Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ВЛИЯНИЕ УПАКОВАННЫХ ФОРМАТОВ ПРОТОКОЛОВ ИЗМЕРЕНИЙ НА СКОРОСТЬ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В АДАПТИВНЫХ СИСТЕМАХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

Чипига А.Ф. 1 Марков Д.М. 1 Слюсарев Г.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»
Использование низкочастотных систем спутниковой связи, обладающих высокими показателями энергетической скрытности, предусматривает наличие подсистем, осуществляющих адаптацию рабочих частот в зависимости от состояния ионосферы. Данные о системе ионосферы принимаются приемником Novatel GPStation-6 и могут выдаваться для обработки в трех различных форматах. Правильный выбор типа сжатых форматов данных обеспечивает сокращение объёма, однако приводит к дополнительным накладным расходам по их обработке. Проанализированы сжатые форматы данных приемника GPStation-6 по отношению к эталонному несжатому. Сделаны выводы о целесообразности применения того или иного сжатого формата в зависимости от ограничений платформы, на которой предполагается обработка данных. При выполнении сокращения передаваемых данных и отсутствии ограничений по производительности целесообразно использовать RANGECMP или RANGECMP2. Использование RANGECMP2 нецелесообразно, так как даёт дополнительный выигрыш 16?% в объёме передаваемых данных, но увеличивает число действий, требуемых для их преобразования, а также более чем в два раза превосходит число действий, требуемых для RANGECMP. Выбор конкретного формата протокола измерений осуществляется в зависимости от поставленной задачи и применяются форматы RANGE или RANGECMP.
gpstaion-6
range
rangecmp
скорость обработки данных
1. Марков Д.М., Топорков К.И., Бондаренко О.С. Анализ скорости обработки форматов данных приёмника GPStation-6 // Фундаментальные и прикладные аспекты компьютерных технологий и информационной безопасности: материалы I Всероссийской научно-технической конференции. – Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015, – 465 с.
2. Чипига А.Ф. Анализ энергетической скрытности низкочастотных систем спутниковой связи от обнаружения сигналов // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 2 (151). – С. 209–217.
3. Чипига А.Ф., Колков Д.А. Анализ методов случайного поиска глобальных экстремумов многомерных функций. // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 2. – С. 24.
4. Чипига А.Ф., Лапина М.А., Ляхов А.В., Песков М.В. Принцип построения системы спутниковой связи с повышенной энергетической скрытностью. // Национальная безопасность и стратегическое планирование. – 2013. – № 4 (4). – С. 50–53.
5. Чипига А. Ф., Сенокосова А. В. Защита информации в системе космической связи за счет изменения условий распространения радиоволн // Космические исследования. – 2007. – Т. 45. – № 1. – С. 59–66.
6. Чипига А.Ф., Сенокосова А.В. Способ обеспечения энергетической скрытности систем спутниковой связи // Космические исследования. – 2009. – Т. 47. – № 5. – С. 428–433.
7. Чипига А.Ф., Шевченко В.А., Сенокосова А.В., Дагаев Э.Х. Математическая модель трансионосферного канала с учетом поглощения и многолучевости принимаемого сигнала // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2011. – № 1. – С. 24–31.
8. Novatel. OEM6® Family Firmware Reference Manual. January 2015, http:// www.novatel. com/assets/Documents/Manuals/om-20000129.pdf.

Известен [7, 8] способ обеспечения высокой энергетической скрытности систем спутниковой связи, обеспечивающий защиту информации за счет изменения условий распространения радиоволн [6, 5]. При адаптации процессов перестройки радиочастот нужны постоянный контроль за состоянием ионосферы и постоянная обработка больших объемов данных, поступающих от средств радиоконтроля [2, 3]. Для этих целей может применяться приемник Novatel GPStation-6.

Постановка задачи

Приёмник Novatel GPStation-6 имеет возможность выдавать данные измерений в трёх форматах, которые могут быть обработаны с помощью специально разработанного программного обеспечения. Использование бинарного формата данных более предпочтительно, так как такие данные компактнее и не требуют дополнительных преобразований при их обработке [1]. Цель работы – проведение сравнения эффективности применения упакованных и неупакованных данных в бинарном формате для одного типа протоколов измерений.

Решение задачи

Приёмник Novatel GPStation-6 имеет возможность выдавать протоколы измерений псевдодальностей RANGE, RANGECMP и RANGECMP2. Разница между протоколами измерений заключается в том, что RANGECMP и RANGECMP2 являются упакованными вариантами протокола измерений RANGE с разной степенью сжатия. Для сравнения эффективности применения упакованных данных необходимо выполнить сравнение выигрыша от упаковки данных и сравнение изменения числа операций, необходимых для выполнения преобразования данных с целью дальнейшей математической обработки.

