На правах рукописи

Ба хт ин Ал екса нд р А л екса н д ро ви ч

Разработка методов управления связностью и обеспечения

качества обслуживания в мобильной эпизодической сети с

ретрансляцией

Специальность 05.12.13 — «Системы, сети и устройства

телекоммуникаций»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена на кафедре «Телекоммуникационные системы»

Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Баринов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шорин Олег Александрович кандидат технических наук, профессор Мазепа Роман Богданович

Ведущая организация: Центр компьютерных технологий «Связь-Телеком-Софт»

Защита состоится «17» декабря 2009г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.134.02 при Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу: 124498, г. Москва, проезд 4806, д.5, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «12» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Гуреев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации разрабатывается и исследуется комплекс методов, повышающих связность мобильных эпизодических сетей, включая создание усовершенствованного алгоритма маршрутизации, с обеспечением ряда характеристик, водящих в понятие качества обслуживания. Самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации (САМ) базируется на переносе функции принятия решения о возможности ретрансляции узлом данных (т.е. участии данного узла в построении маршрута, восстановлении его при необходимости) на сам узел. В основе алгоритма лежит метод построения маршрута по требованию.

Проводится сравнительный анализ существующих алгоритмов маршрутизации с алгоритмом САМ. Исследуются другие методы, повышающие связность и качество обслуживания в мобильных беспроводных эпизодических сетях.

Актуальность исследования Ранее активно развивались статические (компьютерные) сети.

Высокая мобильность современных средств связи, активная переменчивость топологии локальных и иных сетей требуют развития новых подходов к их анализу, созданию новых средств проектирования и новых алгоритмов устойчивой работы. Интеграция свойств абонентских терминалов – приемопередатчик и маршрутизатор в одном узле, – а также ограниченность ресурсов (батарейное питание) привносят дополнительные сложности как с точки зрения проектирования эпизодических сетей, так и с точки зрения гарантированной доставки трафика, обеспечения заданного времени вхождения в связь, т.е. качества обслуживания.

Эпизодическими (ad hoc) сетями называют обычно беспроводные локальные (городские или персональные) сети, в которых узлы (мобильные абоненты) имеют одинаковый статус (одноранговые) и имеют возможность свободно обмениваться сообщениями с другими абонентами сети в пределах зоны досягаемости, радиовидимости.

Поскольку при перемещениях «сообщающиеся» узлы могут выходить за пределы радиовидимости, в сетях используется возможность ретрансляции пакетов к получателю через других абонентов сети (многоскачковая передача). В соответствии с таким подходом каждый мобильный аппарат (МА) эпизодической сети действует как передатчик, приемник и ретранслятор сообщений. Функция ретранслятора подразумевает прием радиосигнал, усиление его и передачу дальше, в эпизодической сети к этим функциям МА добавляется еще и функция маршрутизации. Локальный характер сети обусловлен только ограничениями на распространение сигнала в пределах прямой видимости и энергетическими ограничениями на ретрансляцию.

Основной проблемой сети с подвижными абонентами является поддержание «связности», «соединимости», «доступности» абонентов в едином сетевом пространстве. Из-за подвижности абонентов маршрут передачи информации постоянно изменяется и трудно предсказуем.

Проблема выбора адекватного алгоритма маршрутизации – одна из самых важных для построения эффективных эпизодических сетей.

Основной вопрос при проектировании подобной сети: как организовать работу сети так, чтобы в условиях непредсказуемого перемещения узлов гарантировать доставку сообщения адресату в любом направлении, т.е. обеспечить связность сети с учетом ретрансляции. Эта задача решается в работе путем моделирования и оценок радиовидимости узлов при трансформации сети, разработки более эффективного алгоритма маршрутизации, выработки рекомендаций по управлению сетью для обеспечения качества обслуживания (QoS, Quality of Service).

Объектом исследования являются мобильные беспроводные эпизодические сети передачи данных, голоса, видео.

Предметом исследования являются разнообразные варианты беспроводных мобильных (эпизодических) сетей связи, алгоритмы их маршрутизации, задачи обеспечения связности и качества обслуживания в них.

Цели и задачи диссертационной работы Целью работы является повышение связности и качества обслуживания в мобильной эпизодической сети с батарейным питанием. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

Определить наиболее эффективные пути повышения связности в мобильных эпизодических сетях;

Разработать модели для оценки параметров связности (время связи, число ретрансляций, потребная мощность и т.д.) с учетом ретрансляции в сети;

Разработать эффективный алгоритм маршрутизации в самоконфигурирования в условиях непредсказуемой мобильности узлов;

Доказать путем моделирования и экспериментального исследования реализуемость и высокие характеристики предлагаемых алгоритмических решений.

