Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах
Розглянуто варіанти та напрямки збільшення пропускної спроможності каналів передачі даних та, як наслідок, підвищення доступності інформаційних об’єктів розподілених обчислювальних мереж. Рассмотрены варианты и направления увеличения пропускной способности каналов передачи данных и, как следствие, п...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50384 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах / О.Я. Матов, В.С. Василенко, О.В. Дубчак // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2009. — Т. 11, № 2. — С. 77-82. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860066802696978432 |
|---|---|
| author | Матов, О.Я. Василенко, В.С. Дубчак, О.В. |
| author_facet | Матов, О.Я. Василенко, В.С. Дубчак, О.В. |
| citation_txt | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах / О.Я. Матов, В.С. Василенко, О.В. Дубчак // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2009. — Т. 11, № 2. — С. 77-82. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
| description | Розглянуто варіанти та напрямки збільшення пропускної спроможності каналів передачі даних та, як наслідок, підвищення доступності інформаційних об’єктів розподілених обчислювальних мереж.
Рассмотрены варианты и направления увеличения пропускной способности каналов передачи данных и, как следствие, повышения доступности информационных объектов распределенной вычислительной сети.
Variants and directions of increasing data transmission channel capacity and, as a result, the increase of availability of information objects of distributed computer networks are considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:08:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2009, Т. 11, № 2 77
УДК 004.056.2
О. Я. Матов1, В. С. Василенко2, О. В. Дубчак2
1Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
вул. М. Шпака, 2, 03113 Київ, Україна
2Національний авіаційний університет
вул. Космонавта Комарова, 1, 03058 Київ, Україна
Пропускна спроможність каналу та доступність
інформаційних об’єктів у розподілених мережах
Розглянуто варіанти та напрямки збільшення пропускної спроможно-
сті каналів передачі даних та, як наслідок, підвищення доступності
інформаційних об’єктів розподілених обчислювальних мереж.
Ключові слова: доступність інформації, пропускна спроможність ка-
налу, розподілені обчислювальні мережі, співвідношення сигнал/завада,
смуга пропускання каналу.
Вступ
Забезпечення доступності та цілісності інформації, яка циркулює в розподі-
лених обчислювальних мережах (РОМ), є однією із основних задач технічного
захисту в цих системах. Для телекомунікаційних систем, як елементів РОМ, ця
задача трансформується в забезпечення їхньої високої пропускної спроможності
за відсутності будь-яких модифікацій (викривлень), які не були санкціоновані її
власником, незалежно від причин або джерел виникнення таких викривлень. При
передачі значна їхня частина пов’язана з дією природних чинників, таких як ат-
мосферні електромагнітні розряди, іскріння контактів у автомобілях, електротра-
нспорті і багато що інше. Наслідком таких впливів у каналах РОМ є зменшення
співвідношення енергетик сигнал/шум (сигнал/завада) 2h . Це співвідношення, як
відомо [1, 2], визначає пропускну спроможність каналів зв’язку, а також вірність
інформації, визначувану, наприклад, через імовірність викривлення двійкових си-
мволів (біт) Рвикр, інтенсивність цих помилок.
Відомо [1], що у випадку найбільш «неприємної» завади типу «білий шум»,
потужність якої рівномірно розподілена в усій смузі частот каналу, справедливе
наступне співвідношення: потенційна пропускна спроможність безперервного ка-
налу з завадами дорівнює:
),1(log 2
2 hFC n (1)
© О. Я. Матов, В. С. Василенко, О. В. Дубчак
О. Я. Матов, В. С. Василенко, О. В. Дубчак
78
де F — ширина смуги частот каналу; h2 — співвідношення корисний сиг-
нал/завада.
Вважається, що вираз (1) указує граничне значення пропускної спроможності
каналу, якого досягти вельми важко, до нього можна лише наблизитися. В робо-
тах [2, 3], присвячених проблемам підвищення пропускної спроможності, показа-
но, що досягти в реальних системах, близьких до (1), результатів відомими мето-
дами (розширенням смуги пропускання каналу чи збільшенням співвідношення
сигнал/завада) неможливо. Це, на думку автора роботи [2], підтверджує нереаль-
ність припущення Шеннона, яке покладено в основу формули (1) про те, що на
приймальній стороні сигнали повністю відділяються від завад (шумів). У зв’язку
із цим помітимо також те, що відомі дослідження не дають способів досягнення
величини nC , а лише показують її теоретичну межу.
