Секретный архив
Шерлока Холмса


Мухин С.В.

Оценка качества канала передачи данных с помощью его непрерывных характеристик

Сегодня, функционирование и развитие любого современного производства невозможно без использования автоматизированных систем управления (АСУ) и средств связи. В последнее десятилетие идет широкое внедрение вычислительной техники и средств передачи данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными центрами и объектами АСУ.
Построение распределенных вычислительных сетей (РВС) связано с решением вопросов организации сбора, хранения, обработки и автоматической передачи больших объемов информации. Достоверность информации является одной из важнейших характеристик, определяющих качество информационного обмена. Таким образом, система передачи данных является важнейшей частью территориально-распределенных АСУ и информационно-вычислительных сетей, определяет их эффективность и качество функционирования в целом.
Подавляющее большинство современных территориально-распределенных АСУ использует каналы связи Минсвязи РФ. К сожалению, инфраструктура существующих распределенных сетей связи Российской Федерации во многом устарела и нуждается в неотложной модернизации. Это объясняется тем, что до 1992 года на капиталовложения в их развитие направлялось лишь 0,15 % валового национального продукта. Существующие сети связи характеризуются слабой развитостью каналов междугородной, межрегиональной и международной связи, низкой пропускной способностью отдельных участков магистральных каналов и недостаточным развитием каналов связи между отдельными регионами.
Наиболее распространена в нашей стране телефонная сеть общего пользования (ТфОП). Максимально возможная скорость соединения аппаратуры передачи данных (АПД) на ней составляет от 33600 до 57600 бит/с, а реально устойчивая работа идет на скоростях не выше 14400 бит/с. Это связано с тем, что в этой сети преобладает аналоговое коммутационное и каналообразующее оборудование.
Существуют также распределенные вычислительные сети, построенные на основе выделенных аналоговых и цифровых каналов. Цифровые междугородные каналы еще слабо внедрены в существующую сеть, поэтому ее основу составляют аналоговые каналы. В аналоговых сетях применяется такая же АПД, как и на ТфОП, за исключением того, что возможно использование 4-проводных модемов. В отличие от ТфОП на выделенных каналах реальная скорость соединения колеблется от 19200 до 31200 бит/с. Кроме того, использование выделенных каналов позволяет снизить затраты на междугородную передачу данных.
Для организаций, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга (в пределах города), целесообразно использовать прямые провода. На сегодняшний день существует АПД, которая позволяет работать на скоростях от 64 Кбит/с до 6 Мбит/с на расстоянии нескольких километров. По стоимости она соизмерима с модемами для телефонных каналов, что делает этот вид связи очень перспективным.
Мобильная связь имеет ограниченное применение в РВС, так как при этом возникают проблемы, связанные с распространением радиоволн: затухание сигнала, перерывы, из-за переключения с одной частоты на другую при переходе из одной сотовой зоны в другую. Перечисленное выше ограничивает скорость передачи данных 4800 бит/с.
Использование технологии ISDN дает абоненту возможность работать со скоростями от 64 Кбит/с. Но на сегодняшний день этот вид связи имеет ограниченное распространение на территории России из-за высокой стоимости оборудования и трафика.
Самые высокие показатели качества и скорости передаваемой информации имеют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), так как в них используется отличная от медного кабеля среда распространения, что позволяет работать на них со скоростями в несколько Гбит/с. При многих преимуществах ВОЛС имеет главный недостаток - высокую стоимость прокладки кабеля (для Москвы от 5000 до 6000 $/км).
Если организация не имеет проложенного кабеля и стоимость его прокладки очень высока, возможно использование радиосвязи или спутниковой связи. Радиоканал позволяет передавать данные со скоростями от 64 Кбит/с до 2,048 Мбит/с. Организация спутникового канала достаточно дорога. Прежде всего это стоимость оборудования (десятки тысяч долларов), а также повременная оплата канала связи, составляющая для спутников Inmarsat от 4 $/мин (для аналогового канала, скорость до 9600 бит/с) до 10 $/мин (для цифрового канала, скорость 64 Кбит/с).
Из вышесказанного следует, что модернизация существующих сетей связи требует значительных капиталовложений и не может носить революционный характер. Поэтому актуальность проблемы использования существующих средств связи, с учетом развивающихся информационных технологий, постоянно возрастает. Это особенно характерно для России со сложившейся структурой аналоговых кабельных сетей, с устаревшим парком связного оборудования, с сотнями тысяч километров кабельных сетей.
Особенностью российских сетей связи является достаточно развитая сеть аналоговых каналов, а их замена на цифровые каналы не представляется реальной в ближайшие 5 - 10 лет в связи с экономическим кризисом в стране. Поэтому построение глобальных корпоративных вычислительных сетей на основе существующих аналоговых каналов делает проблему исследования качества передачи данных по таким каналам особенно актуальной.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям среды передачи данных РВС посвящены многие работы. Вместе с тем, практика подтверждает потребность в проведении дальнейших исследований, направленных на разработку способов оценки каналов тональной частоты (ТЧ), предназначенных для передачи данных в АСУ. Данная проблема особенно актуальна на этапе формирования канала.
Одним из методов контроля каналов передачи данных является контроль по вторичным статистическим характеристикам - статистике ошибок в последовательности дискретных элементов и блоках информации с учетом зависимого характера их искажения [1].