Методы исследования При выполнении работы использованы методы: теории телетрафика, линейной алгебры и тригонометрии, теории распространения радиоволн и событийного моделирования. При моделировании и разработке программ использовались следующие языки программирования и программные продукты: MATLAB, MATCAD, OPNET Modeler, Visual C++ 2008.

Научная новизна диссертации Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Предложена методика управления связностью в мобильных эпизодических сетях, которая состоит из четырех основных этапов:

моделирование перемещений узлов на основе выбранной модели мобильности, расчет дальности связи с учетом ретрансляции, разработка метода управления мощностью для поддержания связности, адаптация алгоритмов маршрутизации под задачи управления связностью. Показано, что управление связностью является неотъемлемым атрибутом задачи обеспечения качества обслуживания в эпизодических сетях.

2. Предложен усовершенствованный алгоритм маршрутизации в эпизодических сетях (самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации, САМ), отличительными особенностями которого являются: снижение избыточности потока управляющих сигналов в сети за счет передачи функции выбора (продолжения) маршрута всем узлам ретрансляции;

быстрая адаптация и самовосстановление сети по альтернативному маршруту при выходе из строя активных узлов ретрансляции. Путем моделирования по программе OPNET Modeler показано, что предложенный алгоритм по совокупности параметров имеет лучшие характеристики по сравнению с известными алгоритмами.

3. Разработана модель для оценок времени связи в режимах «точка-точка» и с ретрансляцией. Показано, что в некоторых случаях при ретрансляции сигнала по сравнению с прямой передачей между удаленными узлами достигается экономия мощности, пропорциональная числу связей в степени (–1), где – показатель затухания в модели распространения сигнала.

4. Экспериментально для оборудования, поддерживающего технологии Wi-Fi и WiMAX, подтверждены основные положения работы, включая особенности передачи сообщений в сетях с ретрансляцией для речевых и видео потоков.

Практическая значимость работы Разработанные в диссертации методики, модели и технические решения позволяют улучшить характеристики эпизодических сетей в условиях неизвестности расположения участников сетевого взаимодействия. Результаты работы могут использоваться для эпизодических сетей из пешеходных и бортовых мобильных абонентов.

Достоверность результатов Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена использованием апробированного математического аппарата, включая стандартный пакет Matlab, результатами моделирования в среде OPNET Modeler, а также рядом экспериментов (в рамках международных стандартов) для голосового и видео потоков.

Личный вклад автора Все основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены лично автором диссертации.

Внедрение результатов Результаты диссертационной работы внедрены в ряде НИР и ОКР МИЭТ, а также в разработках ГУП НПЦ «СПУРТ». Полученные результаты используются в учебном процессе при чтении курсов лекций и при выполнении курсовых, дипломных и магистерских работ.

Положения, выносимые на защиту Предложен метод управления связностью в мобильных эпизодических сетях, состоящий из нескольких основных этапов:

прогнозирования перемещения узлов, управления мощностью приемопередатчиком для поддержания связности, адаптации алгоритма маршрутизации под условия работы сети и обеспечивающий заданные условия связности и качества обслуживания. Оценки времени связи с учетом ретрансляции, время ожидания пакетов, загруженность узлов и другие параметры рассчитываются по изложенным моделям.

Разработанный модифицированный самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации (САМ), основанный на локальном самоконфигурирования и самовосстановления сети (связности в сети).

По совокупности параметров алгоритм САМ превосходит известные алгоритмы маршрутизации в приложении к эпизодическим сетям.

способствуют значительному повышению связности мобильных сетей, но при этом изменение однорангового статуса узлов решается программным, а не аппаратным путем. К ним относятся: введение прав старшего абонента (Координатора сети); введение управляемых агентов (перемещаемых в заданное место абонентов по заданию Координатора) для обеспечения связи с особо удаленными узлами; использование топопривязки (на основе локальной навигации) с целью более эффективного управления маршрутной информацией.

Апробация работы Основные результаты работы обсуждены на 9 научно-технических конференциях: Международная школа-конференция «Информационнотелекоммуникационные системы» (г. Москва, 2005), 13,15,16-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2006, 2008, 2009» (г. Москва, 2006, 2008, 2009), Международный форум информатизации, конференция «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ (г. Москва, 2005 и 2006 гг.), Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных» (г. Москва, 2006), Всероссийский молодежный научноинновационный конкурс – конференция «Электроника 2006»

(г. Москва, 2006).

Публикации Результаты диссертационной работы опубликованы в 15 работах.

