексора центральной станции (376), в котором происходит объединение пакетного трафика от оконечного оборудования (304) и служебной информации из формирователя частотно-временного плана (375) в информационный поток прямого канала. Информационный поток прямого канала поступает на вход радиопередатчика (364) спутникового модема центральной станции (360) (модем центральной станции может быть реализован как составная часть спутникового шлюза, например Gilat SkyEdgeII NetEdge, электронный ресурс: http://www.gilat.com/dynimages/t_brochures/files/SKYEDGE-II-NETEDGE-201113-FINAL.pdf, дата обращения 17.11.2015), с выхода которого через дуплексер (363) поступает в антенну (361), где преобразуется в электромагнитное колебание, и по прямому спутниковому каналу через ретранслятор связи поступает на вход радиоприемника (353), через дуплексер (352) модема спутникового терминала (350), где происходит обратное преобразование электромагнитного колебания в информационный поток прямого канала. С выхода радиоприемника спутникового модема (353) информационный поток поступает на вход демультиплексора спутникового терминала (356), в котором происходит выделение из информационного потока прямого канала трафика и служебной информации, предназначенных для конкретного спутникового терминала. С выхода демультиплексора (356) трафик от оконечного оборудования (304) поступает на вход оконечного оборудования, подключенного к спутниковому терминалу (301) через интерфейс Ethernet, преобразование в который осуществляют в Ethernet-контроллере (310) (технические характеристики не хуже, чем у CS8900A-CQ (Иди Ф. Сетевой и межсетевой обмен данными с микроконтроллерами / пер. с англ. - М.: «Додэка-ХХ1», 2007. – С. 137-147)).

Поступивший на вход спутникового терминала (302) через Ethernet-контроллер (310) пакетный трафик записывают в ячейки памяти регистра сдвига (311) (Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2010. - 816 с.: ил. – С. 233, 234). Каждый пакет информации от оконечного оборудования имеет в своем составе служебную информацию в виде заголовка протокола IP (RFC 791).

Из заголовка протокола IP каждого пакета в анализаторе заголовков (313) выделяют биты D, Т, R, находящиеся в байте DS (Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2010. - 944 с.: ил. – С. 515-517) путем считывания их по физической линии в виде двоичного кода из соответствующих разрядов регистра сдвига (311). Считанные биты D, Т, R с выхода анализатора заголовков отправляют по физической линии в виде двоичного кода на вход блока классификации трафика (314).

С помощью блока классификации трафика (314) определяют адрес регистра сдвига в буфере передачи (320), в который необходимо записать конкретный пакет. Каждый из регистров сдвига (321, 322, 323) предназначен для одного из типов трафика CRA, RBDC или VBDC (ETSIEN301 790 v1.5.1, 2009. - Pages 62-63). Поступающие на вход блока классификации трафика биты D, Т, R преобразуют в адрес соответствующего типу трафика регистра сдвига (321, 322, 323) буфера передачи (320). Полученный адрес по физической линии в виде двоичного кода отправляют на адресный вход демультиплексора (312). Блок классификации трафика (314) может быть реализован в виде двоичного дешифратора (Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2010. - 816 с.: ил. – С. 81-83).

В демультиплексоре (312) (Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2010. - 816 с.: ил. – С. 91-94) под воздействием адреса из блока (314) подключают соответствующий выход демультиплексора (312) к входу демультиплексора (312). Далее считывают из входного регистра сдвига пакет информации и по физической линии в виде двоичного кода передают на вход демультиплексора (312); пакет информации через подключенный соответствующий выход демультиплексора (312) записывают в один из регистров сдвига буфера передачи (320).

Измерение объема информации, находящегося в ячейках памяти буфера передачи спутникового терминала (320), выполняют в блоке измерения заполненности буфера (341). Блок измерения заполненности буфера (341) может быть реализован на трех счетчиках, один из которых выполняет подсчет количества поступивших битов на входы блоков 321, 322, 323, второй определяет количество битов, поступивших на вход блока 324, а третий определяет количество битов, считанных из буфера передачи. Разность числа записанных и считанных битов есть значение объема информации, находящееся в буфере передачи (320) в данный момент. Полученное значение записывают в ячейки памяти ОЗУ (331).

