На правах рукописи
АНИСИМОВ Алексей Валерьевич
УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ
В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
С ОГРАНИЧЕННЫМ ЭНЕРГОРЕСУРСОМ
Специальность 05.13.01 — Системный анализ, управление и
обработка информации (в технике и технологиях)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2011
Работа выполнена на кафедре безопасности информационных систем в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «СанктПетербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Тюрликов Андрей Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ивановский Ростислав Игоревич кандидат технических наук, доцент Рогачев Виктор Алексеевич
Ведущая организация – ОАО «Мощная аппаратура радиовещания и телевидения»
Защита состоится « » 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
Автореферат разослан « » 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Осипов Л. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
По мере того, как беспроводные сети Актуальность темы.
передачи данных охватывают все большие территории и увеличивается число их пользователей, существенно возрастает сложность их проектирования и реализации. Прежде всего, это обуславливается мобильностью пользовательских устройств, требующей принципиально новых подходов к вопросам разработки и эксплуатации современных систем связи. Лидирующие позиции в области протоколов региональных (городских) сетей передачи данных прочно удерживают LTE и IEEE 802.16.
Так как мобильные пользовательские устройства имеют ограниченный запас энергии, снижение энергопотребления мобильных устройств является одной из основополагающих исследовательских задач при реализации имеющихся и разработке новых версий протоколов.
В диссертационной работе рассматривается наиболее современный протокол функционирования беспроводной системы передачи данных IEEE 802.16m, разработанный для мобильных пользовательских устройств и учитывающий особенности их беспроводного взаимодействия. Решается актуальная задача энергоэффективного управления передачей данных с учетом своевременной доставки данных на пользовательское устройство.
Различные аспекты управления передачей данных представлены в работах известных отечественных и зарубежных авторов (Б. С.
Цыбаков, В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, Л. Клейнрок, Ф. Тобаги, К. Блондиа). В последнее время появилось большое число работ, посвященных алгоритмам энергоэффективного управления передачей данных. Несмотря на это, ряд вопросов остается открытым. К их числу следует отнести учет динамического характера входного потока, требований к качеству обслуживания пользователей, особенностей беспроводного канала связи и других факторов. Также в ряде работ отмечаются недостатки распространенных алгоритмов энергоэффективного управления передачей данных, но не в полной мере исследованы способы улучшения этих алгоритмов.
Целью диссертационного исследования является уменьшение потребляемой энергии мобильными устройствами за счет улучшения существующих и разработки новых алгоритмов управления передачей данных.
Основные положения диссертационной работы сформулированы, в основном, на примере современного протокола региональной (городской) сети IEEE 802.16m. Тем не менее, большинство полученных результатов может быть использовано и в других централизованных сетях связи, таких как Long term evolution (LTE).
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи.
1. Разработать модели системы передачи данных для проведения исследований типовых режимов сбережения энергии, используемых при передаче данных на мобильную станцию, и алгоритмов управления этими режимами.
2. Исследовать наиболее распространенные режимы сбережения энергии мобильной станции при передаче данных от базовой станции и алгоритмы управления этими режимами.
3. Разработать способы выбора оптимальных параметров для типовых вариантов режима сбережения энергии.
4. Предложить новый алгоритм управления режимом сбережения энергии для уменьшения количества потребляемой энергии мобильной станцией и произвести анализ этого алгоритма.
5. Разработать модели системы для исследования средней задержки и механизмов сбережения энергии при передаче данных от мобильной станции.
Методы исследования.
работы использовались общие методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории случайных процессов, в частности регенерирующих и марковских процессов, теории систем массового обслуживания, численные методы линейной алгебры, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна следующем.
1. Построена модель системы передачи данных для анализа режимов сбережения энергии и алгоритмов управления этими режимами, позволяющая достаточно легко производить сравнение различных режимов и алгоритмов управления этими режимами.
2. Разработан метод анализа режима сбережения энергии мобильной станции при передаче данных от базовой станции, учитывающий изменение интенсивности входного потока данных во времени.
3. Сформулирована оптимизационная задача для выбора параметров режима сбережения энергии при передаче данных от базовой станции и предложены способы ее решения для потоков с постоянной интенсивностью. Также сформулирован алгоритм выбора подоптимальных параметров режима сбережения энергии мобильной станции при передаче потока данных с переменной интенсивностью от базовой станции.