Из них 1 статья в журнале из перечня ВАК: «Естественные и технические науки»; 5 статей в других журналах и трудах, 9 тезисов докладов в трудах перечисленных выше конференций.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и четырех приложений. Она содержит 177 страницы текста, включая рисунков,17 таблиц, 15 страниц списка использованных источников из 140 наименований, 4 приложений, включая 2 акта о внедрении ее результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены данные об актуальности работы.

Рассмотрены особенности функционирования алгоритмов маршрутизации для мобильных беспроводных эпизодических сетей связи. По латыни ad hoc означает «для данного случая, как сложилось».

В технической литературе по сетям наиболее точным переводом, отражающим суть термина, можно считать перевод – «эпизодическая»

сеть.

Основными типами эпизодических сетей являются:

фиксированные, например, беспроводные сенсорные сети (WSN, Wireless Sensor Networks);

мобильные, например, мобильные эпизодические сети (MANET, Mobile Ad hoc Network).

Технология MANET обеспечивает возможность быстрого развертывания сетей в экстремальных условиях даже при выходе из строя телекоммуникационной инфраструктуры. Сети MANET должны автоматически адаптироваться к изменениям окружающей обстановки и обеспечивать надежную связь в пределах выполняемых задач.

Первая глава (Мобильные эпизодические сети и методы маршрутизации в них) посвящена рассмотрению основных сведений о мобильных беспроводных эпизодических сетях с ретрансляцией и методам маршрутизации в них.

Сложность построения оптимальных маршрутов при произвольной мобильности узлов (рис.1) создает трудности обеспечения связности узлов между соседними абонентами. Термин «связность» тесно соотносится с понятием «выживаемость, живучесть» эпизодической сети и определяется как способность системы адаптироваться к новым, изменившимся и, как правило, непредвиденным (аварийным) ситуациям, т.е. ее способность выполнять заданные функции (передача, сбор информации, управление) в течение определенного времени, несмотря на нежелательные обстоятельства: ограниченный ресурс батарей, непредвиденный выход из строя МА, помехи, в т.ч.

намеренные, и т.д.

Рисунок 1. – Обеспечение связности за счет ретрансляции при Связность (рис. 2) изучалась во многих работах применительно к бесконечному числу узлов, тогда как в приложении к сетям с ограниченным числом узлов возникают серьезные проблемы. Проблема связности имеет много общего с теорией «просачивания» (percolation), в которой рассчитывается вероятность того, что узел принадлежит бесконечному кластеру узлов.

Для известной топологии всегда можно определить параметры, гарантирующие приемлемую связность в сети. Большое значение для определения связности в сетях с большим числом узлов играет вид функции затухания мощности. Для поддержания удовлетворительной связности в сети необходимо либо снижать отношение сигнал/помеха (SIR), либо ограничивать число узлов, которые приступают к передаче информации в одно и то же время, в зависимости от полного числа узлов сети. В обоих случаях связность можно поддержать, но за счет потери производительности.

Требования к количественным характеристикам связности в значительной степени зависят от задач, которые выполняет сеть. Так, например, в эпизодических сетях военного назначения (Warfighter Information Network – Tactical) вводятся следующие численные характеристики связности по зоне покрытия области войсковой операции для мобильных абонентов (солдат):

42 % в базовом случае;

66 % для улучшенного варианта;

не хуже 95 % при использовании дополнительных ретрансляторов на борту воздушных средств.

Из-за переменчивости топологии и ограниченности дальности радиовидимости связи между абонентами (в том числе, используемыми в качестве ретрансляторов) могут образовываться и исчезать.

Стабильность связи, длительность ее «времени жизни» играют важную роль в надежности функционирования эпизодической сети, в обеспечении качества обслуживания. Обычно используются следующие метрики для описания QoS в сетях: минимальная необходимая производительность или емкость сети (бит/с) для передачи данных;

максимальная задержка «из конца в конец» при передаче данных;

максимально допустимый разброс задержек (при этом задержку можно интерпретировать и/или определить как отношение размера пакета к емкости сети);максимально допустимый коэффициент потери пакетов (%).

При описании сетей связи широко используется теория графов.

Сеть передачи данных можно представить как граф, где узлы являются вершинами, а связи между узлами (каналы передачи) – ребрами или дугами. Эпизодическая сеть является сильно связной, если любые два ее узла сильно связаны, то есть существуют маршруты передачи информации от узла А до узла Б и от Б к А.

Ввиду особенностей мобильных эпизодических сетей, узлы могут свободно входить в сеть и выходить из нее, связываясь с другими узлами сети. Если в сети достаточно много узлов, добавление нового маршрута через загруженный узел может привести к потере работоспособности узла в результате его перегрузки. Таким образом, это может привести к потере связи между сегментами сети.