У статті здійснено спробу показати можливість наближення пропускної спро-
можності до її теоретичної межі навіть в умовах впливу певного рівня завад.
Аналіз умов дослідження
Традиційно вважається, що як витікає із виразу (1), підвищення пропускної
спроможності каналів є можливим за рахунок або розширення смуги пропускання
F , або збільшення відношення сигнал/завада h2. Цей вплив докладно проаналі-
зовано в [2] та [3], де стверджується, що шлях збільшення пропускної спроможно-
сті за рахунок розширення смуги пропускання каналу є найефективнішим. Однак
результати аналізу, проведеного авторами, не дають змоги погодитись із цим тве-
рдженням.
Отже відомий спосіб, назвемо його способом прямого (безпосереднього) роз-
ширення смуги пропускання, полягає в підвищенні швидкості посимвольного об-
міну В, що, зрозуміло, можливе за рахунок зменшення періоду формування, а та-
кож тривалості символів, якими здійснюється обмін. Із використанням цього ви-
разу та підходу, викладеного в [2], знайдемо межу пропускної спроможності в ра-
зі, коли швидкість передачі збільшується необмежено. Неважко показати, що із
використанням при цьому властивостей «другої чудової межі», одержимо:
n
B
C
lim
002
/
2 /44,1)2/(88,2log2}]/1[lim{log2 NPNPeyBy cc
yyB ,
де 0, NPc — потужність сигналу та спектральна щільність завад відповідно. Це
повністю збігається із результатами, наведеними в [2, 3]. Для більш детального
аналізу можна використати наведену в [2] залежність виду 0//( NPC cn
)//(( 0NPFf c . З графіка цієї функції, наданого на рис. 1, видно, що в міру збі-
льшення швидкості посимвольної передачі інформації (чи смуги пропускання ΔF
каналу) його пропускна спроможність швидко зростає доти, поки середні потуж-
ності шуму та сигналу не зрівняються. Потім вона зростає поволі, асимптотично
наближаючись до визначеного вище значення 244,1 h . Максимально ефективне
використання смуги пропускання каналу забезпечується до частоти
1)//( 0 NPF c , чи 0/ NPF c .
Пропускна спроможність каналу
та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2009, Т. 11, № 2 79
)//( 0NPC cn
)0//( NPF c
Рис. 1. Залежність )//(()//( 00 NPFfNPC ccn
Аналіз розглянутих результатів свідчить про те, що традиційний спосіб під-
вищення пропускної спроможності каналу шляхом розширення смуги пропускан-
ня є ефективним лише в досить вузькому діапазоні частот, а, отже, про хибність
твердження [2], що цей шлях збільшення пропускної спроможності є найефектив-
нішим.
Із виразу (1) видно також, що збільшення пропускної спроможності nC може
бути досягнутим також за рахунок збільшення співвідношення сигнал/завада. Це
пояснюється можливістю введення n < зc PP / варіантів сигналу (такий сигнал іно-
ді називають багатопозиційним [3]). Кожен із таких багатопозиційних сигналів
може бути еквівалентом одного із n повідомлень. Якщо за час однієї посилки —
передачі одного символу — можлива передача однієї із n дискрет (градацій, варі-
антів) сигналу, тобто одного із k-розрядних повідомлень, то це є еквівалентним
одночасній передачі k символів повідомлення, де nk 2log . Практично розши-
рення алфавіту сигналів обмежується зверху зменшенням відмінності елементар-
них посилок і збільшенням імовірності викривлення таких символів завадами, так
що величина n в каналі обмежується відношенням сигнал/шум зc PP / .
Однак на цьому шляху є певні перепони. Збільшення співвідношення сигнал/
завада вимагає певних енергетичних або матеріальних витрат і натикається іноді
також на масогабаритні обмеження (наприклад, у системах мобільного зв’язку).
Перешкодою на цьому шляху можуть бути, перш за все, обмеження на амплітуду
(а отже на потужність сигналу і на співвідношення сигнал/завада). Це призводить
до виникнення так званої практичної межі безперервного каналу. На рис. 2 наве-
дено взятий із [3] графік цієї залежності (точками позначені практичні результати
для стандарту V.34 при 410викрP , а формулі Шеннона відповідає крива під на-
звою «теоретична межа»).
