Управління помилками при передачі інформації по каналах зв`язку

Зміст

Завдання

Види способів управління помилками

Метод луна-контролю

Механізм передачі "бездіяльність - ЗПР"

Механізм передачі "безперервна передача - ЗПР"

Опис послідовності передачі кадрів в механізмі обміну даними "повернення-к-N" при наявності спотворень I-кадру і ACK-кадру

Опис часових параметрів затримки в каналі зв'язку при передачі інформації між ПС і ВС

Опис механізму тайм-ауту і механізму вікна

Механізм тайм-ауту

Механізм вікна

Розрахунок ефективності використання пропускної здатності каналу зв'язку

Дослідження залежності величини ефективності використання каналу зв'язку від його пропускної здатності

Дослідження залежності величини ефективності каналу зв'язку від довжини переданих пакетів

Знаходження максимальної довжини фізичного каналу зв'язку, при якій його ефективність близька до 100%, а коефіцієнт "а" залишається менше 1

Аналіз та визначення швидкості передачі і довжини кадру, при яких ефективність використання каналу зв'язку максимальна

Висновки

Завдання

Вихідні дані для розрахунку:

тип каналу зв'язку: радіоефір (супутниковий зв'язок), (М / с);
довжина каналу зв'язку (М);
швидкість передачі інформації (Мбіт / сек);
довжина кадру (Біт);
розмір вікна ;
імовірність спотворення одного біта ;
режим обміну - "повернення-к-N".

Види способів управління помилками

При передачі інформації по каналах зв'язку важливим є не тільки контроль і виявлення помилок переданої послідовності бітів, але і можливість виправлення спотвореного кадру або символу. Зазвичай виправлення виконується виконуючим пристроєм: коли помилку виявлено, воно сповіщає відправника інформації про це, а той, у свою чергу, посилає нову копію спотвореного кадру одержувачу. Повний цикл виявлення та виправлення помилок прийнято називати управлінням помилками.

Існує дві основні стратегії управління помилками: луна-контроль і автоматичний запит на повторення.

Метод луна-контролю

Метод луна-контролю використовується, головним чином, за асинхронної передачі символьно-орієнтованої інформації, наприклад, від терміналу до віддаленого комп'ютера. Існують два режими обміну: локальний і віддалений.

У локальному режимі передається символ пересилається комп'ютера і одночасно виводиться на екран терміналу (рис. 1).

У віддаленому режимі символ спочатку надсилається в комп'ютер, а потім повертається назад (відображається як відлуння), і тільки після цього виводиться на екран терміналу (рис. 2).

Рис. 2

Якщо повернений символ не збігається з посланим, то користувач посилає комп'ютера керуючий символ (Видалення), тим самим сповіщаючи комп'ютер про те, що попередній символ був отриманий ним невірно і повинен бути ігнорований (рис. 3).

Рис. 3

Як правило, метод луна-контролю є саморегулюючим, однак якщо буферна пам'ять віддаленого комп'ютера переповнюється, то він перестає відображати символи назад на екран терміналу. Комп'ютер буде читати символи, а потім їх анулювати. З цієї причини використовується додатковий механізм автоматичного управління потоком, що гарантує припинення посилки символів терміналом до тих пір, поки не буде ліквідовано стан перевантаження комп'ютерів.

Цей механізм полягає в тому, що комп'ютер повертає терміналу спеціальний символ " -Скинутий ", який вказує на необхідність припинення посилки символів, а після ліквідації стану завантаження комп'ютер посилає терміналу парний до символу" -Скинутий "символ" -Встановлено ". Таким чином, даючи знати керуючому вузлу терміналу, що він може відновити посилку символів (рис. 4).

Рис. 4

Аналогічний механізм використовується при взаємодії комп'ютера з менш швидкодіючими терміналами, наприклад, принтерами. У цьому випадку потік символів регулює керуючий вузол терміналу.

Ехо-контроль вимагає, щонайменше, дворазової пересилання кожного символу при безпосередній участі самого користувача і, отже, щодо неефективно використовує пропускну здатність каналу зв'язку. Однак внаслідок своєї простоти луна-контроль широко застосовується в багатьох системах обміну інформацією.

Автоматичний запит на повторення використовується у випадку, коли користувач не залучений безпосередньо до процесу передачі даних, оскільки обмін інформацією між двома вузлами обладнання системи здійснюється декількома методами і автоматично. Загальним для всіх методів є те, що вони вимагають повернення лише невеликого повідомлення або кадру, який подаватиметься у правильності чи неправильності прийнятого кадру, а не повторній передачі його копії.