Для оценки неизвестной вероятности используется, как правило, коэффициент ошибок по единичным элементам (кодовым комбинациям). Однако его применение целесообразно лишь на каналах с распределением ошибок, близким к независимому. Оценка состояния каналов, характеризующихся группированием ошибок элементов (что приводит к взаимосвязи искажений передаваемых блоков информации) при использовании указанного метода становится явно неадекватной и ведет к значительным ошибкам контроля. Поэтому применимость этого метода ограничивается периодом квазистационарности состояния канала связи.
Состояние канала оценивается вероятностью положительного исхода события (ошибка элемента, искажение кодовой комбинации или блока информации), а задача контроля может быть сведена к задаче проверки статистических гипотез относительно неизвестной вероятности, что позволяет характеризовать достоверность контроля вероятностями ошибок первого и второго рода.
Основной проблемой этого метода оценки канала является выбор минимально возможной длины контрольной передаваемой последовательности, а также времени проведения испытаний.
Длина контрольной последовательности выбирается исходя из конкретных условий работы (тип АПД, ее скорость) методом последовательного анализа. Длительность передачи, согласно рекомендациям МККТТ, должна составлять не менее 15 минут. Временем для испытания выбирается час наибольшей нагрузки.
Преимущество этого метода контроля заключается в том, что не требуется никакой измерительной аппаратуры, а весь контроль можно осуществить с помощью АПД и специального комплекса программ. Кроме того, этот метод подходит для контроля любых видов каналов (радиоканалов, каналов, образованных кабельными линиями связи.). С помощью этого метода можно предсказывать поведение канала, и эта оценка аналогична для каналов, образованных различными системами передачи.
Другой метод контроля - это контроль первичных статистических характеристик каналов тональной частоты (дрожание фазы, амплитудно-частотная характеристика, групповое время прохождения и другие) с помощью измерительной аппаратуры.
В общем случае этот метод можно реализовать в трех вариантах:
  1. Автоматический контроль состояния каналов ТЧ без вмешательства человека в процессе эксплуатации по одной или нескольким первичным статистическим характеристикам.
  2. Оценка скорости каналов передачи данных по первичным статистическим характеристикам.
  3. Оценка качества передачи данных по первичным статистическим характеристикам.
В первом варианте аппаратура для контроля располагается на междугородных станциях. Например, автоматический контроль канала связи в процессе его эксплуатации по одному из параметров осуществляется по остаточному затуханию или уровню помех. В случае превышения или занижения этих характеристик автоматически выдается заключение, что канал неисправен. К сожалению, этот вариант не позволяет оценить скорость и качество работы АПД.
Один из способов реализации второго варианта был предложен фирмой Аналитик-TC [2]. Ею также было проведено исследование таких каналов на предмет влияния их на передачу данных, в результате чего был обобщен опыт оценки возможной скорости, при известных первичных статистических характеристиках.
Одна из работ по оценке качества каналов передачи данных по первичным статистическим характеристикам (третий вариант) была выполнена в ВНИИ прикладных автоматизированных систем [3]. В ней исследовались различные модели модемов, работающих со скоростями до 19200 бит/с. Результатом исследований были рекомендации по оценке работоспособности модемов для передачи данных по выделенным каналам.
В целом метод контроля и оценки выделенных каналов по первичным статистическим характеристикам имеет свои недостатки:
К преимуществам метода можно отнести следующее:
Таким образом, лучшим методом контроля каналов тональной частоты можно считать контроль по первичным статистическим характеристикам. Этот метод хорош как на этапе предварительной организации канала, так и в процессе эксплуатации канала передачи данных, но с обязательным контролем по вторичным статистическим характеристикам.
Опыт эксплуатации каналов передачи данных показывает, что анализ вторичных статистических характеристик удобнее всего проводить по вероятности появления ошибочного пакета, так как другие характеристики (производительность, вероятность появления ошибочного символа и так далее), по нашему мнению, не показывают действительного положения вещей. Кроме того, при появлении ошибочного символа или бита в принятом пакете происходит повторная передача всего пакета, то есть считается, что ошибочны все символы в данном пакете.
Анализ характеристик каналов показал, что на качество передачи данных влияют лишь некоторые из них - это скачки амплитуды передаваемого сигнала, перерывы связи, импульсные помехи и скачки фазы [4].
При определении вероятности появления ошибочного пакета при передаче данных в элементах РВС корпоративных АСУ примем, что распределение символов в передаваемых пакетах и возмущения имеют равномерное распределение. Также, исходя из цели практических результатов, анализ производим на ограниченных интервалах времени.
Таким образом, вероятность появления ошибочного пакета при передаче данных определяется так:
P(t) = Ps(t) + Pa(t) + Pab(t) + Pi(t) + Pph(t). (1)
где P(t) - вероятность появления ошибочного пакета с учетом первичных статистических характеристик,
Ps(t) - вероятность появления ошибочного пакета на "идеальном" канале,
Pa(t) - вероятность появления значительных скачков амплитуды,
Pab(t) - вероятность появления перерыва связи,
Pi(t) - вероятность появления импульсной помехи,
Pph(t) - вероятность появления значительных скачков фазы.
В формуле (1) на ограниченном промежутке времени все параметры являются дискретными, измеряются в одинаковый промежуток времени и рассчитываются следующим образом:

где N - общее количество измерений за исследуемый период;
n - количество измерений, которые превысили заданный предел.
Подставив выражение (2) в формулу (1), получим:

где T - общее время измерения конкретной величины, в с;
t - время необходимое для снятия одного значения каждого первичного статистического параметра, в с;
na, nab, ni, nph - количество отклонений измеряемого параметра от заданной величины;
N - общее число измерений конкретной величины;
l - длина пакета в байтах;
np - число переданных пакетов для конкретного протокола на "идеальном" канале (этот параметр определяется как отношение скорости соединения в битах к 10 при асинхронной передаче или к 8 при синхронной передаче данных).
Подставив в формулу (3) выражения (4) и (5), получим:

Таким образом, в дальнейшем по формуле (6) можно определить вероятность появления ошибочного пакета, зная первичные статистические характеристики.

Рис. 1 Оценка канала передачи данных
Оценивать канал передачи данных, образованный при помощи каналообразующей аппаратуры с частотным разделением каналов, рекомендуется по следующей методике (см. рис. 1):
  1. Снимаются первичные статистические характеристики используемого канала. Полученные характеристики сравниваются с нормами на каналы ТЧ для передачи данных.
  2. По снятым характеристикам оценивается возможная скорость установления соединения АПД. Если ожидается работа со скоростью менее 9600 бит/с, то имеет смысл заменить канал либо проанализировать .последнюю милю..
  3. В течение длительного периода времени (не менее 15 минут) измеряются такие характеристики канала, как скачки амплитуды, импульсные помехи, скачки фазы, перерывы связи, с учетом предполагаемой скорости соединения.
  4. С помощью выражения (6) вычисляется вероятность появления ошибочного пакета, при этом считается, что аппаратная коррекция ошибок не используется.
  5. Если ожидаемые скорость и качество не удовлетворяют заказчика, то необходимо проанализировать полученные характеристики и возможно, снизить скорость или выбрать другой канал.
Таблица 1.
Периодичность контроля Контролируемые характеристики Требуемое оборудование
1. Ежедневно Вторичные статистические Программное обеспечение
2. Ежедневно Первичные статистические Аппаратура передачи данных
3. Ежемесячно Первичные статистические Измерительные приборы
Контроль состояния канала передачи данных состоит из следующих операций (см. табл. 1):
  1. Ежедневный контроль вторичных статистических характеристик при помощи программных средств, например, при помощи встроенного программного обеспечения маршрутизатора Cisco.
  2. Ежедневный контроль первичных статистических характеристик канала при помощи модемов: отношение сигнал/шум, уровень приемного сигнала, сдвиг частоты несущей, дрожание фазы.
  3. Ежемесячный контроль первичных статистических характеристик для преждевременного обнаружения тенденции изменения параметров в худшую сторону.
  4. Регулировка АПД (чувствительность, уровень на передачу, протокол передачи данных, скорость) в соответствии с полученными первичными и вторичными статистическими характеристиками.
Таким образом, предложенные методики оценки и контроля среды передачи данных теоретически должны обеспечить работу АПД с должным качеством, однако для уточнения пределов изменений характеристик, влияющих на качество передачи данных, необходимо провести эксперименты.
