на правах рукописи Гайнулин Андрей Габдулхакович УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С ПЕРЕМЕННОЙ ТОПОЛОГИЕЙ Специальность 05.13.01. – "Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности) по техническим наукам" АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород, 2009 г.
Автореферат кандидатской диссертации. Тема "Управление ресурсами в в беспроводной сети с переменной топологией"
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
на правах рукописи
Гайнулин Андрей Габдулхакович
УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С
ПЕРЕМЕННОЙ ТОПОЛОГИЕЙ
Специальность 05.13.01. – "Системный анализ, управление и обработка
информации (в науке и промышленности) по техническим наукам"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород,
2009 г.
2
Работа выполнена на кафедре «Теория Цепей и Телекоммуникации»
Нижегородского государственного технического университета
им. Р.Е. Алексеева
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,
Крылов Владимир Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент,
Хранилов Валерий Павлович
кандидат технических наук,
Егоров Евгений Евгеньевич
Ведущая организация: ФГУП ФНПЦ «НИИИС им. Ю.Е. Се-
дакова», г. Нижний Новгород
Защита диссертации состоится « 21 » мая 2009 года в 15 часов в
ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д212.165.05 при Нижего-
родском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по ад-
ресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского госу-
дарственного технического университета им. Р.Е. Алексеева
Автореферат разослан «____» _________ 2009 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета А.С. Суркова
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена исследованию алгоритмов и прото-
колов управления выделением и занятием ресурсов высокоскоростных беспро-
водных сетей с переменной топологией, поддерживающих смешанный тип
коммутации передаваемых данных. Разработана модель беспроводной сети, ин-
вариантная к используемым протоколам управления. Разработаны критерии
оценки эффективности работы протоколов управления ресурсами. Показано,
что применение существующих подходов к управлению ресурсами подобных
сетей приводит к неэффективному использованию доступной пропускной спо-
собности. Разработаны новые протоколы управления выделением ресурсов и
передачей данных в беспроводных сетях с переменной топологией. Изучен эф-
фект от их применения с точки зрения улучшения характеристик работы сети.
Методы и алгоритмы, предложенные в данной работе, были использованы при
проектировании системы беспроводной связи “Falcon 3”.
Целью настоящей работы является разработка принципов и алгорит-
мов управления ресурсами беспроводной высокоскоростной сети с переменной
топологией, а также протоколов управления доступом к ресурсам разделяемых
каналов передачи данных и занятием доступных выделенных каналов для пере-
дачи информации, способных адаптироваться к текущим параметрам сети (то-
пологии, основным направлениям передачи информации, степени загрузки се-
ти) и находить оптимальные решения для обеспечения наилучших показателей
суммарной пропускной способности сети при условии удовлетворения требо-
ваний по обеспечению запрошенного качества обслуживания для передаваемых
потоков данных.
В задачи работы входило
1. Построение математической модели высокоскоростной беспроводной сети.
2. Разработка эффективного протокола для управления доступом к ресурсам
беспроводного канала передачи данных.
3. Разработка эффективного алгоритм маршрутизации и управления ресурсами
разделяемых и выделенных каналов при передаче потокового трафика в вы-
сокоскоростной беспроводной сети.
4. Разработка системы тестирования протоколов.
Актуальность работы состоит в том, что задача создания эффективных
алгоритмов и протоколов управления занятием ресурсов беспроводной сети пе-
редачи данных с использованием анализа информации о текущей нагрузке в се-
ти стоит в ряду основных проблем теории систем массового обслуживания, ко-
4
торые ждут своего решения. Существующие алгоритмы управления и протоко-
лы передачи данных для беспроводных ad hoc сетей оказались неподходящими
или малоэффективными при их применении для высокоскоростной многока-
нальной передачи данных. Все они были ориентированы на обмен данными в
сетях, где доступен лишь один разделяемый канал передачи данных, и обмен
данными производится в режиме коммутации пакетов. Потребовалось не про-
сто модифицировать существующие подходы, но разработать качественно но-
вые алгоритмы управления выделением ресурсов и протоколы передачи дан-
ных, способные адаптироваться к характеристикам обслуживаемой нагрузки и
оптимизировать использование доступного ресурса пропускной способности
сети. На сегодняшний день существование протоколов управления передачей
данных для сетей подобного класса из открытых источников не известно. Раз-
работка протоколов управления ресурсами такого рода сетей и анализ их при-
менения в персональных сверхскоростных беспроводных сетях имеют научный
и практический интерес.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что:
Разработаны методы и алгоритмы решения задач управления передачей
данных в беспроводных сетях с переменной топологией, использующие резуль-
таты анализа текущей загрузки сети и предсказания изменения характеристик
предоставляемого качества обслуживания в сети в зависимости от параметров
поступившего запроса на передачу данных.