Це особливо важливо при кадрів-орієнтованої передачі, коли пересилається кадр може містити достатньо велика кількість байтів або символів. Таке використання схеми сповіщення ( і -Кадри) називається автоматичним запитом на повторення.

У залежності від обсягу буферної пам'яті та пропускної здатності каналу зв'язку можливі 2 найбільш часто реалізуються режиму роботи схеми сповіщення: "бездіяльність - ЗПР" (надіслати-і-чекати) і "безперервна передача - ЗПР". Останній режим може застосовувати або стратегію вибіркової повторної передачі, або механізм "повернення-к-N".

Механізм передачі "бездіяльність - ЗПР"

Режим "бездіяльність - ЗПР" найменш ефективно використовує пропускну здатність каналів зв'язку. Розглянемо 3 режиму роботи цього механізму:

При передачі без помилок.
При спотворенні I-кадру.
При спотворенні ACK-кадру.

Рис. 5

- Час затримки при передачі даних (від першої станції до другої);

- Час передачі -Кадру;

- Час обробки -Кадру приймаючої станцією;

- Час передачі -Кадру;

- Час обробки -Кадру приймаючої станцією.

У багатьох випадках передачі даних -Кадри передаються одночасно в обох напрямках, позначимо джерело -Кадрів як ПС, а їх приймач - НД Для простоти буде розглядатися тільки односторонній потік.

У режимі "бездіяльність - ЗПР" використовується наступний порядок обміну кадрами:

ПС може мати тільки один виділений -Кадр, що очікує сповіщення ( -Кадр).
Ініціюючи пересилання -Кадру, ПС запускає таймер.
Якщо ПС отримує -Кадр або ПС отримує -Кадр, що містить помилки, то ці кадри анулюються.

Отримавши -Кадр, що не містить помилок, ВС повертає ПС кадр .
Отримавши -Кадр, що не містить помилок, ПС може послати наступний -Кадр.
Якщо ПС не отримує -Кадр протягом деякого заздалегідь заданого проміжку часу, званого інтервалом тайм-ауту, то вона знову посилає очікує -Кадр.

Ця схема забезпечує надходження принаймні однієї правильної копії, переслані ПС, однак якщо спотворює, а отже і анулює сам кадр , То можливо, що ВС отримає 2 або більше копії одного -Кадру. Їх називають "дублікатор". НД зберігає ідентифікатор останнього -Кадру, що надійшов без помилок, і анулює всі знову надходять -Кадри, якщо раніше вона вже їх отримувала без помилок (рис. 6).

Рис. 6

Щоб забезпечити ПС можливість нової синхронізації, ПС у відповідь на кожен правильно поступив кадр посилає -Кадр.

Метод "бездіяльність - ЗПР" неефективно використовує пропускну спроможність каналів зв'язку, оскільки в кращому разі повний час очікування первинної станцією одно:

(1)

Тільки по закінченню цього часу ПС може послати новий -Кадр, навіть якщо попередній кадр був правильно отриманий НД У найгіршому випадку затримка дорівнює інтервалу тайм-ауту, який для коректної роботи механізму завжди повинен бути більше . У силу цього деякі схеми "бездіяльність - ЗПР" використовують додатково кадр негативного сповіщення - -Кадр, що дозволяє НД негайно повідомити про надходження спотвореного -Кадру, а не чекати, поки механізм тайм-ауту ініціює посилку нової копії -Кадру.

Основною перевагою методу "бездіяльність - ЗПР" є те, що для нього вимагається мінімальна буферна пам'ять, тому що ПС і ВС повинні містити буферну пам'ять тільки для одного кадру. Для виявлення дублікатів досить зберігати запис ідентифікатора тільки останнього правильно отриманого кадру.

Завдяки мінімальним вимогам до пам'яті механізм "бездіяльність - ЗПР" широко використовується тоді, коли на одному з кінців з'єднання використовується порівняно прості пристрої (термінали або прилади).

Механізм передачі "безперервна передача - ЗПР"

При цьому механізмі ланка даних використовується значно ефективніше в порівнянні з механізмом "бездіяльність - ЗПР" за рахунок підвищення вимог до обсягу буферної пам'яті.

На рис. 7 показано робота цього механізму передачі. Передбачається, що помилок при передачі кадрів немає.

