Автореферат кандидатской диссертации

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)


мы и технологии ИСТ-2006» (г. Нижний Новгород, 2006 г.)

IV молодежной международной научно технической конференции «Будущее

технической науки» (г. Нижний Новгород, 2005 г.);


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-

тимального маршрута: минимаксный, кратчайшего пути, минимальной внесен-

ной задержки.

В третьей главе диссертационной работы на основании полученных во

второй главе соотношений предложена модель виртуального канала передачи

12

данных, разработаны алгоритмы сбора информации о нагрузки в сети и мар-

шрутизации передаваемых данных.

В общем случае объем обслуживаемой нагрузки в пакетных сетях являет-

ся случайно величиной. Мгновенные значения случайной величины формируют

некоторую случайную выборку, поэтому для оценки обслуживаемой нагрузки

используют не мгновенные, а некоторые средние значения наблюдаемой вели-

чины.

С позиций теории систем массового обслуживания (СМО) наиболее важ-

ными являются 3 следующих параметра наблюдаемого случайного процесса:

первый и второй моменты распределения длин пакетов и среднее количество

передаваемых и принимаемых пакетов в пределах кластера за единицу времени.

Получение оценок этих параметров позволяет аналитически предсказать пара-

метры качества обслуживания при передаче данных на одном пролете сети. Для

анализа показателей качества обслуживания для всей беспроводной сети требу-

ется осуществить переход к представлению маршрута передачи данных, как не-

которого виртуального канала связи, соединяющего узлы источника. Виртуаль-

ный канал в данном случае удобно представить в виде последовательно соеди-

ненных СМО по числу узлов, передающих пакеты с данными на маршруте.

Очередь данной СМО будет соответствовать буферу временного хранения се-

тевого адаптера устройства – узла беспроводной сети, обработка заявки в сер-

вере СМО – передаче данных через разделяемый канал беспроводной сети.

На вход каждой СМО поступает 2 независимых потока заявок. Один по-

ток заявок соответствует пакетам данных, которые уже передаются в пределах

данного кластера («белые» заявки), второй поток заявок – это трафик, который

необходимо передать через беспроводную сеть («черные» заявки). Заявки из

обоих потоков ставятся в общую очередь и обслуживаются в порядке поступ-

ления в соответствии с их приоритетом (если он определен). На выходе СМО

устанавливается диспетчер, который разделяет поступающие заявки по цвету и

передает на вход следующей СМО только «черные» заявки (диспетчер в данной

модели полагается идеальным, то есть с нулевой задержкой обработки заявки).

Использование такого диспетчера позволяет рассматривать виртуальный канал

как набор независимых СМО со своими входными параметрами.

Рис. 6. Модель узла передачи данных беспроводной сети в виртуальном канале.

13

Суммарная задержка для виртуального канала передачи данных описыва-

ется следующим выражением:

L

i P

nk

kiki

P

k

kiki

n

xLiI

xLiI

W1

22

,,

1

2

,,

2

)),((1

2

)),((

(6)

где

)1()(),( iLiLiI

2

20

0

,2

,

,0

)(

x

x

x

xx ,

L – длина маршрута (количество пролетов), i – порядковый номер узла в

пределах маршрута, ]1,0[ Li , – интенсивность потока передаваемых дан-

ных, k – приоритет передаваемого пакета, – интенсивность обслуживаемой

нагрузки, x2 – второй начальный момент распределения длин пакетов.

Повышение эффективности работы сети может быть достигнуто с ис-

пользованием алгоритмов выбора оптимальных маршрутов передачи данных.

Основной задачей алгоритма маршрутизации данных является отыскание путей

передачи данных от источника к получателю и выбор одного, оптимального по

некоторому критерию.

В наиболее общем случае работа алгоритма маршрутизации состоит из

3 этапов:

1) Отыскание доступных маршрутов от узла - источника до узла - полу-

чателя.