Объем запроса на резервирование пропускной способности для трафика RBDC определяют, исходя из статистического профиля трафика. В зависимости от конфигурации типового оконечного оборудования (301), формирующего трафик, из ячеек памяти постоянного запоминающего устройства (332), которое может быть реализовано в виде модуля флэш-памяти (Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2010. - 816 с.: ил. – С. 307-314), считывают долгосрочный статистический профиль трафика и записывают его в ячейки памяти ОЗУ (331). Долгосрочный статистический профиль трафика представляет собой гистограмму плотности распределения вероятности скорости, определенные заранее спектральные и корреляционные свойства процесса изменения битовой скорости трафика, а также моменты (математическое ожидание M[R_b] и дисперсия D[R_b]) случайного процесса, которые задаются для типовых конфигураций оконечного оборудования. Запись информации о статистических профилях агрегированного трафика, представляющая собой таблицу данных, содержащую значения плотности распределения вероятности для множества диапазонов скорости и моменты случайной величины, выполняют на этапе программирования устройства.

В начальный момент времени, в зависимости от типовой конфигурации оконечного оборудования, из ячеек памяти постоянного запоминающего устройства (332) по команде микропроцессора (333), выполняющего программу динамического резервирования, происходит запись соответствующего долгосрочного статистического профиля трафика в ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (331). Из ячеек памяти ОЗУ (331) микропроцессор (333) считывает долгосрочный статистический профиль агрегированного трафика и в зависимости от моментов случай величины определяет оптимальные параметры измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии агрегированного трафика (значения периода измерения, величина шага разбиения диапазона значений скорости) и оптимальные параметры прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости трафика (коэффициенты регрессии и скользящего среднего). На основании считанного из ОЗУ (331) долгосрочного статистического профиля трафика микропроцессор (333) определяет величину запроса на динамическое резервирование пропускной способности, которое по системной шине поступает на вход мультиплексора (354) спутникового терминала через регистр сдвига служебной информации (324). Объем запроса определяется, исходя из пиковой скорости агрегированного потока пакетного трафика в соответствующей конфигурации оборудования.

В дальнейшие моменты времени в блоке статистической обработки трафика (340), в блоке (342) определяют данные для адаптации долгосрочного статистического профиля агрегированного трафика (гистограмма плотности распределения вероятности скорости на интервале времени цикла передачи). Агрегированный трафик приложений, чувствительных к задержке, от оконечного оборудования терминала (301) поступает на вход регистра сдвига RBDC (323) буфера передачи (320), кроме того, параллельно трафик приложений, чувствительных к задержке, поступает на вход блока статистической обработки трафика (340), а именно на вход блока адаптации статистического профиля трафика (342) и на вход блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости (343). Блок адаптации статистического профиля трафика представляет собой счетчик, определяющий количество поступивших в регистр сдвига RBDC (323) битов за один интервал оценивания (интервал оценивания равен периоду измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости, который задан в долгосрочном статистическом профилем трафика), выход счетчика параллельно соединен с множеством компараторов (по количеству интервалов возможных значений скорости), а выходы каждого компаратора соединены с входами мажоритарного элемента (Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ - Петербург, 2010. - 816 с.: ил. – С. 106-107), который определяет, в который интервал скорости попадает измеренное значение. Показания счетчика записывают в соответствующую ячейку таблицы краткосрочного статистического профиля трафика в ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (331). Структура таблицы данных гистограммы плотности распределения вероятности скорости на интервале времени цикла передачи идентична структуре таблицы долгосрочного статистического профиля трафика.

Далее выполняют построение краткосрочного статистического профиля источников пакетного трафика путем сложения и нормализации гистограммы плотности распределения вероятности скорости трафика долгосрочно статистического профиля с гистограммой плотности распределения вероятности скорости на интервале оценивания, результатом чего является гистограмма плотности распределения вероятности скорости краткосрочного статистического профиля трафика. Процедура адаптации долгосрочного статистического профиля трафика происходит следующим образом: из ячеек памяти ОЗУ (331) с помощью микропроцессора (333), выполняющего программу динамического резервирования, считывают по системной шине в виде двоичного кода таблицы данных, содержащие гистограммы плотностей распределения вероятности скорости долгосрочного статистического профиля трафика и гистограммы плотности распределения вероятности скорости на интервале времени цикла, записывают считанные таблицы данных в регистры общего назначения, входящие в состав микропроцессора (333). В арифметико-логическом устройстве (АЛУ) микропроцессора (333) происходит суммирование полученных профилей трафика и нормализация полученной гистограммы распределения вероятности скорости поступления пакетных данных, которая используется в качестве краткосрочного статистического профиля трафика для следующего шага. Полученный в микропроцессоре (333) статистический профиль трафика записывают в ячейки памяти ОЗУ (331) в виде таблицы данных по адресу долгосрочного статистического профиля агрегированного трафика. В дальнейшем в качестве краткосрочного профиля трафика используют результат суммирования полученной гистограммой распределения скорости на предыдущем шаге с гистограммой распределения на текущем шаге.

