Подавление пакетных радиосетей со случайным множественным доступом за счет дестабилизации их состояния
С.И. Макаренко
Аннотации
Рассмотрен способ подавления радиосетей основанный на внутренних особенностях их функционирования, за счет перевода сети в нестабильное состояние работы путем воздействия преднамеренных помех. Рассмотрены возможности подавления радиосетей случайного множественного доступа на основе протоколов S-ALOHA и CSMA/CD.
Ключевые слова: радиоэлектронное подавление, радиоэлектронная борьба, радиосеть, случайный множественный доступ, протокол ALOHA, протокол CSMA/CD. сеть помеха подавление
Abstarct. The article contains the method of radio countermeasures for radionet based on internal specificity their work. The radio countermeasures is maken by changing the radionet state to non-stable by means of radio noise using. It is reviewed radio possibilities of radio networks with S-ALOHA and CSMA/CD access algorithms.
Keywords: the radio electronic countermeasures, the electronic warfare, the radio networks, the random multiple access, the ALOHA algorithm, the CSMA/CD algorithm.
Обоснование возможностей подавления радиосетей за счет дестабилизации их состояния
В настоящее время в составе сетей связи (СС) специального назначения [1] активно ведется переход на пакетные радиосети (ПРС), которые являются основой для системы информационного обеспечения боевых действий в сетецентрических войнах нового поколения [2-4]. В связи с тем, что ПРС являются основой системы управления боевыми действиями, ее подавление приведет к снижению оперативности и надежности управления и как конечный результат - невозможности достижения целей проводимой операции.
Известно большое количество работ (в частности монографии Владимирова В.И., Борисова В.И. [5, 6]) рассматривающих подавление радиосетей за счет энергетического превосходства средств радиоэлектронного подавления (РЭП) над используемой линией радиосвязи, либо за счет использования специальных алгоритмов работы РЭП при постановке преднамеренных помех (ПП). Вместе с тем, еще в начальных работах по проектированию первых пакетных СС Л. Клейнрока, Д. Берстсекаса и Р. Галлагера [7, 8] указывается, что пакетным СС использующие для передачи пакетов общий канал по методу случайного доступа свойственна нестабильность функционирования и такие СС требуют коррекции при большом времени непрерывной работы. Таким образом, возможно подавление сети являющейся радиоканалом множественного доступа путем периодического воздействия ПП за счет использования специфических свойств метода доступа. Данный подход при подавлении ПРС был впервые указан Бабусенко С.И. в работах [9, 10] и рассмотрен далее.
Полносвязная ПРС представляет собой пространственно-распределенную структуру. Каждый из ее абонентов, представляющий собой узел связи, имеет возможность передачи пакетов без промежуточных ретрансляций. В ПРС используется общий радиоканал который разделяется между абонентами по времени, причем доступ к каналу осуществляется случайно. Введем понятие блокированного абонента (узла) - абонент, ожидающий передачи вновь сформированного или ранее неправильно переданного пакета.
Как показано работах [7, 11] число блокированных абонентов, однозначно определяет устойчивое состояние сети. Устойчивое состояние характеризуется работой с малым временем задержки и наибольшей производительностью. Для неустойчивого состояния характерны необратимый рост времени задержки и снижение производительности сети. Это обусловлено тем, что при случайном характере поступления покетов для передачи даже без воздействия ПП возможна ситуация, когда число вновь сформированных пакетов превышает возможности канала по успешной передаче.