Эпизодическая сеть работает в условиях ограниченной полосы пропускания частот с переменной скоростью и топологией. Типичный режим работы такой сети – «точка-точка». Однако допускается использование вещательных режимов «точка-многоточка», в том числе и для осуществления маршрутизации. Одним из компонентов, обеспечивающим связность, является надлежащий алгоритм маршрутизации. Известно несколько алгоритмов маршрутизации, адаптированных или специально разработанных для эпизодических сетей. Большинство алгоритмов производят выбор маршрута на основе минимизации количества ретрансляций, перескоков (hop) в маршруте.

Примерами такого подхода являются широко известные алгоритмы (протоколы) DSR, AODV и DSDV.

Одним из способов построения маршрута является рассылка сообщений определенным узлам сети, в качестве которых могут быть соседи, специализированные узлы хранения маршрутов или главные узлы. Использование в сети широковещательной или групповой рассылки запрос на установление маршрута расходится по сети лавинно и в поиске узла назначения принимают участие либо все узлы, либо узлы, принадлежащие одной группе. Уменьшения количества запросов при построении маршрута можно добиться, если использовать информацию о географическом положении узла, данная информация позволяет определять направления, куда нужно отправить запрос на маршрут.

Во второй главе (Анализ взаимодействия формализованных узлов в сети с точки зрения управления связностью) дается уточнение понятия связности для эпизодических сетей, описываются аналитические модели для оценок времени связи. Эпизодическую сеть тогда только можно именовать цельной сетью, когда все узлы могут связаться друг с другом и обменяться данными. В данной работе предлагается использовать понятие «связности» в узком смысле (граничная связность) – как геометрическую радиодосягаемость (в т.ч. с ретрансляцией) двух узлов, и в широком смысле (информационная связность) – как реализацию условий и протоколов работы сети для (гарантированного) обмена информацией между узлами сети.

Предлагаемая методика управления связностью эпизодической сети включает в себя 4 этапа: моделирование перемещений узлов и оценка границ областей «радиовидимости»; расчет дальности связи с учетом ретрансляции; разработка метода и протокола управления мощностью для поддержания связности, усовершенствование алгоритмов маршрутизации с целью реализации самоадаптирующихся режимов работы сети с минимальным служебным трафиком.

Постоянное движение узлов приводит к трудностям при построении маршрута и передаче данных. Маршрут устанавливается в условиях некоторой неопределенности расположения и движения узлов (рис.3,а). При проектировании алгоритма маршрутизации необходимо учитывать эти особенности для обеспечения связности узлов.

Эпизодические сети, в отличие от проводных и сотовых сетей, не имеют возможности управлять потоками данных через базовые станции (точки доступа) по причине отсутствия таковых. Для минимизации фактора неопределенности при построении маршрута необходимо определить временные рамки (рис.3,б), в которых связь существует. Факторы неопределенности будут влиять на связность и стабильность организованного канала связи между узлами, а также выбор правильного маршрута и поддержания его в рабочем состоянии.

Рисунок 3. – Модель (А) и время связи (Б) для ретрансляции с одним В линейной цепочке N узлов (на расстоянии r) при фиксированной мощности приемника PR мощность передатчика PT «из конца в конец»

пропорциональна N(r)2. В таком случае выигрыш по мощности при ретрансляции может составить N (рис.4,а). Данный метод имеет ограничение и эффективен только при определенных углах нахождения между узлом ретранслятора и прямой трассой распространения без ретрансляции (рис.4, б, в).

Узел Рисунок 4. – Возможность экономии мощности при ретрансляции С учетом размещения узлом под углом для оценки потребной мощности получаем выражение:

где А и Б – соответствующие расстояния, а GT и GR – коэффициенты усиления передатчика и приемника (рис.4, а, б).

Для оценок времени достижения абонентами границ выбранной области в пределах города воспользуемся простой моделью перемещения узлов только по ортогональным улицам. Расчет пошагового перемещения абонентов ведем с помощью генератора случайных чисел с разбиением перемещений на девять групп. Каждый числовой код обозначает движение абонента в определенном направлении. Движение осуществляется с постоянной скоростью.

Проведено моделирование движения 20 абонентов в плане условного города с ортогональным расположением улиц (рис.5) Для городской застройки выбор направления движения будет зависеть от наличия препятствий и неодинаковой длины улиц. Узел может принять решение о движении в любом направлении, либо отказаться от действий и отложить их до момента освобождения маршрута для беспрепятственного движения. Время нахождения узла в зоне радиосвязи зависит от радиуса действия передатчика узла и вектора движения узлов относительно друг друга. Разработаны наглядные модели для расчета времени достижения границ зоны радиовидимости, дальности связи с учетом мобильности и ретрансляции. Выявлено, например, что в условиях случайных перемещений пешеходов (абонентов сети) в городских кварталах время связи может быть не меньше 200-300 с.