Рис. 7

ПС безперервно посилає -Кадри, не чекаючи повернення -Кадрів. ПС зберігає копію кожного надісланого -Кадру в списку повторних передач. Список повторних передач функціонує в режимі FIFO. НД повертає -Кадр для кожного правильно прийнятого -Кадру. Кожен -Кадр містить унікальний ідентифікатор, що повертається у відповідному кадрі . НД веде так званий список надходжень, що містить ідентифікатори останніх правильно отриманих -Кадрів. При отриманні -Кадру ПС виключає відповідний -Кадр зі списку повторних передач. З діаграми послідовності кадрів видно, що при відсутності помилок передачі ефективність використання ланки даних буде завжди дорівнює 1, якщо тільки передача -Кадрів не буде чим-небудь обмежена.

На рисунку 8 представлений принцип роботи механізму "повернення-к-N" при спотворенні -Кадру. При цьому передбачається, що кадр спотворений, й чинить у ЗС кадр порушує порядок надходження кадрів. У цьому випадку ПС, отримавши кадр, посилає для цього кадру, вказуючи, що останнім кадром, правильно їй отриманим, був кадр .

Рис. 8

ПС після відправки кадру анулює і всі наступні кадри - . Це буде тривати до тих пір, поки вона не отримає наступний по порядку за правильно отриманим кадр. Після його отримання НД почне працювати в нормальному режимі.

Нехай при передачі спотворюються -Кадри (рис. 9), але НД отримує все -Кадри правильно. Нехай будуть перекрученими і . Отримавши , ПС виявляє, що в списку повторних передач є два ( і ) Виділених -Кадру. Оскільки використовується кадр , А не , То ПС вирішує, що попередні два кадри ( і ) Були спотворені, але при цьому ПС правильно отримувала , і -Кадри.

Стратегія "повернення-к-N" забезпечує правильний порядок -Кадрів, скорочуючи вимоги до обсягу буфера.

Оскільки даний алгоритм вимагає повторної передачі деяких вже правильно отриманих кадрів -Кадрів, то він використовує пропускну здатність ланки менш ефективно, ніж метод вибіркової повторної передачі.

Рис. 9

Опис часових параметрів затримки в каналі зв'язку при передачі інформації між ПС і ВС

Відношення значень різних компонент, що складають (Формула 1), різна для різних типів ланок даних. Воно визначається такими факторами як фізична віддаленість одна від одної систем зв'язку (ПС і ВР) і швидкістю передачі даних по ланці. Практично час обробки кадру і час , Пов'язаного з ним кадру, відносно мало в порівнянні з часом передачі. Крім того, так як -Кадр значно коротше -Кадру, той час, який закінчується до того, як може бути переданий наступний -Кадр, найчастіше приблизно вважається рівним , Тому ефективність наявної пропускної здатності ланки даних обчислюється як

, (2)

де (При відсутності помилок при передачі).

Затримка передачі дорівнює часу, необхідному електричному сигналу, щоб досягти іншого кінця лінії зв'язку. Отже, воно буде однаковим для обох напрямів і для обох кадрів ( і ). Швидкість розповсюдження в кращому випадку дорівнює швидкості поширення світла. У реальних провідниках вона менше ( м / с).

Таким чином, затримка передачі дорівнює фізичній відстані ( ) Між станціями, поділеному на швидкість передачі електричного сигналу по лінії ( ). Велике значення має відношення , Тому що воно співвідносить час затримки передачі сигналу з часом, необхідним для передачі кадру. Зазвичай це відношення коливається від невеликого значення (для невеликих ланок) до великих значень для довгих ланок і високої швидкості передачі:

Для відносно коротких ланок, для яких , Ефективність їх використання близька до 1 і не залежить від його пропускної здатності.
Для більш довгих наземних кабелів ефективність ланок висока ( ) За низької пропускної здатності й істотно падає при її збільшенні.
Для супутникового зв'язку ефективність мала навіть за низької пропускної здатності.

Звідси можна зробити висновок, що цей протокол не підходить для супутникового зв'язку, а також для ліній наземного зв'язку з високою пропускною здатністю.

У реальних умовах лінії володіють ненульовим рівнем перекручених бітів, отже успішна передача кадру вимагатиме в середньому повторних передач. У зв'язку з цим вираз для ефективності буде мати наступний вигляд:

(3)

Значення можна визначити, якщо відома імовірність спотворення одного біта переданих в каналі даних . У цьому випадку ймовірність того, що кадр буде спотворений дорівнює , А - Імовірність того, що кадр переданий без помилок. Тут - Довжина кадру в бітах.

Опис механізму тайм-ауту і механізму вікна

Механізм тайм-ауту

Механізм тайм-ауту полягає в тому, що ПС перед відправленням чергового -Кадру запускає внутрішній таймер (рис. 6). Таймер відраховує певний проміжок часу, званий тайм-аутом. Якщо протягом цього тимчасового інтервалу в УК не надійде підтверджує прийняття НД відісланого -Кадру -Кадр, то ПС вирішує, що кадр був загублений, і виконує повторну передачу того ж -Кадру.