При эксплуатации каналов передачи данных используется разнообразная АПД. Скорости, методы модуляции, способы подключения, длины пакетов, протоколы при этом различны.
Таким образом, для экспериментального исследования каналов необходимо следующее [5]:
  1. Аппаратура, используемая во время эксперимента, должна иметь возможность регулирования уровня на передачу и чувствительности на приеме, должна поддерживать различные протоколы передачи данных.
  2. Рекомендуется использовать мобильные измерительные приборы.
  3. Должна иметься возможность для восстановления передаваемых данных на приеме. Протокол для передачи данных должен включать в себя: возможность выбора любой длины пакета передаваемых данных; время передаваемой информации; иметь заголовок пакета, состоящий из 2 байт, как у большинства протоколов; пакет должен завершаться проверочной комбинацией CRC16 или CRC32.
  4. По возможности эксперименты следует проводить на шлейфовых каналах, что позволит сосредоточить всю используемую аппаратуру в одном месте.
Исходя из перечисленного выше, была разработана программа на языке TurboC, работающая на любом IBM-совместимом компьютере под управлением MS DOS 3.30 и выше, с любым из четырех последовательных портов со скоростями от 300 до 115200 бит/с.
В качестве данных использовалась информация, полученная при помощи генератора псевдослучайных чисел.
При проведении экспериментов возможно использование любых модемов, но предпочтение было отдано 4-проводным модемам, так как у них есть регулировка выходного уровня сигнала, и они могут подключаться как по 4-проводному, так и по 2-проводному входу.
В качестве измерительной аппаратуры рекомендуется использовать TDA-5 фирмы Аналитик-ТС.
Схема эксперимента была выбрана следующая:
  1. При помощи TDA-5 в течение 15-20 минут снимаются характеристики исследуемого канала. На передачу ставится такой уровень, чтобы на входе в каналообразующую аппаратуру он равнялся -28 дБ. Этот же уровень устанавливается и у АПД.
  2. Отключается TDA-5, и подключается АПД, которая будет работать в режиме поочередной передачи данных в течение суток или более с интервалом 15 минут. Если АПД 2-проводная, то для перехода в 4-проводный режим она предварительно включается в дифсистему.
  3. Как только канал начинает "портиться" либо "улучшаться" (это становится ясно из среднего количества принятых с ошибками блоков за определенное время, например за 5 минут), передача данных прерывается и производятся измерения характеристик канала.
  4. По завершению передачи данных подключается TDA-5 и снимаются первичные статистические характеристики.
Эксперименты проводились на реальных, шлейфовых каналах, внутренних АТС, ТфОП, цифровой сети делового обслуживания "Искра-2" [6].
Для соединения использовались все доступные исследуемой АПД протоколы. Особое внимание уделялось V.32, V.32bis, V.34 в связи с их наибольшей распространенностью.
Во время эксперимента длина передаваемых пакетов менялась от 16 байт до 32 Кбайт. Правильность принимаемой информации оценивалась при помощи CRC16. Результаты протоколировались (см. табл. 2).
Таблица 2.
Протокол # ______ испытания каналов Дата _________ время начала _______ время окончания ________ Результаты испытаний:
Количество пакетов
Переданных Верных Неподтвержденных Ошибочных
      Неполных CRC Всего
           