Рисунок 5. – Траектория движения узлов (А) и потребное количество шагов (Б) для достижения границ области моделирования Для расчета трафика в эпизодической сети была решена следующая задача. Мобильный узел обрабатывает пакеты, прибывающие случайным образом, и, если они не могут быть сразу обработаны, пакеты помещаются в очередь (в очереди отсутствует приоритет, все пакеты равноправны). На длину очереди ограничений нет. Результаты расчетов сведены в табл.1.

Таблица 1 Результаты расчета нагрузки на узел В третьей главе (Адаптация инструментов моделирования и анализ особенностей доступа к среде) рассмотрены две проблемы:

эффективность использования метода доступа к среде и корректность применения системы моделирования OPNET Modeler.В эпизодических сетях чаще всего используется алгоритм случайного доступа к среде передачи данных CSMA. Узел, намеревающийся передать данные, прослушивает среду передачи данных в течение определенного периода времени. Если среда оценивается как незанятая, узел может передать пакет данных. В противном случае, узел ждет определенное количество времени, прежде чем опять предпринять процедуру отправки пакета.

Для определения эффективности метода случайного доступа к среде используются следующие параметры: проходимость (S) — средняя скорость передачи сообщения по каналу сети, отнесенная к канальной скорости; нормированная производительность — средняя скорость передачи сообщения по каналу сети, отнесенная к канальной скорости.

Проходимость S На рис.6 представлены графики, иллюстрирующие зависимость проходимости сети от расстояния (1 – 5000 м; 2 – 600 м; 3 – 300 м) и длительности пакета (рис.6, а – 10 мкс, б – 10 мс). Из графика видно, что эффективнее использовать пакеты большей длины, соизмеримые по времени с временем распространения радиосигнала на максимальную дальность.

Показано, что одной из самых приемлемых программных сред для моделирования сетей является программа OPNET Modeler. Предложены необходимые настройки, обеспечивающие возможность моделирования в OPNET Modeler эпизодических мобильных сетей. Найдено, что передачи в пешеходных эпизодических сетях могут осуществляться пакетами длительностью до 30 с и общей длительностью сеанса 100 с и перерывами до 3 мин.

На примере сети стандарта IEEE 802.11g продемонстрированы эффективность и точность моделирования алгоритмов маршрутизации (рис.7). Для практической настройки и сравнительного анализа выбраны два фундаментальных алгоритма – со сбором информации о топологии (OLSR – рис.7, кривая 1) и без сбора информации (DSR – рис.7, кривая 2).

Трафик, пакет/с Рисунок 7. – Служебный трафик в различных методах маршрутизации Выявлено, что увеличение служебного трафика в сети, особенно для протокола OLSR, связано с мобильностью абонентов, что негативно сказывается на энергоэффективности алгоритмов и сети в целом.

Отмечено, что в отдельных случаях мобильность узлов приводит к ошибочной информации о топологии сети, хранящейся на узлах.

Следовательно, собирать информацию о соседях нет необходимости, что позволит в модифицированных протоколах маршрутизации сократить объем служебной информации.

В четвертой главе (Разработка усовершенствованного алгоритма маршрутизации) описан эффективный алгоритм маршрутизации, который базируется на методе поиска по запросу (требованию).

Для поиска маршрута с широковещательной рассылкой пакетов необходимо решить ряд сложных задач, связанных с лавинообразным распространением пакетов по сети. Данный вид поиска маршрута наводняет сеть большим количеством пакетов, и, если не применять методы сокращения количества пакетов, сеть быстро достигнет критической «массы» трафика, что приведет к ее неработоспособности.

Для уменьшения последствий широковещательной рассылки пакетов используем несколько методов.

В служебную часть пакета добавляется после TTL, которое отвечает за удаление пакетов после окончания времени жизни(пакета).

Для избавления от дубликатов применяется проверка каждого пакета на его повторный прием. Для ограничения зоны распространения пакетов по сети применяется метод, позволяющий рассчитать максимальное число узлов на маршруте. Для того, чтобы пакеты не выходили за предел сформированного маршрута и не распространялись случайным образом по сети, предусмотрен механизм удаления пакета на узле, не участвующем в маршруте. Доставка пакета до следующего узла отслеживается за счет свойств среды передачи данных, узел после получения пакета ретранслирует его дальше. Соответственно, все соседи услышат данный пакет и смогут понять, что пакет был доставлен.