2) Проверка отысканных маршрутов на предмет обеспечения заданных

параметров качества обслуживания.

3) Выбор из числа подходящих маршрутов одного, оптимального по

некоторому критерию.

Стоит сразу отметить, что для пакетного и потокового трафика алгорит-

мы реализации каждого из этапов могут отличаться.

Введено понятие маршрута передачи сообщений в рамках предложенной

модели сети. Маршрутом называется множество, состоящее из номеров узлов

Nodes, через которые этот маршрут проходит. Весом маршрута будем называть

14

сумму весов всех входящих в него узлов. Ациклическим будем называть мар-

шрут, множество вершин Nodes которого не содержит повторяющихся элемен-

тов. Независимыми будем называть такие два маршрута М1 и М2, что истинно

следующее условие: )()( 221121 NodesNodesNodesиNodesNodesNodes . С

учетом определений, введенных выше, сформулирована задача первого этап

работы алгоритма маршрутизации: отыскание всех ациклических независимых

маршрутов от узла – источника данных до узла – потребителя информации.

Второй этап работы алгоритма осуществляет анализ найденных маршру-

тов и отсеивает те из них, которые не обеспечивают требований, предъявлен-

ных в запросе не передачу данных. Для случая потокового трафика этот этап

состоит в проверке найденных маршрутов на соответствие условию спектраль-

ного согласования. Для пакетного трафика не всегда определены параметры,

использующиеся для отбора маршрутов на 2 этапе (интенсивность входящей

нагрузки и требования к средней задержке при передаче). Поэтому для пакет-

ного трафика иногда переход от 1-го этапа к 3-му осуществляется напрямую,

минуя стадию проверки.

На третьем этапе производится выбор маршрута, оптимального по задан-

ному критерию. Показано, что для передачи потокового трафика оптимальным

является маршрут с минимальным весом. Предложен алгоритм распределения

выделенных каналов, повышающий суммарную пропускную способность сети.

Для пакетного трафика показано, что максимальной пропускной способности

сети удается добиться при использовании критерия минимальной внесенной

задержки.

Используя полученные во второй и третьей главах соотношения и алго-

ритмы разработан протокол управления ресурсами беспроводной сети Network

Resource Management Protocol (NRMP). Разработана система команд протокола

и полей данных, дано их подробное описание. Разработаны и формализованы

процедуры поиска, занятия и освобождения маршрутов передачи данных и ре-

сурсов сети.

В четвертой главе осуществлена проверка достоверности полученных

результатов путем их сравнения с результатами компьютерного имитационного

моделирования.

Проанализированы существующие среды моделирования беспроводных

сетей. Показано, что ни одна из существующих систем моделирования не удов-

летворяет всем предъявляемым требованиям, особенно возможности моделиро-

вания передачи потокового трафика с коммутацией каналов совместно с пакет-

ным трафиком в рамках одной сети. Принято решение о разработке собствен-

ной среды моделирования Wireless Network Simulator (WNS).

15

Разработана архитектура приложения WNS в виде псевдопараллельного

планировщика и обработчика событий сценария передачи данных в беспровод-

ной сети. Предложена концепция сценария, описывающая передачу данных в

беспроводной сети. Предложены алгоритмы формирования потока входных

заявок в модели источника, разработаны подходы к измерению параметров об-

служиваемой нагрузки.

В рамках системы WNS были сформулированы критерии оценки эффек-

тивности работы протоколов и алгоритмов. В качестве основной характеристи-

ки качества работы протоколов была выбрана максимально достижимая пропу-

скная способность сети, при которой среднее количество отказов в передаче

данных не превышает некоторого фиксированного значения. Понятие отказа в

передаче тесно связано с параметрами модели, положенной в основу симулято-

ра, и предполагает такую интенсивность нагрузки в сети, при которой передача

пакетного трафика приводит к значительному возрастанию числа коллизий, а

передача потокового трафика невозможна из-за отсутствия необходимого ре-

сурса пропускной способности выделенных каналов связи.

