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 |

Применение хоппинга для повышения эффективности использования пучка дискретных каналов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шевнина Ирина Евгеньевна

ПРИМЕНЕНИЕ ХОППИНГА

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ПУЧКА ДИСКРЕТНЫХ КАНАЛОВ

Специальность 05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК

2011

Работа выполнена на кафедре передачи дискретных сообщений и метрологии Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Научный руководитель – доктор технических наук,

профессор О.Г. Мелентьев

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.И. Носов

кандидат технических наук

В.А. Шиянов

Ведущее предприятие – Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.

Защита состоится «28» октября 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 219.005.01. при ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу:

630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ФГОБУ ВПО «СибГУТИ».

Автореферат разослан «____» сентября 2011 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 219.005.01,

доктор технических наук, профессор ____________ Г.В. Мамчев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется проблеме обеспечения качества передачи информации. Одним из путей её решения является разработка методов, повышающих эффективность использования ресурсов имеющихся каналов. Традиционно для этих целей применяют адаптивные системы. Известны различные классы адаптивных систем, многие их которых широко используются в системах передачи. Вопросами анализа адаптивных систем занимались М.Н. Арипов, Э.Л. Блох, Н.Н. Буга, Л.Ф. Жигулин, Л.П. Коричнев, О.В. Попов, Л.А. Растригин, Ю.Г. Ростовцев, Б.Я. Советов, А.И. Фалько, В.А. Шапцев, В.П. Шувалов, M. Zorzi и другие.

Рост возможностей элементной базы позволил перейти к реализации концепции построения интеллектуальных систем связи, способных изменять свои внутренние параметры, адаптируясь не только к уже произошедшим изменениям условий передачи, но и предсказывать эти изменения, что сокращает время реакции. Основные постулаты концепции, получившей название «Когнитивного радио», были сформулированы J. Mitola III в 1999 году. Развитие данной идеологии получило продолжение в работах G. Q. Maguire Jr, B. A. Fette, Senhua Huang, Xin Liu, Zhi Ding.

Для оценки текущих условий передачи и прогнозирования их изменения в будущем на различных уровнях системы могут использоваться различные параметры. На уровне канала передачи данных наименее затратной является оценка состояния канала путём анализа качества приёма блоков или занятости канального слота первичным абонентом, имеющим высший приоритет.





Как показывает анализ работы систем, первичные абоненты не используют весь временной ресурс выделенных каналов: существуют периоды активности первичного абонента и паузы, которые могут использоваться для передачи менее приоритетного трафика вторичных абонентов. В этой связи для повышения эффективности использования канального ресурса была предложена концепция гибкого доступа (opportunistic access). Вопросам гибкого доступа посвящены работы: Xin Liu, Bhaskar Krishnamachari, Hua Liu R. Knopp, P. Humblet, Q. Zhao, L. Tong, A. Swami, S. Huang.

Q. Zhao, B. Krishnamachari, K. Liu рассматривали вопросы повышения эффективности использования пучка из двух каналов вторичными абонентами, применяя для управления гибким доступом циклический алгоритм смены каналов. Philip A. Chou, Z. Miao рассмотрели вопросы передачи MPEG-потоков, имеющих внутренний приоритет блоков, по пучку каналов, описываемых цепями Маркова.

Как поражение блоков, так и занятость канальных слотов первичными абонентами в большинстве случаев имеет группирующийся характер. Группирование позволяет с определённой точностью прогнозировать доступность слотов для передачи в ближайшем будущем. В этой связи представляется актуальным разработка алгоритмов, обеспечивающих прогноз доступности слотов каналов пучка, а также алгоритмов оперативного ранжирования каналов по качеству и динамического выделения слотов для передачи блоков с учётом приоритетов, использующих результаты прогноза.

Цель работы. Разработка методов, методик и алгоритмов эффективного использования ресурсов пучка каналов для удовлетворения заданных требований к качеству передачи данных с разным приоритетом потоков.

Методы исследования. В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, теории марковских цепей, имитационного и математического моделирования.

Научная новизна:

  1. Разработаны методики определения параметров канала, обеспечивающего заданное качество обслуживания (среднюю производительность, допустимый коэффициент потерь блоков и максимальное количество переспросов блока) для двух моделей доступности слотов канала (биномиальная модель и модель Гилберта).
  2. В классе марковских цепей разработаны модели для оценки параметров результирующих логических каналов, образованных парой физических каналов посредством трёх видов регулярного неравномерного хоппинга (последовательным хоппингом, параллельным хоппингом и параллельным хоппингом с чередованием канальных слотов).
  3. Предложены три алгоритма построения приоритетного логического канала, основанные: 1 – на учёте параметров модели Гилберта, описывающей доступность слотов физических каналов пучка; 2 – на средней статистике доступности слотов физических каналов; 3 – на анализе текущей доступности слотов пучка каналов. Предложенные алгоритмы управления нерегулярным хоппингом позволяют увеличить до 50 % вероятность доступности слотов приоритетного логического канала (ПЛК) по сравнению с лучшим физическим каналом пучка и обеспечить уменьшение потерь доступных слотов пучка для передачи неприоритетного трафика по сравнению с параллельным использованием физических каналов в ПЛК, в предположении, что доступность слотов физических каналов пучка описывается марковской цепью.
  4. Предложены три алгоритма управления нерегулярным хоппингом, позволяющие снизить коэффициент потерь блоков при передаче потока блоков с ограничением допустимого числа повторных передач по пучку каналов. В предположении, что доступность слотов физических каналов пучка описывается марковской цепью, данные алгоритмы позволяют уменьшить потери блоков до 20 раз в зависимости от допустимого числа повторных передач, числа каналов в пучке и их параметров.