Практична межа відношення сигнал/шум в аналоговій телефонній лінії скла-
дає приблизно 35 дБ (3162 разів по потужності або більше 56 разів по амплітуді),
О. Я. Матов, В. С. Василенко, О. В. Дубчак
80
що дозволяє досягти [3] пропускної спроможності біля
nC < 34822 біт/с (стандар-
тне значення, яке є реалізованим на практиці, 33600 біт/с).
Рис. 2. Залежність пропускної спроможності аналогової лінії від відношення
сигнал/шум по потужності зc PP /
Ідея та напрямки підвищення пропускної спроможності
Ідея підвищення пропускної спроможності витікає із багаторівневої частотної
маніпуляції, коли вихідна двійкова послідовність розбивається на відповідне чис-
ло біт (дібіти, трибіти і т.д.) для визначення однієї з можливих частот несної, пе-
реданої у даний момент. При цьому для передачі k комбінацій потрібно викорис-
товувати k частот із діапазону F . Наприклад, при передачі чотирьох комбінацій
дібітами потрібно чотири частоти (рис. 3), що є не досить економним, оскільки
при k частотах можливим є kn 2 їхніх комбінацій (якщо k = 4, то 16n ).
Рис. 3. Чотирирівнева частотна маніпуляція
Тому для підвищення пропускної спроможності авторами пропонується дис-
кретизація (розбиття) загальної визначеної наперед і, якомога широкої, смуги
пропускання каналу F на певну кількість k частотних дискрет (піддіапазонів)
шириною дiF кожна, по яких одночасно передаються n сигналів
дiFFk / ,
Пропускна спроможність каналу
та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2009, Т. 11, № 2 81
так, що їхня сукупність утворює певне повідомлення. Якщо за час однієї посилки
(тривалість елементарного аналогового сигналу типу відрізка синусоїди основної
частоти дискрети) одночасно передається k різночастотних посилок, то це є екві-
валентом одночасної передачі інформації k двійковими розрядами, і загальне чис-
ло варіантів дискретного (цифрового) сигналу (алфавіт) складе n = 2k. Розширення
алфавіту для дискретних сигналів можливе при збільшенні кількості k частотних
дискрет (за рахунок розширення загальної смуги пропускання F , чи за рахунок
зменшення ширини цих дискрет дiF ). Ширина кожної із і (і = 1, 2, …, k) частот-
них дискрет дiF та частотний проміжок між ними повинні вибиратися так, щоб
виключити взаємні впливи сигналів сусідніх дискрет.
На рис. 4 надано приклад використання частотної дискретизації при одночас-
ній передачі повідомлення 11…0…1, яке складається із k двійкових розрядів.
Рис. 4. Дискретизація смуги пропускання каналу
При такому підході та збереженні вимог до ймовірності викривлення симво-
лів Рвикр і потужності Рсд сигналу в межах однієї дискрети, співвідношення сиг-
нал/завада за рахунок зменшення ширини смуги в k разів збільшується, що може
бути використаним за декількома напрямками.
Перший з цих напрямків полягає у збереженні попереднього співвідношення
сигнал/завада за рахунок зменшення в k разів потужності сигналу в межах відпо-
відної дискрети. Це дозволяє при збереженні загальної потужності, яка є потріб-
ною для передачі k-розрядного повідомлення на попередньому рівні сдc PkP ,
збереженні вимог до ймовірності Рвикр викривлення символів, збільшити в k разів
швидкість передачі інформації до kB (біт/с). Якщо при швидкості передачі інфо-
рмації В мінімальну ширину кожної із дискрет можна визначити як BFдi Гц,
тоді можлива кількість частотних дискрет складе BFFFk д // , а макси-
мальна швидкість чдмаксB передачі інформації, тобто теоретично пропускна спро-
можність каналу при частотній дискретизації не залежить від наявності завад
і дорівнює:
FBFBkBCВ чдчдмакс / (біт/с).
Правда, при низькій швидкості передачі в межах дискрет і широкій смузі
пропускання кількість частотних дискрет може бути значною, і тоді реалізація
О. Я. Матов, В. С. Василенко, О. В. Дубчак
82
цього методу, у зв’язку із складністю технічної реалізації, може бути утрудненою,
але це — складності зовсім іншого плану.
Зменшити цю кількість можна за рахунок збільшення швидкості передачі ін-
формації в межах кожної із дискрет, а отже, за рахунок збільшення їхньої смуги
пропускання і, як наслідок, — зменшення кількості цих дискрет. Але виникає пи-
тання щодо меж такого збільшення швидкості посимвольної передачі.