Для экспериментальной оценки параметров качества работы алгоритма

управления была предложена следующая схема эксперимента. Эксперимент

проводился на сетях 3 размеров – малая сеть (20 узлов), средняя сеть (60 узлов),

большая сеть (100 узлов). Узлы сети случайным образом размещаются на квад-

ратной поверхности со стороной Х. Для каждого из размеров сетей создано по

100 вариантов уникальных размещений. Для моделирования передачи данных

создаются сценарии передачи данных с использованием генератора пакетного

самоподобного трафика. Для каждого варианта размещения создано по 100

сценариев, по 50000 реализаций самоподобных выборок потока. Таким обра-

зом, общее число экспериментов, проведенное для сети определенного размера,

составляет 10 000 штук.

При проведении моделирования осуществлялась оценка средней интен-

сивности передачи данных через указанную сеть. Полученные результаты для

каждого сценария сохранялись в соответствующий для данного варианта рас-

положения сети файл. Эти значения подвергались усреднению после окончания

моделирования и использовались для сравнения эффективности различных ал-

горитмов и протоколов управления ресурсами.

Для того чтобы оценить, насколько данный протокол является эффек-

тивным в целом, и какой выигрыш обеспечивается от его использования, срав-

нительное моделирование проводилось для следующих алгоритмов поиска

маршрутов передачи данных:

AODV (как наиболее распространенный)

16

NMRP с критерием минимизации внесенной задержки

NMRP с критерием минимизации внесенной нагрузки

NMRP с минимаксным критерием

Результаты моделирования для сетей, состоящих из 20, 60 и 100 узлов

приведены на рисунках ниже. Все результаты представлены в нормированном

виде. По оси абсцисс на сводном графике отложен порядковый номер экспери-

мента (от 1 до 100 по количеству вариантов размещения сетей), по оси ординат

- выигрыш в процентах по сравнению с пропускной способностью, достигнутой

с использованием протокола AODV.

Рис. 7. Выигрыш от использования протокола NMRP (20 узлов)


17


Сводный анализ результатов для 3 типов сетей приведен ниже (пропуск-

ная способность приведена в нормированных величинах, нормировка по пропу-

скной способности разделяемого канала связи):

Таблица 1. Результаты моделирования работы протокола NMRP.

Протокол AODV NMRP

(мин. вн. задержки)

NMRP (мин. вн. нагрузки)

NMRP (минимаксный)

Измерения

20 узлов

ЬСПОСОБНОСТПРОПУСКНАЯ 1,6246 1,6361 1,6341 1,6261

20 узлов

Выигрыш (%) --- 0,71% 0,59% 0,09%

60 узлов


60 узлов

Выигрыш (%) --- 4,41% 2,56% 1,6%

100 узлов


100 узлов

Выигрыш (%) --- 15,28% 13,95% 5,10%

Построим зависимости максимально достижимой пропускной способно-

сти и выигрыша от использования протокола NMRP от размера сети.

18

Рис. 10. Зависимость суммарной пропускной способности сети для различных

протоколов маршрутизации от размера сети

Рис. 11. Зависимость выигрыша в пропускной способности сети для различных


Для сетей с коммутацией каналов методика моделирования является

весьма схожей. Пропускная способность оценивалась, как количество потоков

данных, одновременно передаваемых через сеть при заданной вероятности бло-

кировки. Сравнение проводилось для следующих алгоритмов: алгоритм нахож-

дения кратчайшего пути передачи данных, NMRP с критерием минимизации

внесенной нагрузки и оптимизацией занятия каналов. Результаты моделирова-

ния приведены на рисунках ниже.

