авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование вероятностно-временных характеристик протоколов управления множественным доступом в беспроводных компьтерных сетях wimax

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Дроздова Вера Геннадьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТОКОЛОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОЖЕСТВЕННЫМ ДОСТУПОМ В БЕСПРОВОДНЫХ КОМПЬТЕРНЫХ СЕТЯХ WiMAX

Специальность: 05.13.15 – Вычислительные машины,

комплексы и компьютерные сети

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Федерального агентства связи Российской Федерации.

Научный руководитель – доктор технических наук

профессор

Мархасин Александр Беньяминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор

Родионов Алексей Сергеевич

кандидат технических наук,

доцент

Треногин Николай Геннадьевич

Ведущая организация – ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж

Защита состоится “___” ___________ 2011 г. в “____” часов на заседании Диссертационного совета Д 219.005.02 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86, ком. 625.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ».

Автореферат разослан “___” ____________ 2011 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 219.005.02

кандидат технических наук

доцент И. И. Резван

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стандарт IEEE 802.16e-2005 (WiMAX) – это стандарт городских (MAN) и территориальных (WAN) сетей 4G мобильного беспроводного широкополосного доступа, описывающий протоколы физического уровня и подуровня управления доступом к среде (MAC – Medium Access Control). В качестве основного механизма управления множественным доступом к беспроводной среде стандартом предусматривается контролируемый доступ с резервированием (reservation) ресурсов беспроводной среды (MAC-R) в суперкадрах фиксированного/предопределенного формата (RFS).

Современные технологии беспроводного широкополосного доступа (ШПД) развиваются по пути конвергенции услуг передачи данных, телефонии, телевидения и т.п. Интеграция различных типов информации в одной системе, с неодинаковыми требованиями к скорости передачи данных и времени задержки, обуславливает необходимость обеспечения соответствующих механизмов управления качеством обслуживания (QoS – Quality of Service).

Новые технологии требуют разработки адекватных методов анализа, учитывающих реалистические условия функционирования сети и внутреннюю структуру протокола управления множественным доступом в среду. Важнейшие результаты в области теории множественного доступа были получены А. Б. Мархасиным, В. А. Михайловым, С. И. Самойленко, Г. Г. Стецюра, Б.С. Цыбаковым, N. Abramson, L. Kleinrock, S. S. Lam, F.A. Tobagi, L.G. Roberts, I. Rubin и др.

Системы класса WiMAX описываются многомерными моделями распределенных в пространстве очередей, с приоритетным обслуживанием неоднородных потоков нагрузки. Следует отметить, что задачи анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) таких сложных мультисервисных систем, как правило, имеют аналитические решения лишь при сильных упрощающих допущениях, не позволяющих учесть такие важные характериситики реальных сетей, как вероятности ошибок, неоднородности входных нагрузок, реальные входные потери, повторные потоки переспросов, время распространения сигналов в беспроводной среде, системные параметры протоколов MAC, дисциплины обслуживания и т.п. Например, известны решения задач анализа протоколов WiMAX с помощью моделей Марковских цепей (А. В. Винель, А. И. Ляхов, А. М. Тюрликов, G. Bianchi, K. Chen, A. Doha, H. Hassanein, М. Lott, Q. Ni, Y. Zhang, Y. Zhou и др.), в которых не удалось в полной мере оценить эффективность работы MAC-протоколов в реальных условиях функционирования из-за упрощающих ограничений.





В монографии В. Вишневского и О. Семеновой авторы с помощью метода преобразований Лапласа-Стилтьеса (ПЛС) получили решение задачи анализа ВВХ для протоколов управления доступом к беспроводной среде вида MAC-P, действующих на основе механизм опроса (polling). В работах Мархасина А. Б. были исследованы ВВХ WiMAX-образного MAC-протокола для гибридных сетей DVB-RCS/WiMAX с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок. Метод баланса интенсивностей нагрузок, а также имитационное моделирование позволяют снять перечисленные выше упрощающие допущения и получить ВВХ MAC-протокола WiMAX с более полным учетом реальных условий функционирования.

Наиболее существенные результаты имитационного моделирования в программных средах NS-2, OpNet, QualNet были представлены в работах M. Bardazzi, C. Cicconetti, A. Erta, R. Fantacci, J. Gmez, O. Gusak, L. Lenzini, D. Tarchi и др. Такой метод оценки ВВХ позволяет получить достаточно точные результаты, однако имитационные модели не приспособлены для поиска закономерностей и оптимальных решений и их применение более эффективно для экспериментальной проверки и уточнений аналитических методов.

В диссертационной работе предложена методика расчета вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX на основе метода баланса интенсивностей нагрузок, позволяющая учесть реальные условия функционирования сети (ненасыщенные очереди, время распространения, помехи в радиоканале) и внутренние параметры протокола (длительности суперкадров, размеры запросов полосы, емкости очередей, количество повторных переспросов и т.д.).