Отже, другий з цих напрямків полягає в застосуванні такої швидкості посим-
вольної передачі В, яка була би максимальною і забезпечувала би ефективне ви-
користання смуги пропускання каналу. Для визначення такої швидкості можна
використати уже наведену для методу прямого розширення смуги пропускання
каналу залежність виду )//(()/( 00/ NPFfNPC ccn . З графіка цієї функції, нада-
ного на рис. 1, видно, що максимально ефективне використання смуги пропус-
кання каналу забезпечується при 1)//( 0 NPF c , чи при 0/ NPF c .
Розрахунки показують, що пропускна спроможність, яка є максимально до-
сяжною для методу прямого розширення смуги пропускання, при використанні
наведених вище умов досягається при незначній кількості (одиниці) дискрет.
Таким чином, застосування запропонованого авторами методу частотної дис-
кретизації при максимально ефективному використанні смуги пропускання кана-
лу дозволяє досягти не лише теоретичного, але й практичного розширення пропу-
скної спроможності каналів РОМ і, за рахунок цього, — підвищення доступності
інформаційних об’єктів РОМ.
1. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетики / К. Шеннон. — М., 1963.
2. Алишев Я.В. Предельная пропускная способность и потенциальная помехоустойчивость
оптических сетей и систем телекоммуникаций / Я.В. Алишев // Доклады БГУИР. 2004. — Т. 2, №
2. — С. 43–45.
3. Локальные компьютерные сети. Электронный учебник. — Режим доступу:
http://dvoika.net/infor/top/Glava%2012/Index1.htm.
Надійшла до редакції 02.04.2009
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-50384 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1560-9189 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:08:04Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем реєстрації інформації НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Матов, О.Я. Василенко, В.С. Дубчак, О.В. 2013-10-12T11:27:43Z 2013-10-12T11:27:43Z 2009 Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах / О.Я. Матов, В.С. Василенко, О.В. Дубчак // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2009. — Т. 11, № 2. — С. 77-82. — Бібліогр.: 3 назв. — укр. 1560-9189 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50384 004.056.2 Розглянуто варіанти та напрямки збільшення пропускної спроможності каналів передачі даних та, як наслідок, підвищення доступності інформаційних об’єктів розподілених обчислювальних мереж. Рассмотрены варианты и направления увеличения пропускной способности каналов передачи данных и, как следствие, повышения доступности информационных объектов распределенной вычислительной сети. Variants and directions of increasing data transmission channel capacity and, as a result, the increase of availability of information objects of distributed computer networks are considered. uk Інститут проблем реєстрації інформації НАН України Реєстрація, зберігання і обробка даних Технічні засоби отримання і обробки даних Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах Пропускная способность канала и доступность информационных объектов в распределенных сетях Channel Capacity and Availability of Information Objects in Distributed Networks Article published earlier |
| spellingShingle | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах Матов, О.Я. Василенко, В.С. Дубчак, О.В. Технічні засоби отримання і обробки даних |
| title | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах |
| title_alt | Пропускная способность канала и доступность информационных объектов в распределенных сетях Channel Capacity and Availability of Information Objects in Distributed Networks |
| title_full | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах |
| title_fullStr | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах |
| title_full_unstemmed | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах |
| title_short | Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах |
| title_sort | пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об’єктів у розподілених мережах |
| topic | Технічні засоби отримання і обробки даних |
| topic_facet | Технічні засоби отримання і обробки даних |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/50384 |
| work_keys_str_mv | AT matovoâ propusknaspromožnístʹkanalutadostupnístʹínformacíinihobêktívurozpodílenihmerežah AT vasilenkovs propusknaspromožnístʹkanalutadostupnístʹínformacíinihobêktívurozpodílenihmerežah AT dubčakov propusknaspromožnístʹkanalutadostupnístʹínformacíinihobêktívurozpodílenihmerežah AT matovoâ propusknaâsposobnostʹkanalaidostupnostʹinformacionnyhobʺektovvraspredelennyhsetâh AT vasilenkovs propusknaâsposobnostʹkanalaidostupnostʹinformacionnyhobʺektovvraspredelennyhsetâh AT dubčakov propusknaâsposobnostʹkanalaidostupnostʹinformacionnyhobʺektovvraspredelennyhsetâh AT matovoâ channelcapacityandavailabilityofinformationobjectsindistributednetworks AT vasilenkovs channelcapacityandavailabilityofinformationobjectsindistributednetworks AT dubčakov channelcapacityandavailabilityofinformationobjectsindistributednetworks |