4. Предложен алгоритм управления режимом сбережения энергии, который позволяет достичь более высоких показателей энергоэффективности по сравнению с существующими алгоритмами при передаче потока данных с переменной интенсивностью на мобильную станцию.
Практическая ценность диссертационной работы. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют уменьшить количество энергии, потребляемое мобильной станцией во время передачи данных от базовой станции, что, в свою очередь, ведет к продлению времени работы мобильной станции без дополнительной подзарядки аккумуляторных батарей.
Низкая вычислительная сложность предлагаемого алгоритма для поиска подоптимальных параметров режима сбережения энергии позволяет организовать его работу на стороне мобильной станции и, тем самым, избежать увеличения нагрузки на базовую станцию. При этом в данном алгоритме учитывается одно из основных преимуществ современных технологий передачи данных, а именно, соблюдение параметров качества обслуживания. Также использование предлагаемого алгоритма для поиска подоптимальных параметров режима сбережения энергии позволят выбрать значения параметров достаточно близкие к оптимальным, для вычисления которых требуются более сложные алгоритмы. Следует отметить, что реализация предлагаемого алгоритма не требует изменения существующих стандартов, поэтому он может быть использован при разработке программного обеспечения для мобильных станций сети IEEE 802.16. Кроме этого, данный алгоритм может быть применен с незначительными изменениями в технологии LTE.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах в период с 2008 по 2010 гг.: на научных сессиях ГУАП; на семинаре «On Multiple Access Communications»; конференции «On Ultra Modern Telecommunications»; на 7-ом и 9-ом семинарах «Finnish-Russian University Cooperation in Telecommunications»; на 8-ой конференции «Wired/Wireless Internet Communications»; на 10-ой конференции «On Next Generation Wired/Wireless Networking».
Внедрение результатов.
результаты работы применяются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП).Результаты работы используются на практике в СанктПетербургском филиале ФГУП ЦНИИС – ЛО ЦНИИС.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 10 печатных работах. Из них 2 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, утвержденных в перечне ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Метод анализа энергоэффективности работы мобильной абонентской станции при передаче потока данных от базовой станции.
2. Алгоритм выбора подоптимальных параметров режима сбережения энергии мобильной станции при передаче потока данных с переменной интенсивностью от базовой станции.
3. Алгоритм управления режимом сбережения энергии для передачи потока данных с переменной интенсивностью от базовой станции.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 116 страниц основного машинописного текста, 36 рисунков и 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 89 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во обоснована актуальность исследования режимов сбережения энергии и алгоритмов управления этими режимами в современных централизованных сетях передачи данных, представлена научная новизна диссертационной работы и ее практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также приведено краткое содержание диссертационной работы по разделам.
первом разделе используемые в работе. В работе рассматривается процесс передачи данных как от базовой станции (БС) к мобильной станции (МС), так и в обратном направлении, от МС к БС. Далее как и в тексте диссертационной работы, так и в тексте автореферата в целях краткости изложения, где это не будет вызывать неоднозначности, при рассмотрении процесса передачи данных от БС к МС будет использоваться термин прием данных, а для обратного направления – передача данных. Принимая во внимание современные подходы к организации передачи данных по беспроводному каналу связи, следует отметить, что количество энергии, затрачиваемой МС для передачи и приема данных, сопоставимо. Также следует отметить, что количество принимаемых данных МС существенно больше количества передаваемых (соотношение 5 к 1). Исходя из этих фактов, в работе основное внимание уделяется рассмотрению механизмов сбережения энергии при приеме данных мобильной станцией. В качестве такого механизма рассматривается так называемый режим ожидания (sleep mode), который описан в современных стандартах мобильных сетей передачи данных и основан на принципе периодического прослушивания радиоканала. На рисунке 1 представлен пример работы режима ожидания. Как видно из рисунка, все время функционирования разбивается на интервалы, которые называются циклами ожидания.
В начале каждого такого цикла МС прослушивает радиоканал, чтобы узнать есть ли у БС данные для передачи. Если в течении определенного времени передачи данных от БС не было, то МС переключается в состояние ожидания, в котором отключает свое приемное устройство (тем самым снижая затраты энергии).
Рисунок 1. Пример работы режима ожидания Также в разделе описываются основные характеристики систем передачи данных, которые используются в рамках работы. А именно дается определение общепринятого понятия энергоэффективности системы, которая показывает сколько бит данных может быть принято при затратах в 1 Дж и имеет размерность бит/Дж. При этом в первом разделе отмечается, что использовать такую характеристику для сравнения различных вариантов режима ожидания неудобно, поэтому в рассмотрение вводится коэффициент энергоэффективности.
