IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В статье изложены основные принципы функционирования подсистемы связи диспетчерской навигационной службы (ДНС), описан процесс кодирования данных в структуре GPRS, а также приведён численный расчёт пропускной способности ДНС.

Принцип работы подсистемы связи ДНС

Подсистема связи, входящая в состав диспетчерской системы, осуществляет двухстороннюю связь между абонентским терминалом, установленным на борту транспортного средства и сервером диспетчерского центра. Передача и приём мониторинговых данных осуществляется через каналы данных сети GSM. Для повышения скорости обмена данными через GSM-сети был разработан сервис пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service). Особенностью данной службы является более оптимальное и рациональное распределение радиочастотного ресурса.

GPRS позволяет транспортировать пакеты форматов IP и X.25, однако, для рассматриваемой подсистемы связи, больше подходит формат IP. Для GPRS нет огромного значения в том, какой протокол будет работать поверх IP. Следовательно, для использования подходят всё стандартные протоколы Internet (TCP, UDP, HTTP, SSL, IPSec). Стоит отметить, что ни один канал внутри GPRS не предназначен для передачи данных целиком, что является качественным отличием от других используемых технологий.

В сети GPRS существует определённый набор классов качества обслуживания (Quality of Service, QoS), каждый из которых предоставляет пользователям сети сервис доставки данных, или транспортный сервис.

В общем случае, классы QoS распределяются по следующим признакам:

• По необходимому приоритету: в службе GPRS предусмотрено три уровня приоритетов – низкий, нормальный и высокий. С их помощью устанавливается выполнение обслуживающих процедур в случае чрезвычайных или аварийных ситуаций, а также при перегрузке сети. В таблице 1 приведена интерпретация каждого уровня приоритета.

Классы приоритетов Таблица 1

Приоритет	Название	Обозначение
1	Высокий приоритет	Обслуживающие процедуры имеют преимущество над классами 2 и 3
2	Нормальный приоритет	Обслуживающие процедуры имеют преимущество над классом 3, но выполняются после класса 1
3	Низкий приоритет	Обслуживающие процедуры выполняются после классов 1 и 2

• По надежности: в службе GPRS присутствуют пять классов надёжности. В каждом классе определяется вероятность потери, ошибочного редактирования или дублирования последовательности пакетов. Путём комбинации режимов GTP (GPRS Tunneling Protocol), LLC (Logical Link Channel), RLC (Radio Link Channel) определяется производительность для каждого класса надёжности. По сути, GPRS предоставляет возможность выбора необходимых характеристик надёжности в широком диапазоне возможностей. В таблице 2 приведены классы надёжности, а также их характеристики.

Классы надёжности Таблица 2

Класс надежности	Режим GTP	Режим кадров LLC	Режим защиты данных LLC	Режим блоков RLC	Тип трафика
1	С подтвержде-нием	С подтвержде-нием	Защищен-ный	С подтвер-ждением	Не в реаль-ном времени
2	Без подтвержде-ния	С подтвержде-нием	Защищен-ный	С подтвер-ждением	Не в реаль-ном времени
3	Без подтвержде-ния	Без подтвержде-ния	Защищен-ный	С подтвер-ждением	Не в реаль-ном времени
4	Без подтвержде-ния	Без подтвержде-ния	Защищен-ный	Без подтвер-ждения	В реаль-ном времени
5	Без подтвержде-ния	Без подтвержде-ния	Незащи-щенный	Без подтвер-ждения	В реаль-ном времени

• По задержкам: При обработке пакетов данных маршрутизаторы GPRS вносят задержки в передачу данных. Задержки зависят от имеющихся сетевых ресурсов, выделяемых оператором для обслуживания конкретного трафика. Канал GPRS ведёт оптимизацию по всем классам задержек, среди которых класс best effort является обязательным.

• По производительности: Производительность сети определяется при помощи двух параметров “максимальная битовая скорость” и “средняя битовая скорость”.

Кодирование данных в канальной структуре GPRS

Для передачи трафика в GPRS-сети используются логические каналы, называемые PDCH (Packet Data Channel) и оптимизированные для пакетной передачи данных. Для транспортировки информационных пакетов данных используется канал PDTCH (Packet Data Traffic Channel). Канал PBCCH (Packet Broadcast Control Channel) обеспечивает передачу общесистемной и широковещательной информации. Стоит также обратить внимание на пакет PCCCH (Packet Common Control Channel). Данным способом передаётся вся управляющая информация. Однако, в системе GPRS этот канал выполняет ряд дополнительных функций. По PCCCH передаются служебные сообщения о вызове, указывающие на начало пакетной передачи. Кроме того, базовая станция транспортирует данные о распределении сетевых ресурсов. Стоит отметить, что этот канал не обязателен для всех ячеек сети GSM, а для получения служебной информации может использоваться стандартный канал управления.

Данные в GPRS передаются со скоростью 270.833 кбит/с. Как и в GSM, один символ кодированной информации в канале GPRS соответствует одному модулированному символу. Формат канального интервала включает в себя 116 бит информации (из них два – служебных), обучающая последовательность длиной в 26 бит и 6 конечных символов.

Технология GPRS использует четыре способа кодирования данных, именуемые как Coding Schemes (CS). Каждая из схем повышает глобальную гибкость передачи и пропускную способность системы связи. Исходя из выбора метода кодирования информации, на один канал обеспечивается следующая скорость передачи данных:

• Для CS-1 – 9.05 кбит/с;

• Для CS-2 – 13.4 кбит/с;

• Для CS-3 – 15.6 кбит/с;

• Для CS-4 – 21.4 кбит/c.