Упаковка снижает общий объём передаваемых данных, что в конечном итоге требует дополнительных операций на передающей и принимающей стороне по упаковке и распаковке данных соответственно. Для решения задачи адаптации радиочастоты к условиям распространения радиоволн приёмник GPStation-6 уже запрограммирован производителем и будем считать, что для него не существует разницы в вычислительной сложности при выдаче упакованных и неупакованных протоколов изменений.

Для оценки эффективности упаковки предположим, что есть один спутник и данные о псевдодальностях передаются на одной частоте. Все данные передаются в бинарном формате [1]. Поэтому длина заголовка протокола измерений составляет 28 байт, а длина контрольной суммы 4 байта. Вторым критерием будет сравнение объёма лога для 10 спутников, передающих на одной частоте.

Протокол измерений RANGE после заголовка содержит информацию о количестве каналов наблюдения, которое имеет размер 4 байта. После указания количества измерений в логе идут непосредственно блоки измерений. Согласно документации блок измерений содержит следующие поля, которые имеют следующие размеры:

– номер спутника (2 байта);

– частота для спутников ГЛОНАСС (2 байта);

– кодовые измерения псевдодальности (8 байт);

– среднеквадратическое отклонение кодовых измерений псевдодальности (4 байта);

– фазовые измерения псевдодальности (8 байт);

– среднеквадратическое отклонение фазовых измерений псевдодальности (4 байта);

– допплеровская частота (4 байта);

– отношение сигнал/шум (4 байта);

– время непрерывного наблюдения сигнала (4 байта);

– состояние отслеживания (4 байта).

Таким образом, размер блока, содержащий данные измерений, будет содержать 44 байта. Общий размер протокола измерений RANGE при отслеживании одного спутника на одной частоте будет

28 + 4 + 4 + 44 = 80 байт.

В случае наблюдения 10 спутников, передающих на одной частоте, размер протокола измерений равен

28 + 4 + 4 + 440 = 472 байта.

Формула расчёта размера протокола измерений для произвольного числа спутников и передаваемых частот

S = 28 + 4 + 4 + N?44,

где N – общее количество каналов наблюдения.

Лог RANGECMP, так же как и лог RANGE, после заголовка содержит информацию о количестве измерений и под это поле выделено также 4 байта. Блок данных измерений упакован в одно поле и имеет фиксированный размер в 24 байта. Таким образом, размер протокола измерений при отслеживании одного спутника на одной частоте

28 + 4 + 4 + 24 = 60 байт.

В случае, если наблюдается 10 спутников, передающих на одной частоте, размер лога равен

28 + 4 + 4 + 240 = 276 байт.

Формула расчета размера протокола измерений для произвольного числа спутников и передаваемых частот

S = 28 + 4 + 4 + N?24,

где N – общее количество каналов наблюдения.

Протокол измерений RANGECMP2 организован иначе, чем лог RANGECMP и RANGE: после заголовка идёт не количество наблюдений, а количество байт, которые содержатся в единственном упакованном блоке данных. Этот блок данных необходимо разобрать согласно формату, указанному в документации [4]. Согласно анализу таблицы, описывающей формат данных, блок измерений для спутника делится на две части:

1) заголовочная часть, в которой описывается спутниковая система и номер спутника (10 байт);

2) измерения на конкретном канале (12 байт).

Таким образом, при измерении для одного спутника на одной частоте размер протокола

28 + 4 + 4 + 22 = 58 байт.

Для десяти спутников на одной частоте размер равен 256 байт. Согласно формату данных протокол RANGECMP2 дает выигрыш в объёме данных при увеличении числа каналов наблюдений для одного спутника, что обусловлено группировкой по спутникам. Группировка данных по спутникам приводит к другой зависимости: при увеличении числа каналов наблюдения, а именно при наблюдении пяти спутников на двух частотах, размер протокола измерений равен

28 + 4 + 4 + 10?5 + 12?10 = 206 байт.

При этом для протоколов RANGE и RANGECMP2 размер протокола измерений для пяти спутников, наблюдаемых на двух частотах, останется неизменным. Формула расчёта размера протокола измерений для произвольного числа спутников и каналов

S = 28 + 4 + 4 + Ns?10 + Nc?10,

где Ns – число спутников, а Nc – общее число каналов наблюдения.

Для точной количественной оценки выполним сравнительный расчёт для количества спутников и наблюдаемых каналов, которые отражают реальное количество обрабатываемых данных. Экономию от упаковки вычислим в процентном соотношении относительно лога RANGE (табл. 1). Из табл. 1 видно, что лог RANGECMP позволяет снизить объём передаваемых данных на 44 %, а лог RANGECMP2 – на 61 %. Следовательно, если критичен объём передаваемых данных, то предпочтительнее использовать лог RANGECMP2, так как он позволяет уменьшить объём данных более чем в два раза относительно объёма данных лога RANGE.