Практическая ценность работы и внедрение её результатов. Предложенные методы и алгоритмы построения логических каналов позволяют формировать каналы, обеспечивающие удовлетворение требований к качеству обслуживания и увеличить эффективность использования имеющегося ресурса пучка каналов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке системных решений в ЗАО «Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий» и используются в учебном процессе в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики на кафедре передачи дискретных сообщений и метрологии и подтверждены актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:

  1. Международном семинаре «Электронные приборы и материалы», EDM. – Эрлагол, 2008.
  2. X международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей». – Новосибирск, 2008.
  3. XXV международной конференции Российской академии естественных наук (РАЕН) «Мобильный бизнес: перспективы развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом». – Ньян-Чанг, 2009.
  4. Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». – Новосибирск, 2008, 2009, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. В их числе: 3 статьи – в научных периодических журналах (из них 2 – в журналах, рекомендованных ВАК), 8 докладов – в материалах научных конференций и семинаров.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и трёх приложений. Содержит 133 страницы, 2 таблицы, 86 рисунков. Список литературы состоит из 73 наименований.

Основные результаты, выносимые на защиту:

  1. Методика определения соотношения длин слотов хоппинга для удовлетворения заданных требований качества обслуживания в пучке из двух каналов с независимым характером доступности слотов.
  2. Математическая модель для вычисления параметров результирующих каналов, образованных параллельным использованием двух или трёх каналов с группирующимся характером доступности слотов.
  3. Математические модели для вычисления параметров результирующих каналов, образованных различными видами регулярного неравномерного хоппинга в пучке из двух каналов с группирующимся характером доступности слотов.
  4. Математические выражения для вычисления вероятностей ошибок заданной кратности при параллельной передаче по нескольким дискретным каналам, описываемым простой марковской цепью.
  5. Алгоритмы построения приоритетного логического канала на базе пучка с коэффициентом недоступности слота, не большим, чем у исходных каналов.
  6. Алгоритмы управления нерегулярным хоппингом.

В первой главе приводятся оценки потенциального эффекта от использования алгоритмов построения приоритетных логических каналов и управления хоппингом и формулируются частные задачи исследования.

Часто между двумя узлами сети имеется пучок параллельных каналов. Временные слоты канала предоставляются для передачи блоков данных. В процессе передачи блоки могут поражаться ошибками. Поражение блоков в каждом канале пучка имеет группирующийся характер.

Невозможность использования того или иного слота для доставки блока получателю может быть обусловлена не только наличием ошибок, но и занятостью его более приоритетными данными. Положим, все каналы пучка используются первичными абонентами. При этом занятость слотов каналов первичными абонентами также имеет тенденцию к группированию. Очевидно, что процессы занятия и освобождения слотов в разных каналах пучка будут независимы, даже если все каналы организованы одной системой передачи и используют одну среду передачи. Слоты, свободные от передачи блоков первичных абонентов, могут использоваться для обслуживания вторичных абонентов.

Для унификации формулировок и решений задач, вместо отдельных терминов поражения слота ошибками и занятости первичными абонентами, введём понятие доступности и недоступности слота. Слот может быть недоступен из-за плохого качества канала или по причине занятости его передачей данных первичных абонентов.

Проведённый анализ моделей, используемых различными авторами для описания процессов поражения слотов и их занятости первичными абонентами, показал, что удовлетворительную точность описания дискретного канала при приемлемых затратах машинного времени дают модели с двумя состояниями, такие как модель Гилберта и простая марковская цепь. Эти модели и будут использованы далее в работе.

Модель предполагает наличие двух состояний дискретного канала. В одном из состояний слоты доступны (пауза в передаче данных первичного абонента или отсутствие ошибок). Будем называть данное состояние хорошим, или G-состоянием. Во втором состоянии возможно поражение слотов ошибками или их занятость данными первичных абонентов с вероятностью . Данное состояние назовем плохим, или B-состоянием. Смена состояний описывается цепью Маркова. Поведение системы может быть представлено графом (рис. 1).

  Граф модели Гилберта -1 Рис. 1 – Граф модели Гилберта

Изменение состояний модели определяется матрицей переходных вероятностей . (1)

Дискретным шагом системы является блок (слот). Смысл переходной вероятности – вероятность перехода системы при передаче следующего блока в состояние y, если при передаче текущего блока она находилась в состоянии x.