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) MAC-протоколов резервирования беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с фиксированным форматом суперкадра с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры протокола. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

  1. Обоснование актуальных задач анализа и моделирования реалистических вероятностно-временных характеристик (ВВХ) мобильных сетей четвертого поколения WiMAX.
  2. Разработка реалистической расчетной модели MAC-протокола резервирования для сетей WiMAX четвертого поколения.
  3. Развитие метода баланса интенсивностей нагрузок и анализ особенностей решения задач оценки ВВХ сетей стандарта IEEE 802.16.
  4. Численные исследования вероятностно-временных характеристик мобильных сетей WiMAX для реалистических условий.
  5. Разработка и программная реализация имитационной модели, экспериментальная проверка ВВХ сетей WiMAX, полученных методом баланса интенсивностей нагрузок.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории множественного доступа, теории систем массового обслуживания и теории математической статистики, а также имитационное моделирование.

Научная новизна работы.

  1. Впервые разработана методика расчета вероятностно-временных характеристик MAC-протокола сетей WiMAX на основе метода баланса интенсивностей, позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей.
  2. Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.
  3. Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности MAC-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки и параметров форматов суперкадров, задающие законы адаптации форматной структуры суперкадров к переменной нагрузке.
  4. Разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16, позволяющая экспериментально исследовать реалистические ВВХ сетей WiMAX.

Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют оценить характеристики производительности мобильных сетей WiMAX четвертого поколения, что может быть использовано при их построении. Проведенные численные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу для адаптации MAC-протоколов сетей WiMAX четвертого поколения к условиям удаленных, труднодоступных и малонаселенных территорий.

Полученные в диссертационной работе результаты используются в учебном процессе Кафедры телекоммуникационных сетей и вычислительных средств ГОУ ВПО «Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики», а также Томским филиалом ОАО «Ростелеком».

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа поддерживалась грантами компании Alcatel-Lucent.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс. Они использовались при чтении курсов лекций на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств (ТС и ВС) ГОУ ВПО «СибГУТИ» по дисциплине «Основы теории средств связи с подвижными объектами ».

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным имитационным моделированием, а также согласованностью с данными, имеющимися в отечественной и зарубежной литературе.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях: Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2009, 2010 г.), Third International conference in Central Asia on Internet, the next generation of mobile, wireless and optical communications (Uzbekistan, Tashkent, Sept. 26-28, 2007), 11th International workshop and tutorial on Electron Devices and Materials (1-5 July 2008, Erlagol), IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2008" (Novosibirsk, 2008), 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM’2009 (Алтай, Июль 2009), The IASTED International Conference on Automation, Control, and Information Technology Information and Communication Technology - ACIT-ICT (Novosibirsk, June 15-18, 2010), 11-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM’2010 (Алтай, Июль 2010), IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2010" (Irkutsk, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК. Результаты отражены в отчетах по грантам и НИР.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

  1. Методика расчета вероятностно-временных характеристик MAC-протокола стандарта IEEE 802.16, основанная на сведении задачи анализа MAC-протокола WiMAX к известной задаче анализа характеристик протокола контролируемого множественного доступа с фиксированным форматом кадра.
  2. Решение и программная реализация численной задачи анализа вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX.
  3. Результаты имитационного моделирования протокола управления доступом к беспроводной среде WiMAX.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературных источников, изложенных на 104 страницах, а также приложений на 43 страницах. Работа содержит 34 рисунка и 14 таблиц. В списке использованной литературы 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится изучение состояния проблемы анализа и оптимизации вероятностно-временных характеристик MAC-протокола сетей WiMAX, рассматриваются существующие в настоящее время методы ее решения, модели анализа ВВХ, их достоинства и недостатки. На основании анализа существующих решений обосновывается актуальность диссертационного исследования, формулируются цели и задачи.

Исследования MAC-протокола WiMAX можно разделить на работы, которые посвящены изучению механизмов контролируемого доступа (резервирование), работы, изучающие технологии свободного доступа, заложенные в стандарте, и те, которые рассматривают оба метода множественного доступа с целью сравнения их эффективности. Кроме того, систематизировать существующие решения данной проблемы можно по методу, лежащему в основе анализа, – одни авторы используют аналитические методы (методы, базирующиеся на моделях Марковских цепей, и метод баланса интенсивностей нагрузок), другие – имитационное моделирование (OPNET, NS-2, С++, QualNet и т.п.).

Большинство аналитических решений, характеризующих эффективность MAC-протокола WiMAX, базирующихся на методологии теории Марковских процессов (работы А. В. Винеля, А. И. Ляхова, A. Doha, H. Hassanein, М. Lott, Q. Ni, Y. Zhang, Y. Zhou), были получены при упрощающем допущении о том, что система работает в режиме насыщения и посвящены исследованию механизмов свободного доступа. Если же удавалось преодолеть допущение о насыщенности очередей, то, как правило, не рассматривалось влияние внешней среды на вероятностно-временные характеристики протокола, не учитывались многие системные параметры протокола.