По считанному из ОЗУ (331) долгосрочному статистическому профилю трафика микропроцессор (333), выполняющий программу динамического резервирования, определяет оптимальные параметры измерения и прогнозирования выборочных моментов битовой скорости, а именно период измерения и величину шага квантования диапазона значений скорости, коэффициенты регрессии и скользящего среднего. Выбор оптимального значения коэффициентов обусловлен вычисленной заранее автокорреляционной функции скорости поступления пакетной информации (Илюхин А.А., Зайцев Д.Ю. Оптимизация доступа пользовательских приложений к ресурсам спутникового радиоинтерфейса с динамическим резервированием пропускной способности. - Успехи современной радиоэлектроники, №10, 2015. – С. 43-55).

Полученные оптимальные параметры измерения и прогнозирования по системной шине из микропроцессора (333) поступают в блок управления резервированием (334), представляющий собой три перестраиваемых генератора прямоугольных импульсов. В соответствии с полученным значением периода измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости генераторы вырабатывают прямоугольные импульсы с частотой, обратной периоду измерения выборочных моментов скорости, которые поступают на вход блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости трафика (343).

Блок измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости трафика (343) представляет собой две идентичные электрические цепи (одна для измерения выборочного среднего скорости, вторая для определения выборочной дисперсии скорости). Электрическая цепь для измерения выборочного среднего скорости представляет собой счетчик, тактируемый прямоугольными импульсами из блока управления резервированием (334) и сумматор, на вход которого с выхода счетчика поступает измеренное значение количества битов на интервале измерения, нормированное к длительности интервала измерения. Результирующее значение отправляется на вход блока прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости (344).

В блоке прогнозирования условного среднего скорости (344) под воздействием управляющей команды (содержащей конфигурируемые значения горизонта прогнозирования (равное интервалу инерционности), коэффициентов регрессии и скользящего среднего) из блока управления резервированием (334) происходит определение прогнозного значения условного среднего скорости трафика. Блок (344) может быть реализован в виде регистра сдвига и сумматора, на один вход которого поступает измеренное значение выборочного среднего скорости из блока (343), а на второй вход поступает задержанное на интервал инерционности предыдущее значение прогноза условного среднего скорости. Полученное прогнозное значение записывается в ячейки памяти ОЗУ (331). Прогнозирование дисперсии условного среднего происходит аналогичным образом и реализуется на идентичной электрической схеме, как и прогнозирование значения условного среднего скорости, полученное значение также записывается в ячейки памяти ОЗУ (331).

После записи гистограммы плотности распределения вероятности скорости агрегированного трафика и определения прогнозного значения условного среднего и дисперсии условного среднего скорости, учитывая загруженность буфера передачи на текущем шаге, в микропроцессоре (333) определяют значение пропускной способности, которое необходимо выделить через время инерционности, как показано в формуле (1).

Сформированный в блоке (333) запрос и параметры статистического профиля трафика через ОЗУ (331) поступают на вход регистра сдвига (324) буфера передачи, с выхода которого через радиопередатчик (351) модема спутникового терминала (350) и антенну (357) по обратному спутниковому каналу поступают на центральную станцию (303), а именно через антенну (361) и дуплексер (363) поступают на вход радиоприемника (362) модема центральной станции (360), с выхода которого поступают на вход демультиплексора (371).

Также на вход демультиплексора поступают запросы на выделение пропускной способности и параметры статистических профилей трафика источников от всех активных спутниковых терминалов (302), с выхода которого поступают на вход формирователя частотно-временного плана передачи (375) и блока определения оптимального размера временного слота (374).

В блоке (374), исходя из полученных от всех активных спутниковых терминалов сети параметров статистического профиля трафика, происходит определение оптимального размера временного слота на следующий цикл передачи. Полученное значение оптимального размера временного слота поступает на второй вход формирователя частотно-временного плана (375), где формируют частотно-временные планы передачи для всех активных спутниковых терминалов сети.