служебного канала Рисунок 8. – Предлагаемая классификация алгоритмов маршрутизации Таблица 2 Отличия предложенного алгоритма от известных В соответствии с предложенной схемой классификации алгоритмов (рис. 8) в таблице 2 показаны основные отличительные особенности алгоритма САМ. Самоадаптирующийся алгоритм маршрутизации отвечает требованиям самоконфигурирования и самовосстановления сети. К положительным особенностям алгоритма следует отнести сниженный объем служебного трафика, что достигается за счет объединения информационного и служебного потоков. С помощью диаграмм переходов показаны основные выигрышные свойства нового алгоритма (рис.9). Предложено несколько вариантов реализации алгоритма для разных моделей мобильности сети (табл. 3).

Рисунок 9. – Диаграмма переходов в алгоритме САМ Таблица 3. Подходы к решению задачи связности с помощью алгоритма САМ направленные на улучшение:

Межсетевого Использование Решены следующие задачи:

взаимоде- гибридных маршрутизации Сбор информации о маршруте Контроля Происходит на На основе метода комбинаторной трафика в основе анализа метрики вычисляется состояние узла.

сети загрузки канала Если состояние не позволяет Связности Постоянные Поиск маршрута по необходимости.

узлов - рассылка Отслеживание маршрута соседями.

Путем моделирования с использованием программы OPNET Modeler показано (рис.10) показано, что алгоритм САМ (1) имеет преимущества перед стандартными протоколами, такими как DSR, OLSR, AODV (2,3,4, соответственно). Выявлено, что по совокупности таких параметров, как «задержка из конца в конец», пропускная способность в сети, задержка доступа к среде предложенный алгоритм эффективнее известных алгоритмов маршрутизации. А по загруженности сети служебным трафиком превосходит многие протоколы и практически не уступает алгоритму DSR.

Предложена интерпретация особенностей алгоритма в рамках семиуровневой модели ВОС. Показана эффективность инкапсуляции данных при использовании дополнительного, 2,5-го, уровня (межуровневое взаимодействие). Такой подход позволяет реализовать разнообразные версии алгоритма применительно к условиям среды передачи и моделям мобильности.

Рисунок 10. – Сравнение алгоритмов по эффективности использования В пятой главе (Экспериментальное исследование предложенных решений) рассмотрены организационно-технические вопросы повышения связности эпизодических сетей, в том числе за счет нарушения принципа «равенства узлов», и приведены результаты исследований 2-х типов сетей (Wi-Fi и WiMAX).

Предложены протокольные мероприятия, которые, с одной стороны, способствуют значительному повышению связности сетей подобного указанному типа, но, с другой стороны, изменение однорангового статуса узлов решается программным, а не аппаратным путем. К ним относятся: дополнение функций абонентов правами старшего абонента (Координатора сети); введение управляемых агентов для обеспечения связи с особо удаленными узлами; использование топопривязки с целью более эффективного управления маршрутной информацией.

В частности, разработан алгоритм определения локальных координат для узлов эпизодической сети. Разработанный алгоритм строится на основе метода триангуляции и простейших геометрических преобразований. Система рассчитана на определение двухмерных координат ближайших устройств сети вокруг одного базового узла и пригодна (без GPS, ГЛОНАСС) для работы с электронными картами местности.

Представлены результаты экспериментальных исследований работы эпизодических сетей с использованием ретрансляции. В качестве примера использована сеть стандарта IEEE 802.11g (типа WiFi). Исследованы также особенности мобильных сетей с передачей высокоскоростного потока данных на примере сети стандарта IEEE 802.16 (WiMAX). В опытах использовалось промышленное оборудование, что немного затрудняло реализацию разработанных протоколов в полном объеме. На практике удалось проверить несколько предположений и решений.

По технологии Wi-Fi, в стандарте которой предусмотрен классический вариант реализации эпизодических сетей, удалось провести исследования по передаче голосового трафика как без, так и при наличии ретрансляции. Показано, что ретрансляция с высокой энергетической эффективностью является одним из основных инструментов управления связностью в сети.

Для кодирования речи применяется MELP вокодер со скоростью 2400 кбит/с. Вокодер работает с речевыми кадрами длительностью 25 мс, состоящими из 200 отсчетов при частоте дискретизации речевого сигнала 8 кГц.

На основе полученных результатов построен график для времени установления маршрута (рис.11). Проведенный эксперимент показал, что при соединении «точка – точка» алгоритм передает голосовые данные в пределах временных рамок, установленных для голосовых сообщений. Время прохождения пакета от узла до узла занимает в среднем 2 мс. Время поиска и установка маршрута с ретрансляцией занимает около 4,5 мс.