Разработаны методы и алгоритмы решения задач управления выделени-
ем ресурсов беспроводной сети с переменной топологией, максимизирующие
пропускную способность сети. Разработаны критерии оценки эффективности
решения задач управления выделением ресурсов беспроводной сети с перемен-
ной топологией. Полученные критерии представлены в виде соотношений меж-
ду практически и теоретически достижимыми значениями пропускной способ-
ности сети
Разработаны критерии оценки эффективности решения задач оптимиза-
ции распределения передаваемой нагрузки в беспроводных сетях с переменной
топологией. Полученные критерии представлены в виде соотношений, позво-
ляющих найти набор различных характеристик таких, как оптимальный и мак-
симально допустимый уровни нагрузки в кластере сети, задержка при передаче
пакетов данных через сеть.
В работе разработаны протоколы управления выделением ресурсов бес-
проводной ad hoc сети с адаптацией к параметрам сети, протокол маршрутиза-
ции передаваемых данных беспроводной ad hoc с поддержкой смешанных ти-
5
пов коммутации. Предложено применение разработанного протокола в беспро-
водных системах передачи данных.
Полученные результаты могут найти применение при проектировании
высокоскоростных беспроводных сетей со смешанными видами передаваемого
трафика (как пакетного, так и потокового) и случайным доступом к разделяе-
мым ресурсам сетей. Результаты исследований, полученные автором в работе,
использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО «Теком» при
проектировании и разработке системы беспроводной связи «Falcon 3», что под-
тверждается актом о внедрении от 10 ноября 2008 года. Разработанная система
моделирования беспроводных сетей WNS внедрена в компании «НКТ» для
оценки параметров качества обслуживания проектируемых сетей беспроводной
связи, что подтверждается актом о внедрении от 26 июня 2008 года.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докла-
дывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
всероссийской научно-технической конференции «Информационные систе-
мы и технологии ИСТ-2007» (г. Нижний Новгород, 2007 г.)
конференции ICTTA’06 - 2nd IEEE international conference on information &
communication technologies: from theory to applications (г. Дамаск, Сирия,
2006)
всероссийской научно-технической конференции «Информационные систе-
мы и технологии ИСТ-2006» (г. Нижний Новгород, 2006 г.)
IV молодежной международной научно технической конференции «Будущее
технической науки» (г. Нижний Новгород, 2005 г.);
всероссийской научно-технической конференции «Информационные систе-
мы и технологии ИСТ-2005» (г. Нижний Новгород, 2005);
конференции PIMRC 2004 - 15 IEEE International Symposium on Personal, In-
door and Mobile Radio Communications (г. Барселона, 2004);
2-ой Международной конференция IEEE "Цепи и системы в телекоммуника-
циях" (г. Москва, 2004)
научно-технической конференции «Технические, программные и математи-
ческие аспекты управления сложными распределѐнными системами» (г.
Нижний Новгород, 2004).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 19 печатных ра-
ботах.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель разделяемого канала беспроводной сети и постро-
енная на ее основе модель беспроводной сети с переменной топологией.
6
2. Алгоритм маршрутизации и динамического занятия и освобождения выде-
ленных каналов для беспроводной сети.
3. Протокол управления передачей пакетов с данными в беспроводных сетях с
поддержкой приоритетов передачи и гарантированных параметров качества
обслуживания.
4. Результаты анализа эффекта от применения протоколов в беспроводной сети
передачи данных.
Структура и объем диссертации. Текст диссертационной работы состоит
из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (51 наименование) и
приложения. Общий объема диссертации 168 страниц, в том числе 159 страниц
основного текста, 7 страниц списка литературы, 2 страницы приложений, 6
таблиц, 60 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается акту-
альность исследований, формулируется цель работы, раскрывается научная но-
визна и практическая значимость полученных результатов. Дается краткий об-
зор содержания по главам.
В первой главе рассматриваются существующие подходы к организации
беспроводных сетей передачи данных. Вводится деление беспроводных сетей
на 2 класса по способу организации – иерархические сети и одноранговые сети.
В иерархических сетях узлы подразделяются на 2 типа – оконечные тер-
миналы (подвижные) и базовые станции (имеющие фиксированное расположе-
ние). Примером являются сотовые сети, транкинговые и пейджинговые сети
связи.