Вибір величини тайм-ауту може сильно впливати на ефективність використання передавального каналу. Тайм-аут не повинен бути занадто коротким, щоб по можливості виключити надлишкові повторні передачі, що виникають із-за тимчасового збільшення затримок в каналі (наприклад, через тимчасову перевантаження). У той же час він не повинен бути занадто великим, щоб уникнути тривалих простоїв каналу. При виборі величини тайм-ауту повинні враховуватися такі параметри каналу зв'язку як його протяжність, швидкість передачі даних, а також імовірність появи помилки в каналі.

Механізм вікна

У режимі безперервної передачі ЗПР ПС може безперервно посилати -Кадри, не чекаючи відповідного повідомлення. Тому в такому режимі передачі у приймальні станції буферна пам'ять може переповнюватися, тобто вона не зможе обробляти кадри з тією ж швидкістю, з якою їх отримує. Щоб врахувати це, в зазначену схему включають додатковий регулюючий механізм, який забезпечує передачу обмеженого числа -Кадрів до отримання повідомлення.

Для цього ПС стежить за числом виділених, які не отримали повідомлення -Кадрів, що зберігаються в поточний момент у списку повторних передач. Якщо при цьому ПС виявиться не в змозі прийняти наступні кадри, то вона припинить повернення -Кадрів. Список повторних передач в ПС заповниться, що в свою чергу послужить для ПС сигналом, оповіщає її про необхідність припинити посилку -Кадрів, аж до отримання повідомлення. Для реалізації цієї схеми встановлюється верхня межа числа -Кадрів, виділених у списку повторних передач. Ця межа називають вікном передачі ланки. Межа вибирається таким, щоб не придушувати потоку -Кадрів по ланці за умови, що приймальна станція встигне сприйняти всі вступники -Кадри. Такі фактори як мінімальна довжина кадру, обсяг доступної буферної пам'яті, швидкість передачі бітів повинні бути спільно враховані при визначенні вікна передачі.

Функція механізму вікна може бути представлена у вигляді діаграми (рис. 10).

ПС забезпечує запис, що зберігає число -Кадрів в списку повторних передач, які очікують повідомлення. Цей запис називають лічильником повторних передач. При передачі кожного -Кадру значення лічильника збільшується на 1. Відповідно після отримання кожного -Кадру і пов'язаного з цим видалення -Кадру зі списку повторних передач, значення лічильника зменшується на 1. Якщо значення лічильника повторних передач стає рівним вікна передач, то потік -Кадрів припиняється (рис. 11).

Рис. 10

Рис. 11

При розгляді схеми "бездіяльність - ЗПР" було показано, що ефективність ланки даних з достатнім ступенем точності визначається часом передачі кадру і часом затримки кадру при передачі інформації.

Якщо для даного ланки , То ефективність ланки даних визначається також значенням величини вікна передачі. Ефективність ланки даних при величині вікна передачі, рівної , Виражається рівністю

(4)

При наявності помилок ефективність буде знижена ще більше, оскільки буде потрібно повторна передача деяких кадрів. Якщо ймовірність спотворення одного біта дорівнює , А середня довжина кадру дорівнює , То

, (5)

- Середня кількість пакетів, яке необхідно передати повторно.

При використанні механізму передачі "повернення-к-N" ефективність ще більше знижується, так як при спотворенні деякого кадру повинно бути передано повторно декілька кадрів. Число додаткових кадрів, які повинні бути передані повторно, визначається відношенням величин і . Коли , Ефективність знижується також, як і в методі вибіркової повторної передачі, якщо не рахувати того, що при виникненні помилки повторної передачі підлягають два кадри: спотворений і безпосередньо наступний за ним, тобто . Якщо ж , То на кожен спотворений кадр в межі повинно бути передано кадрів, проте це настає тільки тоді, коли спотворюється якийсь кадр, що знаходиться у вікні. Імовірність спотворення кадру всередині вікна дорівнює .

Ефективність буде визначатися такою формулою:

(6)

Наведені формули є наближеними, оскільки вони не враховують випадку, коли спотворення піддаються кадри, повторно передані. Тим не менш, формули дозволяють оцінити порядок ефективності каналу.