Рисунок 11. – Экспериментальное определение времени установления В экспериментах с использованием стандарта IEEE 802.16 на основе типового оборудования Tsunami удалось продемонстрировать увеличение дальности при передаче видео с помощью ретрансляторов в условиях городской застройки для абонентов, перемещавшихся со скоростью автомобиля (до 80 км/ч). Для проведения тестов использовалась IP-камера Axis 212 PTZ. Разрешение изображения (поле Resolution) 640480; уровень сжатия изображения (поле Compression):

30.

При проведении испытаний в условиях непрямой видимости были получены следующие результаты. В отсутствие движения абонентской станции качество передаваемого видео хорошее, количество артефактов небольшое. С увеличением расстояния (более 600 м) растет задержка, количество потерянных пакетов составляет примерно 10%.

При движении абонентской станции (со скоростью 30 км/ч) в условиях непрямой видимости уровень SNR очень мал (примерно 8-10 дБ), количество потерянных пакетов велико (80-90%), пакеты приходят с задержкой порядка 1 секунды. При эстафетной передаче видеопоток прерывается (задерживаеться) на незначительное время (50-100 мс), изображение не требует ручного восстановления, потерь пакетов не происходит.

В условиях прямой видимости при движении абонентской станции (со скоростью 30 км/ч) качество видео ухудшилось незначительно.

Задержка составила 100 мс, количество артефактов незначительное.

Количество потерянных пакетов не превышало 30%. Прерывание видео на короткое время наблюдается только при резком начале движения автомобиля. Опыт, в частности, свидетельствует о необходимости ретрансляции для обеспечения прямой видимости в мобильных эпизодических сетях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен метод описания связности в мобильных эпизодических сетях, который заключается в разбиении задачи на две части: описание понятия «связности» в узком смысле (граничная связность) - как геометрической радио досягаемости (в т.ч. с ретрансляцией) двух узлов, и в широком смысле (информационная связность) – как реализацию условий и протоколов работы сети для (гарантированного) обмена информацией между узлами сети.

Предложена методика управления связностью эпизодической сети.

2. Разработаны эффективные модели для расчета времени достижения границ зоны радиовидимости, дальности связи с учетом мобильности и ретрансляции. Выявлено, например, что в условиях случайных перемещений пешеходов (абонентов сети) в городских кварталах время связи может быть не меньше 200-300 с. Показано, что при ряде предположений (фиксированная мощность приемника) режим ретрансляции позволяет сберечь мощность приемопередатчиков узлов даже при многоскачковой ретрансляции.

3. Предложены необходимые настройки, обеспечивающие возможность моделирования в OPNET эпизодических мобильных сетей.

Найдено, что передачи в пешеходных эпизодических сетях могут осуществляться пакетами длительностью до 30 с и общей длительностью сеанса 100 с и перерывами до 3 мин. На примере сети стандарта IEEE 802.11g продемонстрированы эффективность и точность моделирования алгоритмов маршрутизации. Для практической настройки и сравнительного анализа выбраны два фундаментальных алгоритма - со сбором информации о топологии (OLSR) и без сбора такой информации (DSR). Показано, что энергоэффективность алгоритмов уменьшается с ростом числа пакетов.

4. Разработан модифицированный самоадаптирующийся алгоритм самоконфигурирования и самовосстановления сети. К положительным особенностям алгоритма следует отнести сниженный объем служебного трафика, что достигается за счет объединения информационного и служебного потоков. Предложено несколько вариантов реализации алгоритма для разных моделей мобильности сети. Показана эффективность инкапсуляции данных с использованием дополнительного (2,5) уровня.

5. Путем моделирования с использованием программы OPNET Modeler показано, что алгоритм САМ имеет преимущества перед стандартными протоколами, такими как AODV, DSR, OLSR. Выявлено, что по совокупности таких параметров, как «задержка из конца в конец», пропускная способность в сети, задержка доступа к среде предложенный алгоритм эффективнее известных алгоритмов маршрутизации. А по загруженности сети служебным трафиком превосходит многие протоколы и практически не уступает алгоритму DSR. Показано, что заложенные в алгоритм САМ принципы управления связностью эпизодической мобильной сетью дают положительный эффект с точки зрения энергоэффективности и качества обслуживания.

6. Даны рекомендации по дальнейшему развитию управления связностью эпизодической сетью. К ним относятся: дополнение функций абонентов правами старшего абонента (Координатора сети);

введение управляемых агентов для обеспечения связи с особо удаленными узлами; использование топопривязки с целью более эффективного управления маршрутной информацией. Предложен метод определения локальных координат без использования систем космической навигации.

7. Проведено экспериментальное исследование особенностей работы эпизодических сетей с использованием ретрансляции. В качестве примера использована сеть стандарта IEEE 802.11g.