Другая технология, интенсивно развивающаяся в настоящее время, пред-
полагает построения беспроводных сетей с нефиксированной инфраструктурой
– ad hoc сетей или MANET (mobile ad hoc networking) сетей. В отличие от сетей
с фиксированной инфраструктурой, в ad hoc сетях все узлы являются мобиль-
ными и могут быть связаны динамически в произвольной форме. Все узлы ве-
дут себя не только как оконечные пользовательские терминалы, но и как мар-
шрутизаторы и принимают участие в обнаружении и обслуживании маршрутов
к другим узлам сети.
Исследуемые в настоящей работе высокоскоростные беспроводные сети
связи могут работать как в режиме с переменной топологией, так и в режиме
централизованного управления. Режим ad hoc обеспечивает большую устойчи-
вость сети от сбоев в работе отдельного устройства, в то время как режим с
централизованным управлением обеспечивает обычно более высокую скорость
7
передачи данных, больший диаметр сети и меньшую стоимость абонентского
комплекта.
Подходы к организации передачи данных в беспроводных сетях значи-
тельно отличаются в зависимости от типа управления сети – при этом корен-
ным образом меняются подходы к самоорганизации, маршрутизации, способам
получения канала для передачи и т.д.
Для сетей с централизованным управлением характерной является иерар-
хическая структура сети, в которой есть один или несколько центральных уз-
лов, осуществляющих обработку и перенаправление данных от абонентов-
источников к абонентам-получателям и управление сетью в целом. Типичными
примерами таких сетей являются сети WiFi, BlueTooth. Управление передачей
данных в таких сетях возможно в 2 режимах – использование выделенного ка-
нала с гарантированной задержкой и пропускной способностью или режим слу-
чайного доступа к разделяемому каналу связи с использованием протоколов
CSMA и MACA. Передача данных в таких сетях производится без маршрутиза-
ции и управления приоритетами.
В противоположность сетям с централизованным управлением, сети без
четко выраженной инфраструктуры состоят из однотипных узлов, каждый из
которых обладает достаточно развитым программно-аппаратным обеспечени-
ем, позволяющим организовать передачу данных от источника к получателю
при наличии технической возможности для обмена данными. Передача данных
от одного узла сети к другому может проходить через ряд промежуточных уз-
лов в случае, когда узел – источник не имеет прямой связи с узлом – получате-
лем сообщения. Такая сеть называется многопролетной. Типичным примером
таких сетей являются сети HiperLAN, поддерживающие ретрансляцию, мар-
шрутизацию и приоритеты.
В рамках рассмотрения управления передачей данных в беспроводных
сетях производится сравнительный анализ достоинств и недостатков протоко-
лов маршрутизации передаваемых данных. Рассматривается одноранговая и
иерархическая маршрутизация в табличном режиме работы и режиме «по за-
просу». Показана ограниченность применения существующих протоколов пе-
редачи данных в сетях со смешанными типами коммутации.
Рассмотрены подходы к управлению ресурсами и качеством обслужи-
вания в беспроводных сетях различного типа. Предложена двухуровневая мо-
дель управления ресурсами сети: управлением не только за счет разбиения дос-
тупного ресурса на разделяемые и выделенные каналы, но и за счет применения
соответствующих схем управления качеством обслуживания в пределах каждой
из выделенных групп каналов и даже в пределах каждого занятого канала.
Сформулированы критерии оценки эффективности работы алгоритмов и прото-
8
колов управления ресурсами сети: достоверность принятого решения, время
принятия решения, эффективность принятого решения. С учетом вышепере-
численных критериев сформулированы основные задачи настоящей диссерта-
ционной работы:
Построение инвариантной к используемым протоколам управления ре-
сурсов математической модели высокоскоростной беспроводной сети
передачи данных, позволяющей производить оценку вышеописанных
параметров протоколов управления ресурсами беспроводной сети.
Разработка протокола управления ресурсами беспроводной сети на базе
анализа текущей нагрузки, инвариантного к архитектуре построения се-
ти и набору доступных ресурсов.
Во второй главе производится анализ структуры беспроводной сети пе-
редачи данных со смешанными типами коммутации. Производится оценка раз-
личных параметров сети, на основании результатов анализа построена матема-
тическая модель сети.
В начале главы рассмотрен топологический подход к описанию беспро-
водной сети. В рамках этого подхода введены основные характеристики узла,
кластера и всей сети в целом.