Розрахунок ефективності використання пропускної здатності каналу зв'язку

Розрахунок ефективності використання заданого каналу зв'язку проведемо згідно (6). Для цього попередньо обчислимо значення для визначення, яку частину формули необхідно використовувати в обчисленнях:

(7)

Значення цього виразу менше значення , Отже, необхідно використовувати наступне вираження для обчислення ефективності:

(8)

Підставивши у (8) конкретні значення, отримуємо значення ефективності, рівне:

. (9)

Дослідження залежності величини ефективності використання каналу зв'язку від його пропускної здатності

Під час аналізу залежності величини ефективності використання каналу зв'язку від його пропускної спроможності для наочності замінимо в (6) значення величини на вираження

(10)

Для отримання явного умови використання того чи іншого виразу з (6), наведемо вислів

(11)

до виду

(12)

Виходячи з перерахованих вище перетворень, отримаємо вираз для значення ефективності, припускаючи, що при , Ефективність використання каналу також дорівнює нулю:

(13)

Обчислимо граничну значення :

(Біт / с) (14)

Підставивши конкретні значення параметрів каналу в (13), отримаємо

(15)

Спростивши це вираз, виведемо остаточну залежність:

(16)

Вид залежності представлений на рис. 12.

Рис. 12

Дослідження залежності величини ефективності каналу зв'язку від довжини переданих пакетів

Так само як і при дослідженні залежності величини ефективності використання каналу зв'язку від швидкості передачі даних наведемо (6) до більш зручного для побудови залежності увазі.

Використовуючи (11), отримаємо вираз умови застосування конкретної формули при обчисленні :

, (17)

де квадратні дужки означають взяття цілої частини отриманого значення і додаток до неї 1.

Враховуючи (17) і (10), і прийнявши те, що при ефективність використання каналу нульова, запишемо

(18)

Підставивши в (17) конкретні величини, отримаємо граничне значення :

(Біт) (19)

Підставимо у (18) значення величин із завдання для отримання конкретних виразів залежності:

(20)

Спростивши (20), отримаємо остаточний вираз залежності ефективності використання каналу зв'язку від довжини переданого пакета:

(21)

Отримана залежність представлена на рис. 13.

Рис. 13

Для знаходження максимальної довжини фізичного каналу зв'язку, при якій ефективність його використання близька до 100%, а коефіцієнт , Визначимо довжину каналу , При якій виконується умова , Залишивши інші значення параметрів каналу незмінними. Враховуючи (10), отримаємо:

, (21)

де - Довжина каналу, при якій коефіцієнт .

Підставивши конкретні значення у (21), отримаємо:

(М) (22)

При знаходженні залежності величини ефективності використання каналу зв'язку від його довжини використовуємо вираз, виведене з (6) з урахуванням (10):

(23)

Обчислимо граничну значення , Від якого залежить використання конкретного вираження для величини ефективності каналу:

(24)

Підставивши початкові значення в (24), отримуємо, що граничне значення одно:

(М) (25)

Беручи до уваги обмеження (22) і вираз (23), отримуємо, що перевищує , Тому при даних умовах величина ефективності використання каналу зв'язку не залежить від довжини каналу і дорівнює

. (26)

Підставивши в (26) конкретні значення параметрів каналу, обчислимо :

. (27)

Таким чином, максимальна довжина каналу зв'язку , Для задоволення поставлених умов повинна бути величиною, близькою до кордону , Тобто максимально близькою до (М), при цьому ефективність використання каналу зв'язку становитиме 0,856.

На підставі виразу (16) і малюнка 12, можна зробити висновок, що максимальне значення ефективності використання каналу буде досягатися при всіх значеннях , Що лежать в полуінтервале , З урахуванням того, що всі інші параметри каналу будуть залишатися незмінними. Величина ефективності використання каналу в цьому полуінтервале однакова і становить 0,856.

З виразу (21) і малюнка 13 видно, що максимальне значення ефективності використання каналів при зміні довжини переданого пакета досягається в точці (Біт). Для обчислення значення скористаємося (21):

. (28)

Підставимо і обчислимо максимальне значення ефективності :

При обчисленні значення також передбачається, що інші параметри каналу зв'язку залишаються незміненими.

Висновки

При виконанні роботи були отримані і проаналізовані залежності ефективності каналу зв'язку від таких параметрів каналу як його довжина, швидкість передачі даних і довжина переданих пакетів, а також обчислено конкретне значення величини ефективності для заданих параметрів каналу і типу передачі.

Під час практичного розрахунку ефективності каналу було показано, що:

Для відносно коротких ланок, у яких , Ефективність їх використання близька до 1 і не залежить від пропускної здатності ланки.
Для більш довгих наземних кабелів ефективність ланок висока при низької пропускної здатності й істотно падає при її збільшенні.
У випадку супутникового зв'язку ефективність мала навіть за низької пропускної здатності (щодо далека від 100%).