Исследованы особенности мобильных сетей с передачей высокоскоростного потока данных на примере сети стандарта IEEE 802.16. На практике удалось проверить несколько предложенных решений. По технологии IEEE 802.11g, в стандарте которой предусмотрен классический вариант эпизодических сетей, удалось провести исследования по передаче голосового трафика как без, так и при наличии ретрансляции. Показано, что ретрансляция с высокой энергетической эффективностью является одним из основных инструментов управления связностью в сети. В экспериментах с использованием стандарта IEEE 802.16 удалось продемонстрировать увеличение дальности с помощью ретрансляторов в условиях городской застройки для абонентов, перемещавшихся со скоростью автомобиля.

Качество видео изображения при ретрансляции практически не нарушалось.

В Приложении приведены списки обозначений и сокращений, а также полное описание алгоритма (САМ), акты внедрения результатов диссертационной работы.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Бахтин А.А., Баринов В.В., Прокофьев А.А., Меркушев В.А. К расчету времени связи мобильных абонентов в сети ad hoc // Естественные и технические науки, ISSN 1684-2626.- 2009.-№ 2.- С.

316-319.

2. Бахтин А.А., Абабков М.Б., Смирнов А.В. Моделирование трафика и планирование беспроводной сети с помощью пакета OPNET // Методы проектирования и защиты мобильных систем связи «Сборник трудов МИЭТ под редакцией Баринова В.В.» - 2006 г. С. 12-26.

3. Бахтин А.А., Абабков М.Б., Смирнов А.В. К построению сети профессиональной мобильной радиосвязи на базе стандарта 802.16е // Методы проектирования и защиты мобильных систем связи «Сборник трудов МИЭТ под редакцией Баринова В.В.» - 2006 г.- С. 3Бахтин А.А., Самсонов Н. Е. Разработка протокола канального уровня для распределенной системы радиосвязи // Исследования в области проектирования цифровых систем связи « Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией Баринова В.В.». - 2007.- С. 16-20.

5. Бахтин А.А., Баринов В.В., Тафинцев К.С., Литвинов В.В.

Optimization of Digital Wireless Transceiver Embedded System Built on Xilinx FPGA // International Workshop «Networked Embedded and Control Systems Technologies: «Opportunities for EC-Russia Cooperation».- Milan, 2009.- p. 90-93.

6. Бахтин А.А., Смирнов А.В., Ломовская К.М. Оценка производительности коммуникационного оборудования // Исследования в области проектирования цифровых систем связи «Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией Баринова В.В.» -2007.- С. 64-72.

7. Бахтин А.А. Моделирование протокола маршрутизации для построения иерархической сети передачи данных // Международная школа-конференция «Информационно-телекоммуникационные системы»: Тезисы докладов.- М: МИЭТ, 2005.- С. 44.

8. Бахтин А.А., Меркушев В.А., Соколовский Д.С. Методы маршрутизации в беспроводных сетях передачи данных // 15-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2008»:

Тезисы докладов.- М.: МИЭТ, 2008. - С. 226.

9. Бахтин А.А., Повышение эффективности проведения учебных занятий по моделированию сетей передачи данных // 13-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2006»:

Тезисы докладов.- М.: МИЭТ, 2006. - С. 274.

10. Бахтин А.А., Пронин А.А. Экспериментальное исследование дальности связи в широкополосных беспроводных сетях в зависимости от высот расположения антенн // Международный форум информатизации: Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ. – Москва. 2005. – С. 238-239.

11. Бахтин А.А., Смирнов А.В. Построение сетей ПМР на базе мобильного WiMAX // Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы», МТУСИ. – Москва.- 2006.- С. 175.

12. Бахтин А.А., Смирнов А.В. Проблемы построения мобильного WiMAX // Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных»: Тезисы докладов.- М.: МИЭТ, 2006.- С. 50.

13. Бахтин А.А., Абабков М.Б. Построение сети профессиональной мобильной радиосвязи на базе стандарта IEEE 802.16e // Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурс – конференция «Электроника 2006»: Тезисы докладов.- М: МИЭТ, 2006.- С. 106.

14. Бахтин А.А., Муравьев И.В., Осипенко Д.А. Определение координат в беспроводных сетях с большим количеством устройств // 15-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2008»:

Тезисы докладов.- М.: МИЭТ, 2008.- С. 225.

15. Бахтин А.А., Меркушев В.А. Методы маршрутизации в беспроводных сетях передачи данных // 16-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2009»: Тезисы докладов.- М.:

МИЭТ, 2009. - С. 234.

Подписано в печать Заказ №. Уч.-изд. л. 1.4. Тираж 100 экз. Формат 6084 1/16.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.