Коэффициент энергоэффективности показывает какую долю времени МС находится в состоянии ожидания, то есть чем больше значение этого коэффициента, тем больше экономится энергии МС.
Далее в разделе описываются общепринятые модели источников данных. В качестве основных моделей источников данных выбраны модели потоков HTTP и VoIP (Voice over IP), рекомендованные различными исследовательскими сообществами. Для удобства использования эти модели представляются в виде дискретного пачечного марковского процесса. В англоязычной литературе и далее по тексту такие процессы называются DBMAP (Discrete-time Batch Markovian Arrival Process). DBMAP модель позволяет достаточно точно описать потоки данных, возникающие в реальных системах передачи.
Предполагается, что источник данных может находиться в одном из двух состояний: активном (ON) или пассивном (OFF). Число пакетов данных, поступающих в состоянии ON, является случайной Рисунок 2. Переходы между моделями источников данных величиной, распределенной по закону Пуассона с интенсивностью. В пассивном состоянии поступлений пакетов нет. В начале каждого кадра определяется состояние источника данных. В случае DBMAP модели состояние источника данных в текущем кадре зависит от состояния в предыдущем кадре. В работе так же используется модель данных, в которой состояние источника данных в текущем кадре не зависит от состояния в предыдущем кадре. В данном случае состояние источника данных определяется вероятностями (источник находится в состоянии ON) и (источник находится в состоянии ). Далее поток данных, получаемый с помощью такой модели, будем называть дважды стохастическим пуассоновским потоком (ДСПП).
На рисунке 2 представлена схема переходов от одной модели источника данных к другой.
управления режимом ожидания наиболее современного протокола IEEE 802.16m. А также описан алгоритм выбора параметров для этого режима при приеме потока данных с переменной интенсивностью.
Для проведения такого исследования в разделе задается модель системы передачи данных. Особенностью этой модели является то, что в ней рассматривается взаимодействие только одной МС с БС. А также то, что учитываются два уровня энергозатрат. Высокий уровень соответствует пребыванию МС в активном состоянии, а низкий уровень – в состоянии ожидания.
Технология IEEE 802.16 обеспечивает качество обслуживания (КО) для различных типов пользовательских потоков данных. В частности, основным параметром КО является задержка передачи данных. В работе задержка передачи пакета данных определяется как интервал времени от момента поступления этого пакета в буфер на БС до момента окончания его передачи по радиоканалу.
Использование режима ожидания в процессе передачи данных от БС к МС с одной стороны снижает энергозатраты МС, а с другой – увеличивает задержку передачи данных. Соответственно выбор параметров режима ожидания необходимо осуществлять так, чтобы обеспечить требуемое значение задержки передачи данных. В работе вводятся функции (0,,,, ) и (0,,,, ), которые описывают зависимости коэффициента энергоэффективности и средней задержки от параметров режима ожидания. Где 0 – длительность начального интервала ожидания; – длительность конечного (максимально возможного) интервала ожидания; – длительность интервала прослушивания; – длительность периода тайм-аута, в течение которого МС продолжает прослушивание радиоканала, если в предыдущем кадре был прием данных; – средняя интенсивность принимаемого потока данных.
В работе формулируется и решается следующая оптимизационная задача.
Максимизировать при ограничении где – максимально допустимая средняя задержка.
Для решения сформулированной оптимизационной задачи указывается способ вычисления функций (0,,,, ) и (0,,,, ) как при приеме потока Пуассона, так и при приеме потока ДСПП. В рамках этого исследования рассматривается случайный процесс (, ), где – количество пакетов данных в очереди на БС в начале кадра с номером ; – состояние МС, в начале кадра с номером, которое может принимать два значения:
– активное состояние и – состояние ожидания. На рисунке изображены возможные переходы для данного процесса во время цикла ожидания.
В работе отмечается, что в точках начала циклов ожидания (см. рисунок 1) рассматриваемая система характеризуется только одним параметром, а именно. Это связано с тем, что в начале цикла ожидания МС всегда переключается в активное состояние.
Поэтому, на первом этапе анализа рассматривается последовательность 1, 1+, 1+2,..., которая образует вложенную цепь Маркова. Где – длительность цикла ожидания в кадрах. Переходные вероятности этой цепи обозначаются через. При этом нижний индекс указывает как изменилось количество пакетов данных в буфере на БС, а верхний – за какое количество кадров произошло данное изменение.