В блоке (375) пересчитывают запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество оптимальных временных слотов, которые выделяются терминалам на длительности очередного цикла передачи. Сформированные частотно-временные планы передачи терминалов с выхода блока (375) через мультиплексор (376) поступают на вход радиопередатчика (364) центральной станции, с выхода которого по прямому спутниковому каналу поступают на вход радиоприемника (353) спутникового терминала (302).

Выделение частотно-временного плана передачи терминала из информационного потока прямого канала осуществляется в демультиплексоре (356), с выхода которого частотно-временной план передачи спутникового терминала поступает на вход блока управления передатчиком (355). Блок управления радиопередатчиком (355) формирует команды управления в соответствии с частотно-временным планом передачи спутникового терминала. Под действием команд управления из блока (355) в радиопередатчике (351) определяют полосу частот и время передачи в соответствии с частотно-временным планом (фиг. 1). Кроме того, в блоке 355 формируют очередь передачи, в соответствии с которой пропускная способность в первую очередь предоставляется наиболее высокому классу обслуживания и так далее по снижению класса обслуживания. Формирование очереди осуществляют путем формирования адресных команд для демультиплексора (354).

Возможность осуществления способа динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети и устройства его реализующего экспериментально проверены на ЭВМ в пакете прикладных программ Matlab R2011b (версия 7.13.0.564). Результаты моделирования и оптимальные (для исходной реализации трафика) параметры измерения скорости, и величина запроса на резервирование пропускной способности R_req при проведении сеанса видеосвязи длительностью 50 с. приведены в известном источнике (Илюхин А.А., Зайцев Д.Ю. Оптимизация доступа пользовательских приложений к ресурсам спутникового радиоинтерфейса с динамическим резервированием пропускной способности. - Успехи современной радиоэлектроники, №10, 2015. Рисунок 3). Для моделирования использовалась выборка трафика, формируемого оборудованием видеоконференцсвязи, которая была получена при помощи Ethernet-коммутатора, к которому были подключены терминал видеосвязи Tandberg 8000 МХР (видеокодек Н.264, 1280×720, 24 кадр/с, аудиокодек ААС, 44100 Гц) и ЭВМ с установленным приложением WireShark (версия 1.12.7). Средняя эффективность резервирования пропускной способности для исходной реализации трафика составляет γ=0,92, что выше результатов способа-прототипа на 3-24% (в зависимости от количества источников VoIP и выбранного квантиля распределения).

Для моделирования процесса распределения пропускной способности использовалась известная методика (Способ формирования частотно-временного плана передачи интерактивного трафика в мультисервисных спутниковых сетях / А.Г. Дубровин, А.А. Илюхин // Телекоммуникации, №11, 2012. - С. 12-19).

Результаты расчета эффективности резервирования и распределения пропускной способности, проведенные в пакете прикладных программ Matlab R2011b (версия 7.13.0.564), представлены на на фиг. 4, где линия 41 - теоретический пердел эффективности использования пропускной способности, равный 1; линия 42 - эффективность резервирования пропускной способности для одного спутникового терминала (средняя эффективность резервирования пропускной способности γ=0,92), линия 43 - эффективность распределения пропускной способности для сети, состоящей из 20 активных спутниковых терминалов (средняя эффективность распределения пропускной способности γ=0,96). Таким образом, задача изобретения по повышению эффективности использования пропускной способности достигнута.