Количество неверных Количество переходов
байт бит из 1 в 0 Из 0 в 1
       
Побитный анализ каждого ошибочного пакета
Полученные результаты показали, что выделенные аналоговые каналы и учрежденческие АТС рекомендуется использовать в качестве среды передачи данных распределенных вычислительных сетей корпоративных АСУ на скоростях от 14400 до 31200 бит/с (вероятность появления ошибочного пакета не хуже 0,12).
Для сопоставление теоретических расчетов и экспериментальных данных использовалась программа STADIA. Данные экспериментов подтвердили зависимость между первичными и вторичными статистическими характеристиками, выявленную ранее.
В табл. 3 приведены предельные значения некоторых первичных статистических характеристик, влияющих на качество передаваемой информации, полученные путем их сопоставления.
Таблица 3.
Параметр Скорость, бит/с
  <2400 < 7200 <14400 <19200 <31200
Скачки амплитуды, дБ >10 >8 >4 >1,5-2,0 >1-1,5
Импульсные помехи, дБ >10 >8 >4 >1,5-2,0 >1-1,5
Перерывы связи, дБ >10 >8 >4 >1,5-2,0 >1-1,5
Скачки фазы, град - >3 >1,5-2,0 >1 >1
Ps(t) 0 3 5 15 25
Данные в табл. 3 представлены для 4-проводного режима. При использовании 2-проводного соединения необходимо учитывать влияние эха, хотя влияние последнего проявляется в уменьшении отношения сигнал/шум. При уменьшении длины пакета до 512 байт этот коэффициент может быть уменьшен в 1,5 раза. Дальнейшее уменьшение длины пакета перестает давать выигрыш в производительности.
Также анализ полученных данных позволил найти следующую аналитическую зависимость (7), что дает возможность в дальнейшем рассчитать вероятность появления ошибочного пакета с учетом его длины:
Pr(t) = P(t) x Ksize, (7)
где P(t) - вероятность появления ошибочного пакета, длина 1024 байта,
Pr(t) - вероятность появления ошибочного пакета с учетом Ksize,
Ksize - поправочный коэффициент, зависящий от длины пакета:
Ksize = 1 - для длин пакета, соизмеримых с P (ожидаемая производительность);
Ksize = 1,83 - для пакетов длиной 2P;
Ksize = 0,5 - для пакетов длиной P/2;
Ksize = 0,43 - для пакетов длиной менее P/2.
Ожидаемая производительность модема рассчитывается так:

где V - скорость соединения модема, бит/с,
lv - параметр, зависящий от типа соединения (синхронный или асинхронный):
при первом lv = 8,
при втором lv = 10.
На рис. 2, 3 представлены вероятности появления ошибочного пакета на каналах Махачкала - Москва и Калининград - Москва, расчетные и реальные (для реальных пакетов длиной 70 и 32 байта соответственно). Расчеты производились исходя из характеристик канала, полученных за 15-минутный интервал времени. Это дало некоторую погрешность, которая уменьшается при увеличении длительности сбора необходимых параметров.
Рис. 3 показывает как с помощью формулы (7) удалось повысить качество передаваемой информации за счет настройки АПД, а именно, за счет понижения уровня на передачу до нормы.
Рис. 2. Вероятность появления ошибочного пакета на канале Махачкала - Москва: 1 - 3 - прогнозируемая вероятность появления ошибочного пакета при длинах 1024, 512, 256 и менее соответственно, 4 - реальная вероятность ошибочного пакета
Произведенная апробация формулы для определения вероятности появления ошибочного пакета (7) показала ее практическую пригодность и возможность не только рассчитать качество среды передачи данных РВС корпоративных АСУ на этапе ее формирования, но и выявлять нарушения норм на АПД, что позволяет контролировать установки модемов, а значит, повысить их производительность.
Рис. 3. Вероятность появления ошибочного пакета на канале Калининград - Москва: 1 - 3 - прогнозируемая вероятность появления ошибочного пакета при длинах 1024, 512, 256 и менее соответственно, 4 - реальная вероятность ошибочного пакета, 5 - реальная вероятность ошибочного пакета после настройки АПД

Литература

  1. Мухин С.В. Выбор метода контроля канала тональной частоты// Судостроительная промышленность. Сер. СА, П, ПУ, 1997. - Вып. 31. - С. 59-63.
  2. Модемы: разработка и использование в России. /Сборник подготовлен специалистами фирмы "Аналитик-ТС"//Технологии электронных коммуникаций. М., 1995 - Т. 62. - 128 с.
  3. Исследование работоспособности модемов передачи данных на каналах тональной частоты и физических линиях/Мещаряков В.В., Теремецкий В.Е., Кракиновский С.Л., Козлов Л.А. - Препр. - М: ВНИИ прикладных автоматизированных систем, 1990. - 58 с.
  4. Мухин С.В. Определение вероятности появления ошибочного пакета при известных первичных статистических характеристиках на канале тональной частоты//Методы оценки систем и передачи данных//Сб. науч. тр. - М.: МАЭН, 1999. - С. 108 - 115.
  5. Мухин С.В. Метод сбора статистики при работе по стандартному каналу тональной частоты, предназначенному для передачи данных//Методы оценки систем и передачи данных//Сб. науч. тр. - М.: МАЭН, 1999. - С. 84 - 97.
  6. Мухин С.В. Эксперименты на каналах тональной частоты//Методы оценки систем и передачи данных//Сб. науч. тр. - М.: МАЭН, 1999. - С. 97 - 108.


Назад




Домой Гостевая книга Письмо Артур Конан Дойл Попытка (сказки)
1997-2014
Завтрак связиста