Рисунок 3. Возможные переходы для процесса Ниже приводится рекуррентное выражение для расчета переходных вероятностей где – вероятность того, что за кадров поступит ровно новых сообщений. Выражения для вычисления этой величины для различных потоков данных приводятся ниже.
Начальное условие После нахождения стационарного распределения вложенной цепи Маркова (для первого кадра в цикле ожидания), на втором этапе анализа вычисляется стационарное распределение для каждого кадра в цикле ожидания. В зависимости от того, в каком состоянии находится МС, стационарная вероятность вычисляется по формуле (1) или (2).
где (, ) и (, ) – стационарные вероятности того, что на начало -го кадра в цикле ожидания в буфере на БС находится ровно пакетов данных и МС находится в активном состоянии или состоянии ожидания, соответственно.
При приеме потока Пуассона вероятность того, что за кадров поступит сообщений равна:
В случае приема потока ДСПП Используя выражения (1), (2) и (3), (4), вычисляется среднее количество пакетов данных в буфере на БС в начале каждого кадра в рамках цикла ожидания следующим образом:
где - номер кадра в цикле ожидания.
Далее используется обобщенная формула Литтла для вычисления средней задержки передачи пакета данных где – длительность цикла ожидания; [ ] – среднее количество пакетов данных в буфере на БС в начале -го кадра цикла ожидания;
– средняя интенсивность принимаемого потока; – длительность кадра.
Коэффициент энергоэффективности при использовании алгоритма управления режимом ожидания стандарта IEEE 802.16m вычисляется по следующей формуле оптимизационной задачи, могут быть легко вычислены как для случая приема потока Пуассона, так и для случая приема потока ДСПП (потока с переменной интенсивностью).
Кроме способа анализа режима ожидания стандарта IEEE 802.16m, в работе предлагается способ нахождения подоптимальной длительности цикла ожидания для случая приема потока данных DBMAP. Так как нахождение оптимальной длительности цикла ожидания (при которой соблюдаются требования по КО и наблюдается максимальный коэффициент энергоэффективности) является сложной и ресурсоемкой задачей, в работе описывается альтернативный алгоритм выбора длительности цикла ожидания. Этот алгоритм основан на использовании верхних оценок для функции средней задержки от длительности цикла ожидания () при приеме потока данных с переменной интенсивностью.
В области малых интенсивностей (до 0.2 пакетов/кадр) в качестве верхней оценки используется функция средней задержки, наблюдаемая при приеме потока ДСПП. В области более высоких интенсивностей такая оценка перестает быть верхней, поэтому в качестве верхней оценки используется функция средней задержки, наблюдаемая при приеме потока Пуассона с интенсивностью.
Использование описанных выше оценок позволяет выбрать такое значение длительности цикла ожидания, при котором гарантируется соблюдение требований к задержки передачи данных и проигрыш в коэффициенте энергоэффективности будет составлять менее 2.5% (по сравнению с оптимальной длительностью цикла ожидания).
третьем разделе режимом ожидания, который в большей степени учитывает такое свойство современных потоков данных, как неравномерность поступления пакетов во времени. Далее предлагаемый алгоритм управления режимом ожидания будем называть модифицированным, а алгоритм управления стандарта IEEE 802.16m – стандартным.
Основные отличия модифицированного алгоритма управления от стандартного алгоритма заключаются в том, что в данном случае нет четкого разбиения на циклы ожидания. Пример работы модифицированного алгоритма управления режимом ожидания представлен на рисунке 4.
В работе производится исследование модифицированного Рисунок 4. Пример работы модифицированного алгоритма управления алгоритма управления режимом ожидания с использованием модели системы передачи данных, введенной во втором разделе.
В рамках этого исследования функционирование системы передачи данных рассматривается как регенеративный процесс. Особенностью регенеративных процессов является их свойство постоянно возвращаться в некоторую точку регенерации, начиная с которой дальнейшее развитие процесса не зависит от его поведения в прошлом и определяется одним и тем же вероятностным законом. Точками регенерации для рассматриваемой системы являются моменты времени, когда буфер на БС становится пустым. Интервал времени между двумя соседними точками регенерации называется циклом регенерации. Отметим, что за один цикл регенерации осуществляется прием как минимум одного пакета данных. Для расчета средней задержки передачи данных и коэффициента энергоэффективности достаточно рассмотреть функционирование системы передачи данных во время одного цикла регенерации.
«