Таблица 1

Оценка уменьшения объёма логов RANGECMP и RANGECMP2

Кол-во спутников

Кол-во двухчастотных спутников

Кол-во трехчастотных спутников

RANGE (байт)

RANGECMP

RANGECMP2

Размер (байт)

Экономия

Размер (байт)

Экономия

20

15

5

2016

1116

44,64 %

776

61,52 %

15

10

5

1576

876

44,42 %

606

61,53 %

22

20

2

2060

1140

44,66 %

808

60,78 %

20

16

4

1972

1092

44,62 %

764

61,26 %

20

19

1

1840

1020

44,57 %

728

60,43 %

20

10

10

2236

1236

44,72 %

836

62,61 %

Оценим усложнение алгоритма, требуемого для преобразования данных из упакованного формата данных, выдаваемого приёмником, к формату данных, подходящему для математической обработки. Формат RANGE будет эталоном, так как является неупакованным протоколом измерений. Согласно формату данных, приведённых в документации, только поле «состояние отслеживания» будет требовать дополнительных действий, потому что является битовым полем [4]. Для преобразования всех полей из формата Novatel в формат для математической обработки требуется одно действие, так как данные хранятся в бинарном формате и требуется их только перенести в соответствующие переменные. Поле «состояние отслеживания» потребует дополнительные семь действий для того, чтобы извлечь значения, которые хранятся в этом поле. Таким образом, потребуется 17 операций для получения данных в виде, удобном для обработки.

Согласно формату RANGECMP для выделения одного блока данных размером в 24 байта потребуется одно действие, далее потребуется девять действий для того, чтобы получить нужные биты для каждого поля, и девять действий для выполнения смещения битов и получить значения. Итого требуется 19 действий для преобразования полученных данных в вид, пригодный для дальнейшей математической обработки «состояние отслеживания».

Для обработки данных формата RANGECMP2 согласно документации потребуется семь действий для выделения одной записи заголовка измерения по одному спутнику и 14 действий для выделения битов данных измерений по выбранному каналу. После выделения отдельных битов необходимо выполнить смещение всех полей для того, чтобы получить настоящие значения, т.е. потребуется ещё 21 дополнительное действие. Таким образом, всего требуется 42 действия для преобразования в формат данных, который можно использовать для математической обработки.

В табл. 2 отражено среднее значение уменьшения размера протокола измерений в зависимости формата сжатого протокола измерений и числа операций, требуемое для преобразования данных в вид, пригодный для математической обработки. Как следует из результатов табл. 2, использование логов RANGECMP и RANGECMP2 требует выполнения дополнительных операций по преобразованию данных, причём увеличение числа операций пропорционально полученной выгоде от упаковки данных. Следовательно, требуется объективно подходить к выбору конкретного протокола измерений в зависимости от ограничений, которые накладываются на программную или аппаратную платформу, которая будет использоваться для обработки данных.

Таблица 2

Сравнение эффективности сжатия и количества операций

Протокол измерений

Сжатие данных

Кол-во операций для преобразования

RANGE

0 %

9

RANGECMP

44 %

19

RANGECMP2

61 %

42

Выводы

Таким образом, использование упакованных форматов протоколов измерений даёт уменьшение размера протокола измерений в два раза, но требует увеличения количества действий для преобразования данных в формат для математической обработки.

Если требуется выполнить сокращение передаваемых данных и нет ограничений по производительности, то целесообразно использовать RANGECMP или RANGECMP2. Использование RANGECMP2 с практической точки зрения нецелесообразно, так как даёт дополнительный выигрыш 16 % в объёме передаваемых данных, но увеличение числа действий, требуемых для их преобразования, также более чем в два раза превосходит число действий, требуемых для RANGECMP. Следовательно, выбор конкретного формата протокола измерений необходимо осуществлять в зависимости от поставленной задачи и применять форматы RANGE или RANGECMP.

Рецензенты:

Кандаурова Н.В., д.т.н., профессор, проректор по науке и развитию, ЧОУ ВО «Ставропольский университет», г. Ставрополь;

Лубенцов В.Ф., д.т.н., профессор, заместитель директора по научной работе, Невинномысский технологический институт (филиал), ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Невинномысск.


Библиографическая ссылка

Чипига А.Ф., Марков Д.М., Слюсарев Г.В. ВЛИЯНИЕ УПАКОВАННЫХ ФОРМАТОВ ПРОТОКОЛОВ ИЗМЕРЕНИЙ НА СКОРОСТЬ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В АДАПТИВНЫХ СИСТЕМАХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 11-4. – С. 759-762;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39503 (дата обращения: 01.04.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074