Изобретение относится к области радиосвязи, а именно к области, связанной со способами, а именно к способам резервирования и распределения пропускной способности в спутниковых сетях с передачей мультимедийного пакетного трафика, обеспечивающим высокую эффективность использования пропускной способности спутниковых каналов при допустимой задержке передачи. Технический результат заключается в разработке способа и устройства динамического резервирования и распределения ресурса пропускной способности в сети спутниковой связи, позволяющего добиться повышения эффективности использования частотно-временного ресурса сети спутниковой связи в условиях отсутствия перегрузки по трафику за счет минимально избыточного резервирования пропускной способности при обеспечении требований по средней задержке и джиттеру задержки при передаче агрегированного пакетного трафика. Для этого в каждом активном спутниковом терминале выполняют классификацию трафика по дисциплине обслуживания и типу резервирования (CRA, RBDC, VBDC), долгосрочный статистический профиль поступающего агрегированного трафика, определяют краткосрочный статистический профиль агрегированного трафика, определяют параметры измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии битовой скорости поступающего пользовательского трафика, измеряют на выбранном периоде выборочное среднее и выборочную дисперсию скорости поступающего пользовательского трафика, определяют параметры прогнозируемой динамики условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости, исходя из краткосрочного статистического профиля трафика, ожидаемого времени инерционности резервирования и распределения, прогнозируют значение условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости поступающего на вход спутникового терминала трафика, формируют и отправляют на центральную станцию запрос на выделение пропускной способности с информацией о прогнозируемом статистическом профиле трафика и параметрах резервирования, на центральной станции, учитывая статистические профили трафика, определяют оптимальное значение длительности временных слотов для спутниковых каналов сети на один цикл передачи, формируют частотно-временной план передачи, отправляют терминалам частотно-временные планы передачи. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети, при котором в каждом активном спутниковом терминале измеряют скорость поступающего трафика пакетных данных и заполненность входного буфера спутникового терминала, определяют оптимальное значение уровня квантиля для прогнозных значений скорости поступления пакетных данных в буфер спутникового терминала на один, два и три цикла передачи вперед, формируют запрос динамического резервирования пропускной способности с учетом требований QoS, исходя из заполненности входного буфера и сформированных на предыдущих циклах передачи запросах, а также данных прогноза скорости поступления пакетного трафика, выполненного с учетом уровня квантиля, характеризующего избыточность резервирования, отправляют сформированные запросы на центральную станцию сети, центральная станция пересчитывает запрашиваемый терминалом объем пропускной способности в количество временных слотов, которые выделяются терминалам, отличающийся тем, что в каждом активном спутниковом терминале выполняют классификацию трафика по дисциплине обслуживания и типу резервирования (CRA, RBDC, VBDC); для первоначальных запросов определяют долгосрочный статистический профиль поступающего агрегированного трафика, определяют краткосрочный статистический профиль агрегированного трафика, определяют параметры измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии битовой скорости поступающего пользовательского трафика, а именно период измерения, величину шага квантования диапазона значений скорости, измеряют на выбранном периоде выборочное среднее и выборочную дисперсию скорости поступающего пользовательского трафика; определяют параметры прогнозируемой динамики условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости, а именно коэффициенты регрессии и скользящего среднего, исходя из краткосрочного статистического профиля трафика, ожидаемого времени инерционности резервирования и распределения, прогнозируют значение условного среднего и дисперсии условного среднего битовой скорости поступающего на вход спутникового терминала трафика; формируют и отправляют на центральную станцию запрос на выделение пропускной способности с информацией о прогнозируемом статистическом профиле трафика и параметрах резервирования, на центральной станции, учитывая статистические профили трафика, формируют частотно-временной план передачи, определяют оптимальное значение длительности временных слотов для спутниковых каналов сети на один цикл передачи, отправляют терминалам частотно-временные планы.