Имеющийся ресурс доступных слотов пучка из каналов можно предоставлять для передачи некоторого числа потоков с разными требованиями по качеству или разными приоритетами. Под требованиями будем понимать среднюю производительность источника и допустимый коэффициент потерь блоков при заданном максимальном времени жизни блока (задержки).

Для обслуживания требований мы можем предоставлять целое число исходных каналов или организовать логические каналы, динамически выделяя слоты исходных каналов в любой последовательности и любом количестве.

Основной задачей исследования является разработка методик и алгоритмов эффективного разделения ресурсов пучка каналов для удовлетворения максимального числа поступающих требований.

Требования на качество обслуживания могут быть заданы: производительностью источника, допустимым коэффициентом потерь и максимальным количеством переспросов блока . В данной ситуации необходимо выделить логический канал, удовлетворяющий требованиям при минимальном использовании ресурсов пучка. Эта задача может быть разбита на три самостоятельных задачи.

1. Разработать методику определения параметров канала для удовлетворения заданных требований при биномиальном и группирующимся законах, описывающих доступность слотов.

2. Разработать и классифицировать методы построения логических каналов на базе пучка с использованием различных видов хоппинга.

3. Разработать методики построения логических каналов с заданными параметрами на базе имеющегося пучка каналов при использовании различных видов регулярного хоппинга. Построение логического канала в данном случае сводится к определению схемы последовательно-параллельного выделения слотов исходных каналов пучка.

Требование может быть задано относительным показателем приоритета. В этом случае высокоприоритетному потоку необходимо выделить логический канал с лучшими характеристиками, оставляя, по возможности, часть ресурсов для передачи данных с низким приоритетом.

Если для организации приоритетного логического канала параллельно использовать все каналы пучка, то вероятность недоступности слотов ПЛК в этом случае будет минимальной, но коэффициент потерь доступных слотов за счёт дублирования блоков в нескольких слотах – максимальный.

Как показали проведённые оценки, с уменьшением вероятности недоступности слотов в пучке из двух каналов, коэффициент потерь слотов возрастает и стремится к 50 %. С увеличением числа каналов в пучке потери доступных слотов могут достигать ещё больших значений.

Группирование ошибок и занятости слотов позволяет прогнозировать доступность слотов по результатам предыдущих попыток. В этой связи, целесообразно разработать алгоритмы построения ПЛК, обеспечивающие прогноз доступности слотов во всех каналах пучка и динамическое выделение слота канала с лучшим на текущий момент качеством. Слоты оставшихся каналов могут быть использованы для передачи менее приоритетного трафика вторичных абонентов. Такой подход позволит значительно повысить использование ресурсов имеющегося пучка каналов при незначительном повышении вероятности недоступности слотов ПЛК относительно параллельного использования всех каналов пучка.

Ряд приложений реального времени накладывает жёсткие ограничения на время доставки пакета и коэффициент потерь. В данном случае требование может быть сформулировано следующим образом: при фиксированных значениях производительности источника и максимального количества переспросов блока – минимизировать коэффициент потерь, используя весь ресурс пучка каналов .

Задача минимизации потерь блоков из-за превышения числа допустимых переспросов также может быть решена путём прогноза доступности слотов в каналах пучка и предоставления слотов в лучших по прогнозам каналах блокам с максимальным числом неудачных попыток.

Для количественной оценки максимально возможного снижения коэффициента потерь блоков от использования алгоритмов управления нерегулярным хоппингом, при параллельной передаче потока с ограниченным числом переспросов, было проведено имитационное моделирование. На пучок из двух (трёх) физических каналов с группирующимся характером доступности слотов подавался поток блоков с ограниченным . Оценивались коэффициенты потерь блоков при обслуживании потока двумя алгоритмами.

Первый. При передаче блоки последовательно заполняют текущие слоты каналов пучка. Прогноз доступности слотов не проводится, и при повторных передачах поражённых блоков канал не меняется – алгоритм А0.

Второй. При передаче система безошибочно прогнозирует недоступность в следующих слотах и предоставляет блоку с большим числом поражений слот в лучшем канале – идеальный алгоритм управления хоппингом.

Доступность слотов исходных каналов пучка описывалась моделью Гилберта с переходными вероятностями: Pgg1=0.95, Pbb1=0.9; Pgg2=0.9, Pbb2=0.9 и вероятностью недоступности слота в плохом состоянии p=0.5.

Выигрыш в разах по коэффициенту потерь идеального алгоритма относительно алгоритма А0 приведён в табл. 1.

Таблица 1

Lm 1 2 3 4 5 6 7
КПА0/КПИд 1 3 4.7 8.8 17 35 61

Ещё большего выигрыша можно добиться при параллельной передаче по трём каналам. Выигрыш для данного случая приведён в табл. 2. Параметры каналов: Pgg1=0.95, Pbb1=0.9; Pgg2=0.99, Pbb2=0.95; Pgg3=0.98, Pbb3=0.9.

Таблица 2

Lm 1 2 3 4 5
КПА0/КПИд 1 11.6 66 160 883


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.