В результате анализа и систематизации имеющихся решений задачи исследования характеристик эффективности протокола управления множественным доступом, был выявлен ряд нерешенных задач – недостаточно изучено влияние параметров внешней среды на ВВХ стандарта (ошибки при передаче запросов, вызывающие повторные переспросы, время распространение), влияние параметров MAC-протокола (длительность запросов полосы, количество повторных переспросов, размер кадра), механизмов множественного доступа (свободный и контролируемый МД) и т.д.

Таким образом, основной целью данной диссертационной работы стала разработка адекватных реальным условиям функционирования численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения.

Во второй главе диссертационного исследования разработана модель функционирования WiMAX, включающая в себя механизмы множественного доступа к среде, форматы кадров, пространственно-временные диаграммы MAC-протокола стандарта IEEE 802.16 для схем с временным и частотным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов, с учетом времени распространения и помех в радиоканале, сводящаяся к модели протоколов MAC с фиксированным форматом кадра.

Для передачи абонентских данных в восходящем канале в стандарте IEEE 802.16 используется кадр с фиксированным (или предопределенным) форматом. Кадр состоит из служебной и информационной части. В служебных слотах абоненты могут резервировать ресурсы путем передачи соответствующего запроса. Для резервирования полосы используются механизмы контролируемого доступа и свободного. Стандартом предусмотрено несколько размеров кадра, изменяющихся в процессе функционирования системы зависимости от величины входной нагрузки. Как правило, всегда имеет место несовпадение числа слотов данных в выделенном суперкадре с количеством заявок, имеющихся в распределенных локальных очередях.

 Структура восходящего субкадра-0

Рис. 1. Структура восходящего субкадра стандарта IEEE 802.16

На рис. 1 показана структура восходящего субкадра WiMAX. H – число слотов конкурентного доступа, предусмотренных для авторизации абонентов в сети и при небольших нагрузках для низкоприоритетного трафика; N – число слотов опроса, выделяемых активным МС для передачи трафика в реальном времени; J – число информационных слотов в кадре, выделенных для передачи абонентских пакетов.

В данной главе были также предложены пространственно-временные диаграммы MAC-протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра, адаптированные для расчета вероятностно-временных характеристик, учитывающие время распространения сигнала и повторные запросы полосы, вызванные переполнением суперкадра или ошибками при передаче запроса, в режимах TDD и FDD (временное и частотное дуплексирование восходящего и нисходящего каналов, соответственно).

 Пространственно-временная-1

Рис. 2. Пространственно-временная диаграмма стандарта IEEE 802.16 для схемы с частотным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов.

На рис. 2 показана схема для передачи запросов для режима FDD, построенная в соответствии с особенностями MAC-протокола стандарта IEEE 802.16e-2005. Команды-запросы, отклики (команды-распределения либо отказы) и реакции на них (повторные запросы либо передачи пакетов) сдвинуты во времени на определенное число кадров, зависящее от соотношения времени распространения сигналов «вверх-вниз» TRTD и длительности кадров TSFR. Интеракции «неуспешный запрос» – «новый запрос», а также «успешный запрос» – «передача пакета» – «неподтверждение/подтверждение приема» – «новый запрос» сдвинуты на фиксированное число m кадров, которое было определено выражением

,

где E(x) – целая часть x. Поэтому в качестве модели очереди мобильной станции (парциальной очереди) в случае системы с бесконечной емкостью очереди принимается m-канальная система M/M/m (с так называемым «окном повторения», равным m).

В третьей главе выполнена адаптация и сведение задачи анализа вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX к известной задаче анализа ВВХ протокола управления множественным доступом к беспроводной среде с фиксированным форматом кадра на основе чиленно-аналитического метода баланса интенсивностей нагрузок с учетом функционирования сети в реальных условиях и внутренней структуры протокола управления множественным доступом. Параметры MAC-протокола WiMAX выражаются через переменные этой задачи.

Главная идея метода баланса интенсивностей нагрузок заключается в сведении модели единой многомерной очереди к эквивалентной сумме линейно независимых, т.е. парциальных, очередей с помощью эквивалентных законов распределения времени обслуживания в парциальных очередях. Такое сведение единой многомерной очереди к сумме эквивалентных парциальных очередей, или нахождение эквивалентных распределений, выполняется с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок.

Метод включает три этапа решения задачи. На первом этапе определяются в параметрической форме интенсивности нагрузок в сечениях сети, от входов до выходов распределенных очередей, соответственно вероятностному графу процедур (рис. 3) приоритетного обслуживания и передачи запросов, совместно с пространственно-временной диаграммой (рис. 2) поясняющему алгоритм работы MAC-протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра.

 Вероятностный граф работы-4 Рис. 3. Вероятностный граф работы MAC-протокола резервирования WiMAX с фиксированным форматом кадра и распределенным управлением качества обслуживания QoS. Общий случай.

На рис. 3. представлен вероятностный граф, отображающий общий случай функционирования MAC-протокола резервирования с фиксированным форматом кадра, учитывающий вероятности вытеснения запроса по приоритету из локальной и общей очереди, входные потери, связанные с ограниченной емкостью буфера, ошибки, возникающие при передаче запросов, пакетов, квитанций, переполнение суперкадра, конечное число возможных повторных передач.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.