Введем обозначения и сокращения:
М - количество абонентов сети;
L - показатель среднего сноса сети который интерпретируется как разность между интенсивностью возникновения новых пакетов за цикл передачи и интенсивностью ухода из сети успешно переданных пакетов;
n - количество блокированных абонентов, то есть абонентов ожидающих передачи вновь сформированного или ранее неправильно переданного пакета;
Р 1 - вероятность передачи пакета абонентом с первой попытки;
Рповт - вероятность передачи пакета абонентом при повторной попытке;
РПП - вероятность воздействия преднамеренной помехи на канал связи;
Рa(j, n) - вероятность успешной передачи в очередном такте j-ым количеством активных абонентов при n блокированных абонентах
Рбл(j, n) - вероятность успешной передачи в очередном такте j-ым количеством блокированных абонентов при n числе блокированных абонентах;
Рa(j) - вероятность передачи в текущем такте j активных пользователей;
Рn - вероятность того, что после свободного такта начнет передачу хотя бы один из абонентов, при условии что имеется n блокированных абонентов;
Pj - вероятность нахождения канала связи в состоянии Zj без учета длительности нахождения в каждом состоянии;
PZ j - конечные вероятности перехода канала связи в состояние Zj;
лn - интенсивность "нарастания" количества блокированных абонентов из-за коллизий и воздействия помех;
µn - интенсивность "рассасывания" блокированных абонентов в результате успешных передач;
tПП - длительность воздействия преднамеренной помехи на канал связи;
л1 - интенсивность пакетов поступающих в канал связи впервые;
G - суммарная интенсивность пакетов поступающих в сеть;
S - относительная пропускная способность канала связи (нормированная к единице);
Сjn - сочетания j из n;
SПП - относительная пропускная способность канала связи при воздействии помехи;
Tзад - задержка при передаче пакета по каналу связи;
ТZ j - мат. ожидание времени нахождения канала в Zj-ом состоянии выраженное в количестве тактов;
ф - длительность такта с сети с синхронным МДПН;
td - длительность захвата канала абонентом в сети с синхронным МДПН;
dmax - расстояние между максимально удаленными абонентами сети с синхронным МДПН;
с - скорость распространения радиоволн.
Для качественного рассмотрения эффекта воздействия на подобную ПРС примем следующие общие для рассматриваемых базовых моделей допущения [8]:
- система имеет в своем составе ПРС, состоящую из М однотипных узлов-абонентов и средство РЭП являющееся источником ПП;
- все элементы системы синхронизированы и могут начать работу лишь в тактовые моменты времени tq;
- если более одного абонента одновременно начинают передачу, то коллизия (столкновение передач в общем радиоканале от разных абонентов) и абонент-приемник не получает никакой информации, аналогично - в случае действия ПП;
- неуспешно переданный пакет передается абонентом повторно в один из последующих моментов до его успешной передачи;
- пакет, передаваемый абонентом впервые, передается с вероятностью Р 1 повторная передача осуществляется с вероятностью Рповт > Р 1, а ПП воздействует на канал с вероятностью РПП;
- в конце каждого цикла передачи абонент, осуществляющий ее, по каналу обратной связи, не поверженному влиянию помех, оповещается об успешной передаче или искажении пакета;
- все абоненты и узлы имеют единственное место (буфер) для хранения пакета.
Принятые допущения идеализируют модель многостанционного доступа к общему радиоканалу, однако как показано в [12], принятая модель достаточно адекватно отражает реальные процессы в канале множественного доступа.
Процесс передачи информации в канале радиосвязи со случайным доступом можно представить как процесс обслуживания пакетов поступающих в систему впервые и повторно. В зависимости от взаимного расположения абонентов ПРС с относительной пропускной способностью S, вероятности успешной передачи Р 1 и интенсивности поступления пакетов, поступивших впервые л1, можно выделить несколько ситуаций определяющих поведение вышеуказанной системы (см. рис. 1).
Поведение системы изменяется в пределах точек nS, nk, nnS являющихся точками равновесия [7], так как интенсивность успешного обслуживания пакетов в них равна вновь образованной нагрузке. Первая точка nS является стабильной (устойчивой) по отношение к стохастическим флуктуациям числа блокированных абонентов n в пределах от 0 до nk, и система всегда смещается к nS. Точка nnS является финальной при изменениях n в области от nk до nnS. Рассмотренные точки соответствуют: nS - стабильному (рабочему) состоянию ПРС с малой задержкой и высокой производительностью, nnS - нестабильному (устойчивому нерабочему) состоянию, которое характеризуется малой производительностью и большой задержкой. При различных параметрах Р 1, M, Рповт и РПП можно выделить стабильные ПРС и нестабильные, в противном случае [13].