Показано, что для сетей с коммутацией каналов возможно переисполь-
зование частотного ресурса, при этом условие спектрального согласования по-
вторно используемых каналов в рамках маршрута имеет следующий вид:
3,0,
332211
32
21
1
маршрутадлинаi
NRCTRRCTRRCTR
NRCTR
NRCTR
NRCTR
iiiiii
ii
ii
ii
где TRi – множество выделенных каналов, которые могут быть исполь-
зованы для передачи данных узлом с порядковым номером i в маршруте, RCj –
множество выделенных каналов, которые могут быть использованы для приема
данных узлом с порядковым номером j в маршруте, N – количество выделен-
ных каналов, требуемое для обеспечения заданной пропускной способности
маршрута.
Выигрыш от переиспользования ресурсов составит
nndN
dndN
класт
класт
)(
)( (1)
где NКЛАСТ - количество ребер в пределах кластера сети, d – число узлов-
соседей в кластере сети, n – число смежных узлов-соседей в кластере сети.
9
При этом выигрыш будет тем больше, чем больше будет число соседей в
кластере d и меньше число общих соседей в кластере n. Проиллюстрируем за-
висимость величины выигрыша от количества соседей d при фиксированных
значениях n=2 и n=3:
Рис. 1. Зависимость величины выигрыша при переиспользовании ресурсов
от среднего числа узлов-соседей и общих соседей в кластере сети.
Для сетей с коммутацией пакетов получены выражения для оценки мак-
симально достижимой пропускной способности:
cLnd
dNCW
СР
КС
)12( (2)
где W – максимально достижимая пропускная способность сети, d – чис-
ло узлов-соседей в кластере сети, n – число смежных узлов-соседей в кластере
сети, N – общее число узлов в сети, СКС – пропускная способность канала связи
(бит/с), LСР – средняя длина сообщения (бит), а c - константа, определяемая
конкретной структурой сети.
Рис. 2. Зависимость нормированной пропускной способности сети от среднего
числа соседних узлов (n = d/4).
В беспроводных сетях с коммутацией пакетов неизбежно возникнове-
ние коллизий при передаче, которые приводят к необходимости повторно пере-
дачи и тем самым увеличивают фактическую величину поступившей нагрузки.
10
При этом соотношение между интенсивностью поступившей и обслуженной
’ нагрузок описывается следующим выражением: e (3)
где – время прослушивания эфира, необходимое для обнаружения
коллизии.
Учитывая, что наиболее популярным протоколом управления доступом
является CSMA, для него были проанализированы параметры качества обслу-
живания при передаче данных через разделяемый канал. Так для 1-
настойчивого протокола CSMA формула зависимости использования пропуск-
ной способности канала от суммарной обслуженной нагрузки имеет вид:
)1(
)21(
)1()1()21(
)2/1(1)(
aa
a
eaea
aaeS
(4)
где а – задержка распространения волны в пределах кластера сети, ' -
интенсивность обслуженной нагрузки с учетом повторных передач.
Для локальных сетей этой задержкой распространения обычно пренеб-
регают и выражение принимает вид:
e
eS
1)( (5)
Проиллюстрируем полученное выражение с помощью графика:
Рис. 3. Зависимость использования пропускной способности канала связи от
интенсивности суммарной нагрузки в кластере сети
Однако такое соотношение не позволяет оценить, какой объем посту-
пившей нагрузки является для такой сети эффективно обслуживаемым (то есть
суммарная скорость поступившей нагрузки не превышает доли реально исполь-
зуемой скорости передачи данных в канале связи). Для того, чтобы получить
зависимость использования пропускной способности канала связи от интенсив-
ности поступившей нагрузки в кластере сети построим график, в котором по
оси X отложим значения (’), а по оси Y – значения S(’). Полученный график
будет иметь вид:
11
Рис. 4. Зависимость использования пропускной способности канала связи от
нормированной интенсивности поступившей нагрузки в кластере сети
Полученная зависимость позволяет получить одну из наиболее важных
характеристик сети – диапазон поступившей нагрузки, при котором использо-
вание пропускной способности канала связи является эффективным. Эта вели-
чина может быть получена, как зависимость отношения коэффициента исполь-
зования пропускной способности канала связи к приведенной интенсивности
поступившей нагрузки от интенсивности поступившей нагрузки:
Рис. 5. Зависимость отношения приведенного коэффициента использования
пропускной способности канала от нормированной интенсивности поступив-
шей нагрузки
Можно ввести понятие оптимальной нагрузки на кластер, как максималь-
ную величину потупившей нагрузки, при которой значение полученного соот-
ношения все еще больше, либо равно некой фиксированной величины (будем
называть эту величину опт).
Полученные результаты позволяют ввести другие критерии выборы оп-