2. Устройство динамического резервирования и распределения пропускной способности каналов в спутниковой сети, реализующее способ по п. 1 и содержащее центральную станцию, множество подключенных к ней спутниковых терминалов и оконечное оборудование терминалов и центральной станции; оконечное оборудование параллельно соединено с центральной станцией и с каждым спутниковым терминалом, а множество спутниковых терминалов, в свою очередь, параллельно соединены с центральной станцией; в состав центральной станции входят: антенна, спутниковый модем, состоящий из дуплексера, радиоприемника и радиопередатчика, контроллер центральной станции, формирователь частотно-временного плана, маршрутизатор, мультиплексор, демультиплексор; выход антенны соединен с первым входом дуплексера, второй вход дуплексера соединен с выходом радиопередатчика, а выход дуплексера соединен с входом радиоприемника; первый вход демультиплексора соединен с выходом радиопередатчика, а второй вход соединен с первым выходом контроллера центральной станции, первый выход демультиплексора соединен с первым входом маршрутизатора, а второй выход соединен с входом формирователя частотно-временного плана (ЧВП); первый выход маршрутизатора соединен с входом оконечного оборудования, а второй вход маршрутизатора соединен с выходом оконечного оборудования; первый вход мультиплексора соединен с вторым выходом контроллера центральной станции, второй вход мультиплексора соединен с выходом формирователя ЧВП, третий вход мультиплексора соединен с вторым выходом маршрутизатора, выход мультиплексора соединен с входом радиопередатчика; в состав каждого из множества подключенных к ЦС спутниковых терминалов входит: Ethernet-контроллер буфер передачи, состоящий из регистра сдвига пользовательской информации и служебного регистра сдвига, мультиплексор, спутниковый модем, состоящий из радиопередатчика, радиоприемника и дуплексера, антенна, демультиплексор, блок управления передатчиком, блок измерения заполненности буфера, блок измерения скорости трафика, блок прогнозирования скорости трафика, блок определения оптимального уровня квантиля, блок формирования запросов; первый вход Ethernet-контроллера соединен с первым выходом демультиплексора, первый выход Ethernet-контроллера соединен с входом регистра сдвига пользовательской информации буфера передачи, второй вход и второй выход Ethernet-контроллера соединены с выходом и входом оконечного оборудования соответственно; параллельно регистру сдвига пользовательской информации, с первым выходом Ethernet-контроллера соединен вход блока измерения заполненности буфера, выход которого параллельно соединен с входами блока прогнозирования скорости трафика и блока определения оптимального уровня квантиля; первый вход блока формирования запросов соединен с выходом блока измерения заполненности буфера, второй вход блока формирования запросов соединен с выходом блока прогнозирования скорости трафика, третий вход блока формирования запросов соединен с выходом блока определения оптимального уровня квантиля, выход блока формирования запросов соединен с входом служебного регистра сдвига; выход регистра сдвига пользовательской информации соединен с первым входом мультиплексора, второй вход мультиплексора соединен с выходом служебного регистра сдвига, третий вход мультиплексора соединен с первым выходом блока управления передатчиком, выход мультиплексора соединен с первым входом радиопередатчика; первый вход блока измерения заполненности буфера параллельно соединен с входом регистра сдвига пользовательской информации, второй вход блока измерения заполненности буфера параллельно соединен с входом служебного регистра сдвига, третий вход параллельно соединен с выходом мультиплексора; второй вход радиопередатчика соединен с вторым выходом блока управления передатчиком, выход радиопередатчика соединен с первым входом дуплексера; выход дуплексера соединен с входом радиоприемника, второй вход дуплексера соединен с антенной, выход радиопередатчика соединен с входом демультиплексора, второй выход демультиплексора соединен с входом блока управления передатчиком, дополнительно введены следующие блоки: в спутниковом терминале - регистр сдвига, демультиплексор, анализатор заголовков, блок классификации трафика, регистр сдвига CRA, регистр сдвига VBDC, регистр сдвига RBDC, блок статистической обработки трафика, состоящий из блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости, блока прогнозирования условного среднего и дисперсии уловного среднего скорости, блока адаптации статистического профиля трафика, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, микропроцессор, блок управления резервированием; на центральной станции - блок определения оптимального размера временного слота; первый выход Ethernet-контроллера соединен с входом регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен с входом анализатора заголовков, второй выход регистра сдвига параллельно соединен с первым входом демультиплексора и вторым входом блока измерения заполненности буфера; вход блока классификации трафика соединен с выходом анализатора заголовков, выход блока классификации трафика соединен с вторым входом демультиплексора; первый, второй, и третий выходы демультиплексора соединены с входами регистра сдвига CRA, регистра сдвига VBDC, регистра сдвига RBDC соответственно; первый, второй, третий, четвертый, пятый входы мультиплексора соединены с выходами регистра сдвига CRA, регистра сдвига VBDC, регистра сдвига RBDC, служебного регистра сдвига, первым выходом блока управления передатчиком соответственно; первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы оперативного запоминающего устройства соединены с вторым выходом постоянного запоминающего устройства, выходом блока измерения заполненности буфера, выходом блока адаптации статистического профиля трафика, выходом блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости, выходом блока прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости, первым выходом микропроцессора соответственно, первый выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом микропроцессора, а второй выход оперативного запоминающего устройства параллельно соединен с входом служебного регистра сдвига и первым входом блока измерения заполненности буфера; вторые вход и выход микропроцессора соединены с первым выходом и входом постоянного запоминающего устройства, третий выход микропроцессора соединен с входом блока управления резервированием, первый, второй, третий выходы которого соединены с первыми входами блоков адаптации статистического профиля трафика, измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости и прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего скорости соответственно; вторые входы блоков адаптации статистического профиля трафика и измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии скорости параллельно соединены с входом регистра сдвига RBDC, а второй вход блока прогнозирования условного среднего и дисперсии условного среднего соединен с выходом блока измерения выборочного среднего и выборочной дисперсии; вход блок определения оптимального размера временного слота параллельно соединен с вторым выходом демультиплексора, а выход блока определения оптимального размера временного слота соединен с вторым входом формирователя частотно-временного плана.