19

Рис. 12. Выигрыш в пропускной способности сети от использования протокола

NMRP по сравнению с маршрутизацией по кратчайшему пути

Рис. 13. Зависимость выигрыша в пропускной способности сети для различных


Рис. 14. Зависимость суммарной пропускной способности сети для различных


Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими оценками

и позволяют произвести сравнение эффективности работы различных протоко-

20

лов управления выделением ресурсов. Показано, что использование предло-

женных в главе 3 алгоритмов анализа нагрузки и управления выделением ре-

сурсов позволяет значительно повысить достоверность принятых решений и

эффективность использования доступных ресурсов сетей.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты рабо-

ты.

В приложении диссертации приведены копии документов, подтвер-

ждающие практическое использование результатов исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Произведен анализ структуры и характеристик беспроводной сети передачи

данных с переменной топологией и гибридной коммутацией, а также по-

строена ее математическая модель. На основании этой модели определен и

исследован набор характеристик пропускной способности сети и параметров

качества обслуживания, предоставляемых ею.

2. Разработана математическая модель канала передачи данных в беспровод-

ной сети в виде системы СМО, используемая для оценки параметров качест-

ва обслуживания при передаче трафика.

3. Разработан эффективный протокол управления передачей данных на основе

сбора информации о трафике в сети.

4. Разработан 3-х этапный универсальный алгоритм маршрутизации переда-

ваемых данных в беспроводных сетях, применение которого повышает сум-

марную пропускную способность сети.

5. Математическая модель и алгоритм реализованы в виде библиотеки классов

на языке C++.

6. Создана система имитационного моделирования, реализующая разработан-

ную математическую модель и позволяющая проанализировать исчерпы-

вающий набор ее характеристик и исследовать эффекты от применения раз-

личных усовершенствований протоколов и алгоритмов управления переда-

чей данных;

7. Определены границы применимости разработанного протокола и математи-

ческой модели канала передачи данных, лежащей в его основе.

8. Исследован эффект от применения различных усовершенствований прото-

колов и алгоритмов, и даны рекомендации по их использованию.

21

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ,

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня

ВАК министерства образования и науки РФ:

1. Гайнулин, А.Г. Моделирование алгоритма маршрутизации передаваемых

данных в беспроводных сетях со смешанными типами коммутации / А.Г.

Гайнулин // Вестник Нижегородского Университета им. Н.И. Лобачевско-

го. – 2008. – № 1. – С.93-99.

патенты

2. Пат. 2291572 РФ, МКИ H04B 7/24, H04J 4/00. Способ беспроводной ло-

кальной связи.

в прочих научных журналах и изданиях

3. Архитектура самоорганизующихся беспроводных сетей, использующих

сверхширокополосные сигналы / А.Г. Гайнулин, В.Ю. Аристархов, А.В.

Калинин, В.В. Крылов, Р.А. Левченко, А.А. Плужников, В.И. Шкунов //

Сборник трудов НГТУ / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2004 – С. 99-

106.

4. Разработка физического уровня и моделирование персональных беспро-

водных сетей, использующих сверхширокополосные сигналы / А.Г. Гай-

нулин, В.Ю. Аристархов, А.В. Калинин, В.В. Крылов, Р.А. Левченко,

А.А. Плужников, В.И. Шкунов // Сборник трудов НГТУ / НГТУ – Н. Нов-

город: Изд. НГТУ, 2004 – С. 107-113.

5. Gaynulin A. Ad hoc Circuit Switching Wireless Network Based on the UWB

Technology / A. Gaynulin, V. Krylov, V. Aristarkhov // 2nd

IEEE International

Conference on Circuits and Systems for Communications (ICCSC’04). – 2004.

- Vol. 2.- P. 182-186.

6. Gaynulin A. Ad hoc wireless network based on the UWB technology / A. Gay-

nulin, V. Krylov, V. Aristarkhov //Personal, Indoor and Mobile Radio Com-

munications, 2004. PIMRC 2004. 15th IEEE International Symposium. – 2004.

- Vol. 2.- P. 969-973.

