Моделирование сетей и систем связи: основы модельно-ориентированного проектирования

Моделирование представляет собой построение модели объекта, изучение его свойств с помощью исследования этой модели. Последней может выступать условный образ, описание или другой объект, свойства которого схожи с характеристиками исследуемого.

Моделирование позволяет:

● Проводить оценку пропускной способности сети;

● Определять слабые места системы;

● Сравнивать различные варианты организации, модернизации систем связи, выстраивать прогнозы развития;

● Прогнозировать будущие требования, предъявляемые к пропускной способности сети;

● Проводить оценку производительности, а также требуемого количества сетевых серверов;

● Оценивать влияние на систему модернизации программного обеспечения, изменения сетевых протоколов, мощности серверов, рабочих станций.

Аналитическое моделирование представляет собой совокупность аналитических выражений, показывающих функциональные зависимости, существующие между параметрами реальной системы, во время ее работы.

Существует два вида аналитического моделирования:

● Физическое

Данный тип предполагает замену исследуемой системы соответствующей ей другой материальной системой, которая обладает свойствами изучаемой, сохраняет их физическую природу. Однако практическая работа методом физического моделирования затруднена из-за сложности реализации, значительных материальных затрат.

● Математическое

Такое моделирование представлено совокупностью соотношений (логических условий, уравнений, формул, неравенств), которые определяют изменение состояния системы в зависимости от начальных условий, параметров, входных сигналов, времени.

Представляет собой компьютерную программу, последовательно воспроизводящую события, которые происходят в реальной системе.

Данный метод не требует применения дорогостоящего оборудования, поскольку работа здесь имитируется специальными программами, с точностью воспроизводящими основные параметры, особенности такой аппаратуры.

Преимуществом имитационного моделирования выступает возможность замещения процесса смены событий, существующего в реальном времени в исследуемой системе, на ускоренный процесс смены событий, происходящий в темпе функционирования программы. Благодаря построению имитационной модели работу сети, выполняемую за несколько дней, можно воспроизвести за несколько минут. Такой подход позволяет оценивать различные параметры сети, собирать важные статистические данные о ее характеристиках: вероятности потерь пакетов данных, временах реакции, коэффициентах применения узлов, каналов.

Существуют специальные программные системы, упрощающие процесс создания модели. Они сами генерируют сетевую модель, основываясь на исходных данных о ее топологии, протяженности линий связи, применяемых протоколах, типах используемой аппаратуры, приложений, количестве потоков запросов, существующих между компьютерами сети.

На практике чаще всего используются готовые имитационные модели для базовых элементов сетей связи: распространенных каналов связи, видов маршрутизаторов, протоколов, методов доступа. Подобные модели создаются с использованием различных данных: анализа принципов работы реальных устройств, результатов их тестовых испытаний. Такой подход позволяет создавать настраиваемые библиотеки типовых сетевых элементов.

Натурное моделирование — построение моделей систем связи, при котором реальному объекту соответствует его уменьшенный или увеличенный материальный аналог, исследуемый посредством переноса свойств изучаемых процессов с модели на объект. Примерами подобного типа моделирования служат модели гидротехнических сооружений, имитирующая полет аэродинамическая труба, макет автомобиля и т. д.

Модельно-ориентированное проектирование (МОП) представляет собой математический и визуальный способ решения задач, относящихся к проектированию систем управления, обработки сигналов, связи.

Главная идея МОП заключается в том, что процесс разработки начинается с поэтапного построения системной модели:

● Физического уровня

Осуществляются процессы отладки, уточнения модели.

● Канального уровня

Используется при проектировании систем, имеющих временное разделение каналов или эквалайзер.

● Модели тракта РЧ и антенной системы

Позволяет оценить влияние аналоговой части на параметры системы связи, выявить несоответствие цифрового алгоритма и аналоговой части на раннем этапе.

Модель физического уровня состоит из модели канала связи, а также алгоритмов формирования, приема, обработки сигнала. Источником данных здесь выступает генератор случайных бит, наблюдения за точностью работы модели происходят посредством подсчета количества ошибочных бит, существующих в прошедшем через модель сигнале.

При проектировании алгоритма формирования, приема сигналов, моделировании каналов связи применяются:

● Сверточные, блочные, LDPC-кодеки;

● Повторители, перемежители;

● Децимирующие, интерполирующие фильтры;

● Модуляторы, демодуляторы;

● Эквалайзеры, генераторы сигналов, последовательностей;

● Различные модели каналов связи.

Этот уровень предполагает добавление служебных полей, формирование фреймов, которые могут быть использованы на физическом уровне. Два уровня взаимосвязаны, поэтому моделирование стыка между ними необходимо проводить заранее.

Ключевой особенностью данного моделирования выступает имитация искажений, которые РЧ тракт вносит в сигнал. При моделировании такого тракта внутри модели, которая использует собственный непрерывный решатель, создается отдельная область, что позволяет одновременно проводить симуляцию аналоговой части и цифрового алгоритма в одной модели.

Продолжением модели тракта РЧ выступает моделирование антенной системы. Оно способно воссоздать модель тракта целиком, включая радиолинию. Ключевой особенностью выступает возможность коммутации созданной модели с общей системной моделью, что позволяет проследить за распространением сигнала между передающим и приемным устройством на разных параметрах диаграммы направленности и различных углах их взаимного расположения.

При разработке систем связи по принципу МОП существует несколько этапов тестирования алгоритмов на аппаратуре.

Схема модель-эфир отражает корректность работы алгоритмов. Суть тестирования заключается в соединении модели с реальным каналом через специальные настраиваемые блоки и наблюдения за «поведением» сигнала.

FPGA-in-the-Loop показывает возможность реализации алгоритмов на целевой платформе. Данный режим позволяет автоматически проверять работу алгоритмов и отражает корректную их работу на целевой платформе и частоте. Требует использования специализированной платы, совместимой с вышеупомянутым режимом.

Подобное тестирование представлено автоматической генерацией кода с последующим созданием проекта, содержащего интерфейсы, необходимые для передачи сигнала из программируемой логической интегральной схемы к приемопередающему устройству.

Финальный этап тестирования на аппаратуре, подразумевающий создание полного прототипа. Заключается в автоматической генерации специального кода на целевую платформу с последующим созданием проекта, компиляцией кода и созданием исполняемого файла. В результате создается автономный прототип системы.

При реализации данной модели модулятор выступает устройством, где параметры несущей меняются по закону входного сигнала, а демодулятор выносит решение в пользу какой-либо гипотезы при анализе реализации сигнала, искаженной в канале связи.

Гипотезами выступают символы, используемые при передаче в качестве информационного сообщения. Количество гипотез эквивалентно количеству символов, имеющихся на стороне передачи.

При создании модели модулятора и демодулятора на ЭВМ используется дискретный или цифровой сигнал, который у выхода модулятора отображается в виде последовательности отсчетов, имеющих заданную частоту дискретизации. Последняя, наиболее эффективная для поставленной задачи, выбирается из ряда стандартизованных частот.

Гауссовский шум также может быть представлен в виде случайного сигнала, дискретные значения которого обладают гауссовским распределением и происходят с той же частотой дискретизации.