Оценка эффективности механизмов случайного и определенного доступа абонентов к широкополосной сети спутниковой связи

Актуальность. Рост числа терминалов и интенсивности подключений в спутниковых сетях с топологией «звезда» обостряет задачу выбора эффективного механизма доступа к общему радиоканалу. Существующие подходы – определенный (TDMA) и случайный (ALOHA) доступ – имеют существенные ограничения, а критерии их выбора в зависимости от нагрузки недостаточно формализованы.

Целью исследования является сравнение эффективности двух рассматриваемых механизмов и выявлении условий, при которых один из них обеспечивает лучшую производительность. В ходе исследования были использованы методы аналитического и имитационного моделирования. Для случайного доступа строго выведена формула математического ожидания числа слотов, занятых ровно одним терминалом. Аналитическая модель верифицирована с помощью стохастического моделирования на Python.

Результат. Получена и подтверждена аналитическая модель, точно прогнозирующая эффективность случайного доступа.

Научная новизна. Впервые строго выведена и верифицирована формула для ожидаемого числа успешно занятых слотов, что позволяет оценивать производительность без ресурсоемкого моделирования. Установлен количественный критерий выбора между определенным и случайным доступом. Модель учитывает реальную конкуренцию терминалов и применима к протоколам ALOHA и TDMA.

Практическая значимость. Представленное решение предлагается использовать при проектировании и адаптивном управлении MAC-уровнем в спутниковых сетях VSAT, IoT-системах и сетях телеметрии. Полученные критерии выбора механизма доступа могут быть реализованы в виде алгоритмов динамической реконфигурации в программно-конфигурируемых сетях (SDN), позволяя автоматически переключаться между режимами в зависимости от текущей нагрузки. Это обеспечит оптимальное использование полосы пропускания, минимизацию задержек и повышение общей устойчивости сети

1. Зинкин С.В., Мурсаев А.Н. Особенности многостанционного доступа с временным разделением каналов в системах спутниковой связи // Наука, техника и образование. 2021. Т. 7(82). С. 11–15. DOI:10.24411/2312-8267-2021-10701. EDN:DOOFCL

2. Перегудов М.А., Стешковой А.С. Модель централизованной синхронизации элементов сетей цифровой радиосвязи со случайным множественным доступом к среде типа CSMA/CA // Труды СПИИРАН. 2020. Т. 19. № 1. С. 128–154. DOI:10.15622/sp.2020.19.1.5. EDN:UHASTF

3. Pratt T., Bostian C.W., Allnutt J.E. Satellite Communications. Wiley, 2003.

4. Stallings W. Data and Computer Communications. Pearson, 2017.

5. Чуднов А.М. Математические основы моделирования, анализа и синтеза систем. СПб.: ВАС, 2021. EDN:YKTFWD

6. Аниканов Г.А., Коновальчик П.М., Моргунов В.М., Овчаров В.А. Контролируемый многомодельный доступ к среде беспроводных сетей передачи данных // Труды СПИИРАН. 2015. № 1(38). С. 246–286. EDN:TQURCP

7. Petkovic M., Devaja T., Vukobratovic D., Escribano F.J., Stefanović Č. Reliability Analysis of Slotted Aloha with Capture for an OWC-based IoT system // Proceedings of the 17th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS, Berlin, Germany, 06–09 September 2021). IEEE, 2021. DOI:10.1109/ISWCS49558.2021.9562172

8. Sklar B. Digital Communications: Fundamentals and Applications. Pearson, 2021.

9. Степанов С.Н. Модель совместного обслуживания трафика сервисов реального времени и трафика данных. II // Автоматика и телемеханика. 2011. № 5. С. 139–147. EDN:NTUBKV

10. Чуднов А.М., Положинцев Б.И., Кичко Я.В. Анализ помехозащищенности обмена данными группы беспилотных летательных аппаратов в условиях оптимизированных помех // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 33−47. DOI:10.18127/j00338486-202212-03. EDN:BDEIHK

11. Пономарев Д.Ю., Демичева А.А., Гаипов К.Э. Имитационная модель обслуживания вызовов в спутниковой сети с учетом использования частотного ресурса // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2023. Т. 11. № 4(43). С. 29. DOI:10.26102/2310-6018/2023.43.4.014. EDN:LBZEVH

12. Ross S.M. Introduction to Probability Models. Academic Press, 2019.