7. Gaynulin A. Dynamic resource allocation in ad hoc hybrid high speed wireless

network / A. Gaynulin, V. Krylov // 2nd IEEE international conference on in-

formation & communication technologies: from theory to applications

(ICCTA’06). – 2006. - Vol. 2.- P. 2461- 2466.

8. Gaynulin A. Routing Algorithms for ad hoc High Speed Hybrid Wireless Net-

works / A. Gaynulin, V. Krylov // 4rth International Conference: Sciences of

22

Electronic, Technologies of Information and Telecommunications (SETIT

2007). – 2007. - Vol. 1.- P. 162-169.

9. Гайнулин, А.Г. Адаптивный алгоритм маршрутизации пакетного трафика

в беспроводных сетях / А.Г. Гайнулин // Информационные системы и

технологии. ИСТ - 2007: тезисы докладов Всероссийской научно-

технической конференции / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2007 – С.

133.

10. Гайнулин, А.Г. Алгоритмы маршрутизации и динамическое управление

ресурсами беспроводной сети с гибридной коммутацией / А.Г. Гайнулин,

В.В. Крылов // Сборник трудов Второй Международной научно-

практической конференции "Исследование, разработка и применение вы-

соких технологий в промышленности" / СПб – СПб.: Изд-во Политехн.

ун-та, 2005 – С. 34.

11. Гайнулин, А.Г. Архитектура самоорганизующихся беспроводных сверх-

широкополосных сетей / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов, А.А. Плужников //

Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов

II Всероссийской научно-практической конференции студентов / ТПУ –

Томск: Изд. ТПУ, 2004 – С. 153-154.

12. Гайнулин, А.Г. Архитектура самоорганизующихся беспроводных сетей,

использующих сверхширокополосные сигналы / А.Г. Гайнулин //

ТЕКОМ-2004: Актуальные вопросы построения систем управления слож-

ным распределенным оборудованием и предоставлением услуг / НГТУ –

Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2004 – С. 15-16.

13. Гайнулин, А.Г. Динамическое управление ресурсами беспроводной сети с

гибридной коммутацией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов // Информацион-

ные системы и технологии. ИСТ - 2006: тезисы докладов Всероссийской

научно-технической конференции / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ,

2006 – С. 126.

14. Гайнулин, А.Г. Исследование и анализ алгоритмов маршрутизации и син-

хронизации в ad hoc сетях / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов, К.А. Кручинкин

// Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы докладов

Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию

Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио

А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2005 – С. 53.

15. Гайнулин, А.Г. Маршрутизация в беспроводных сетях с коммутацией ка-

налов / А.Г. Гайнулин // Тезисы докладов VI международной научно-

технической конференции «Будущее технической науки» / НГТУ – Н.

Новгород: Изд. НГТУ, 2007 – С. 91.

23

16. Гайнулин, А.Г. Механизм самоорганизации узлов беспроводной сети, не

имеющей строгой инфраструктуры / А.Г. Гайнулин, А.А. Плужников //

Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы докладов

Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию

Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио

А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2005 – С. 60.

17. Гайнулин, А.Г. Механизм слияния беспроводных самоорганизующихся

сетей с переменной топологией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов, А.Г. Ага-

фонов // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы

докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной

60-летию Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобрете-

ния радио А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2005 – С. 49.

18. Гайнулин, А.Г. Оптимизация использования разделяемых ресурсов в бес-

проводной сети с переменной топологией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов,

А.В. Калачев // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: те-

зисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвя-

щенной 60-летию Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию

изобретения радио А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ,

2005 – С. 57.

19. Гайнулин, А.Г. Управление ресурсами в высокоскоростных беспровод-

ных / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов // Тезисы докладов 11-й Нижегород-

ской сессии молодых ученых (технические науки) / НГТУ – Н. Новгород:

Изд. НГТУ, 2005 – С. 41.

Подписано в печать _________. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.