Стоит отметить, что оптимизация качества связи зависит от соотношения сигнал-помеха (С-П). Так, схема CS-1 обеспечивает стабильное соединение в любых условиях, но, за счёт низкой скорости передачи данных, наиболее удобна для передачи коротких сигналов и сообщений. CS-2 передает, по большей части, информационный, тем самым позволяя увеличить пропускную способность сети. Варианты CS-3 и CS-4 обеспечивают наивысшую скорость передачи данных при значительном значении отношения сигнал-помеха, но уступает двум ранее упомянутым схемам при С-П, меньшем 9 дБ.

Расчёт пропускной способности подсистемы связи

В диспетчерских навигационных системах принято использовать кодировку CS-2 при передаче данных по каналу GPRS. Следовательно, скорость передачи информации имеет значение 13.4 кбит/c. Предположим, что на абонентский терминал выдан 2-х канальный интервал. В этом случае, пропускная способность будет равняться 26.8 кбит/с.

За объем сообщения одной транспортной единицы примем 200 байт. Также определим минимальный размер автопарка в 50 автомобилей.

Все необходимые данные обозначены, произведём расчёт объёма передаваемой информации: 50 * 200 = 10000 байт, или же 10 килобайт.

Справедливо заметить, что при росте автопарка объём информации также будет увеличиваться. Так, для 100 транспортных единиц передаётся информация размеров 20 килобайт, для 150 – 30 килобайт, для 200 – 40 килобайт.

При расчёте и построении матрицы пропускной способности учитываются интервалы времени передаваемых данных. Пусть информация передаётся по каналу связи со следующими интервалами времени t:

t₁ = 1 с; t₂ = 5 с; t₃ = 10 с; t₄ = 30 с; t₅ = 60 с.

Рассчитаем пропускную способность подсистемы связи для каждого из размеров автопарка. Чтобы получить нужный результат необходимо произвести деление объёма передаваемой информации на временной интервал. Таблица 3 отражает все возможные значения пропускной способности подсистемы связи.

Матрица пропускной способности подсистемы связи Таблица 3

Размер автопарка Временной интервал, с	50 транспортных единиц	100 транспортных единиц	150 транспортных единиц	200 транспортных единиц
1	80 кбит/с	160 кбит/с	240 кбит/с	320 кбит/с
5	16 кбит/с	32 кбит/с	48 кбит/с	64 кбит/с
10	8 кбит/с	16 кбит/с	24 кбит/с	32 кбит/с
30	2,67 кбит/с	5,33 кбит/с	8 кбит/с	10,67 кбит/с
60	1,33 кбит/с	2,67 кбит/с	4 кбит/с	5,33 кбит/с

Пропускная способность канала рассчитана для передачи информации с 200 транспортных единиц с интервалом передачи в 30 с. При передаче с более короткими интервалами, получаем задержку в передаче данных.

Рассчитаем критические показатели для различных вариантов:

Минимальное время передачи данных, зависящее от размера автопарка, при пропускной способности равной 26,8 кбит/с (3,35 кбайт/с):

200 машин – 40 кбайт / 3,35 кбайт/с = 12 с;

150 машин – 9 с; 100 машин – 6 c; 50 машин – 3 с.

Максимальное количество машин, зависящее от интервалов времени, при пропускной способности 26,8 кбит/с (3,35 кбайт/с):

1 секунда – 3,35 кбайт/с * 1 с = 3,35 кбайт – 16 машин;

5 секунд – 3,35 кбайт/с * 5 с = 16,75 кбайт – 83 машины;

10 секунд – 3,35 кбайт/c * 10 c = 33,5 кбайт – 167 машин;

30 секунд – 3,35 кбайт/c * 30 c = 100,5 кбайт – 502 машины;

60 секунд – 3,35 кбайт/с * 60 с = 201 кбайт – 1005 машин.

Рассчитаем реально требуемую пропускную способность канала исходя из того, что:

Автопарк с количеством машин – 150, каждая машина посещает 20 отделений связи во время своего рейса. Из каждого отделения связи должна поступить информация о прибытии ТС. Итого – это 3000 сообщений объемом 600 кбайт, которые нужно передать за 8-ми часовую рабочую смену.

То есть – 600 кбайт за 28800 секунд. По известной ранее формуле получим: 600 кбайт / 28800 с = 0,0208 кбайт/с = 0,1667 кбит/с.

Выводы:

В статье рассмотрены особенности работы подсистемы связи диспетчерской навигационной службы, варианты кодировки данных в канале GPRS, а также построена матрица пропускной способности и рассчитаны критические показатели.

Стоит отметить, что для реальных условий требуемая пропускная способность канала составляет сравнительно малую величину, достигаемую при любой схеме кодирования GPRS, не требуя при этом предоставления более 1-го канального интервала. Даже если мы добавим сюда аварийные сигналы, не предвиденные заранее, в любом случае пропускная способность канала с легкостью позволит передавать требуемую информацию без каких-либо задержек со стороны оборудования.

Список литературы:

1. Максименко В.Н., Мамзелев С.И. Оценка качества услуг пакетной передачи данных в сетях связи: Учебное пособие/МТУСИ. – 2005 г., 67 с.

2. Научно-производственный журнал «Автотранспортное предприятие»: ЗАО «НПП Транснавигация»: 2016 - 72 с.

3. В. В. Комаров, С. А. Гараган. Архитектура и стандартизация телематических и интеллектуальных транспортных систем. Зарубежный опыт и отечественная практика. М.: НТБ «Энергия», 2012.

4. ГОСТ 32422-2013 «Глобальная навигационная спутниковая система. Системы диспетчерского управления городским пассажирским транспортом. Требования к архитектуре и функциям».

Код для цитирования: Скопировать