Рис. 1. Изменение состояния ПРС под воздействием ПП
Практически стабилизация канала достигается за счет уменьшения вероятности повторной передачи Рповт, что всегда влечет возрастание времени задержки Tзад [13]. В силу данной причины параметры передачи Р 1 и Рповт выбирают такими, чтобы обеспечить наименьшую задержку, а также уменьшить возможность перехода сети в неблагоприятное (нестабильное) состояние. Как показали исследования [7] в правильно настроенной сети, без влияния ПП время перехода в нестабильное состояние превышает десятки часов, что удовлетворяет в большинстве случаев практического применения. Необходимо отметить, что переход ПРС в нестабильное состояние может быть обусловлен дополнительным влиянием ПП (РПП ? 0). При их воздействии производительность сети понижается, то есть сужается область возможных статистических флуктуаций числа блокированных абонентов n вокруг рабочей точки nS и расширяется пространство в районе точки насыщения nnS, что увеличивает шансы перехода сети в нестабильное состояние.
Предположим, что в ПРС при РПП = 0 число блокированных абонентов находится около точки стабильного состояния nS (точка А на рис. 1). В результате воздействия ПП с вероятностью РПП производительность сети снижается до SПП (точка В). После прекращения действия ПП производительность ПРС уменьшается за счет увеличения количества временно блокированных абонентов (траектория B-С-D). При повторном воздействии ПП, производительность сети снова снизится и состояние сети сместится в точку E которая лежит правее точки неустойчивого равновесия nk. В результате после каждого цикла передачи количество абонентов, имеющих пакеты для повторной передачи в сети возрастает, и состояние сети смещается в направлении точки nnS. Воздействуя на сеть ПП в течение требуемого времени tПП, можно достичь состояния, когда число абонентов, требующих повторной передачи, превысит границы устойчивости n > nk. В этом случае, даже после прекращения излучения ПП, изменение состояния системы будет осуществляться по траектории Е-G-F к устойчивой точке F за счет коллизий в ПРС.
С учетом приведенной модели эффект нестабильного функционирования канала заключается в том, что благодаря наличию коллизий при определенном числе абонентов, ожидающих канал для повторной передачи, среднее количество успешных передач за цикл меньше среднего числа неуспешных передач за это же время. Данное обстоятельство приводит к тому, что после каждого такта работы происходит нарастание абонентов, требующих повторной передачи. Таким образом, данный способ подавления может быть осуществлен низкоэнергоемкими средствами РЭП за счет внутренних особенностей функционирования сети и применим ко всем ПРС использующим случайный множественный доступ абонентов в режиме разделения времени. Таким образом, указанный способ может быть применен к ПРС на основе протоколов IEEE 802.3, IEEE 802.11, а так же ко всем разновидностям доступа к каналу на основе протоколов ALOHA и CSMA/CD.
Количественно оценить стабильность функционирования сети можно по показателю среднего сноса L (n, PПП), n = 0..M. [14, 15]. Он интерпретируется как разность между интенсивностью возникновения новых пакетов за цикл передачи и интенсивностью ухода из сети успешно переданных пакетов при условии, что в данный момент имеется n ожидающих повторной передачи узлов. Сеть работает нестабильно, если снос примет положительное значение [13]:
, (1)
где an,k определяется вероятностью перехода количества абонентов, ждущих повторной передачи из n состояния в k и вычисляется согласно рассмотренной ниже системы (3).
Подавление пакетных радиосетей с методом доступа S-ALOHA
В сетях с S-АLOHА передача пакетов узлами происходит в любой тактовый момент, то есть действия всех абонентов полностью независимы [7, 13].
Для описания процесса изменения числа абонентов ожидающих повторной передачи (блокированных абонентов) в полносвязной ПРС с доступом типа S-АLOHА воспользуемся марковской моделями [7, 13, 16], модифицированными с учетом влияния ПП.
Предполагается, что каждый абонент находится в одном из двух состояний "готовность" и "блокирован". В состоянии "готовность" абонент генерирует пакеты с интенсивностью л1. Если первая передача пакета, с вероятностью Р 1 прошла успешно, абонент остается в режиме готовности, после чего возможна генерация нового пакета. Если передача пакета в вероятностью (1- Р 1), в результате коллизии или воздействия ПП прошла неудачно, то абонент переходит в режим "блокирован" и планирует повторную передачу с вероятностью Рповт(рис. 2). Находясь в режиме "блокирован", абонент не генерирует новых пакетов.