Підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережних протоколів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ ТА ЗВ'ЯЗКУ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО

"УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ'ЯЗКУ"

05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

УДК 621.396.42; 004.051:004.057.4:004.031.43

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережних протоколів

Гура

Володимир Ігорович

Київ

2010

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Державному підприємстві "Український науково-дослідний інститут зв'язку" Міністерства транспорту та зв'язку України

Науковий керівник

кандидат технічних наук, доцент

Скопа Олександр Олександрович

Міжнародний гуманітарний університет

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри Комп'ютерної інженерії

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор

Віноградов Микола Анатолійович

Інститут комп'ютерних технологій

Національного авіаційного університету

Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри комп'ютерних

інформаційних технологій

кандидат технічних наук, доцент

Флейта Юрій Вікторович

Одеська національна академія зв'язку ім.О.С. Попова,

Міністерства транспорту і зв'язку України,

доцент кафедри Основ схемотехніки

Захист відбудеться 26 лютого 2010 року о 13 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К 26.849.01 Державного підприємства "Український науково-дослідний інститут зв'язку" за адресою:

03680, м. Київ-110, вул. Солом'янська, 13.

З дисертаційною роботою можна ознайомитися в бібліотеці Державного підприємства "Український науково-дослідний інститут зв'язку" за адресою: 03680, м. Київ-110, вул. Солом'янська, 13.

Автореферат розісланий 25 січня 2010 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Я.І. Торошанко



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема останньої милі завжди була непростим завданням для зв'язківців і актуальність її не втрачається з часом, а лише набуває нових контурів. На сьогоднішній день технологій останньої милі з'явилася достатня кількість і перед будь-яким оператором зв'язку стоїть завдання вибору технології, оптимальної для поставленого завдання щодо доставки будь-якого виду трафіку своїм абонентам. Природно, універсального рішення цієї задачі не існує: у кожної технології є своя область застосування, свої переваги і недоліки. На вибір того або іншого технологічного рішення впливає безліч чинників, зокрема: стратегія оператора, цільова аудиторія, пропоновані в даний час і заплановані до надання послуги, розмір інвестицій в розвиток мережі та терміни їх окупності, вже наявна мережева інфраструктура, ресурси для її підтримки мережі в працездатному стані, час, необхідний для запуску мережі і початку надання послуг, інш. У кожного з цих чинників є своя вага, і рішення ухвалюється з урахуванням всієї їх сукупності. Саме тому на сьогоднішній день актуальним питанням є створення і використання простих та ефективних способів забезпечення замовників якісними послугами без великих економічних вкладень, а використовуючи, в основному, програмні методи. Досягти цього можна підвищенням якості управління програмно-апаратними засобами в системах телекомунікацій на основі модернізації мережевих протоколів. Отже, тема дисертаційного дослідження, направлена на підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережних протоколів є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розглянуті в дисертаційній роботі питання пов'язані з вирішенням науково-технічних задач, сформульованих у "Концепції розвитку зв'язку та інформатизації України до 2010 року", затвердженої Постановою КМУ № 223/8 від 09.12.99 р., а також цільової державної програми "Телекомунікаційні системи та інвестиційні ресурси". Результати дисертаційних досліджень були використані при виконанні науково-дослідних робіт, що проводилися в Державному підприємстві "Український науково-дослідний інститут зв'язку" (ДП "УНДІЗ"), а саме: "Розроблення ГСТУ "Показники якості обслуговування викликів і якості надання основних телекомунікаційних послуг абонентам телекомунікаційних мереж рухомого зв'язку загального користування України"" (тема № П15/2005-21, держ. реєстр. № 0105U008521) та "Підвищення ефективності технічної експлуатації мережі передавання даних ВАТ "Укртелеком" (тема П579/2008-24, держ. реєстр. №0108U010084).

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методики дослідження можливостей підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережевих протоколів методом оптимізації параметрів їх функціонування. Виходячи з мети роботи, завданням дослідження є розробка нового алгоритму оптимізації параметрів протоколу ІЕЕE 802.11, що дозволить підвищити якість управління системами телекомунікацій.

Об'єктом дослідження є телекомунікаційна мережа, побудована на базі протоколу ІЕЕE 802.11.

Предметом дослідження є принцип управління мережею телекомунікацій, яка побудована на основі технології Wifi.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використані методи теорії мереж зв'язку, теорії графів, теорії ймовірності, обчислювальної математики та імітаційне моделювання.

Наукова новизна роботи визначається постановкою завдання та вирішенням наступних питань:

- вперше розроблений новий алгоритм оптимізації параметрів протоколу ІЕЕE 802.11, який дозволяє підвищити якість управління в системами телекомунікацій;

- вперше розроблений метод аналізу поведінки взаємозалежних станцій безпроводових мереж, які базуються на протоколі ІЕЕE 802.11, що дозволяє виявити і усунути виникаючі колізії при передачі даних;

- отримав розвиток метод побудови аналітичної моделі бездротової мережі, побудованої на базі протоколу ІЕЕE 802.11, який дозволяє враховувати особливості роботи протоколу в конкретній мережі при плануванні та підвищити її продуктивність.

Практична цінність отриманих результатів. Результати, отримані в дисертаційній роботі, можуть бути використані для оцінки основних показників продуктивності безпроводової мережі та для оптимізації механізму передачі пакетів. На основі розробленого методу аналізу поведінки взаємозалежних станцій бездротових мереж, який дозволяє виявити і усунути виникаючі колізії при передачі даних, може бути побудована система автоматичної настройки параметрів протоколу, що дозволить досягати оптимальних показників продуктивності з урахуванням конфігурації мережі, інтенсивності трафіку, розподілу пакетів, інтенсивності завад та інших чинників, які впливають на якість функціонування мережі. Використання результатів дозволить скоротити терміни проектування і реалізації безпроводової мережі передачі даних і може позитивно позначитися на загальній ефективності її функціонування.

Публікації. Основні результати, отримані автором, опубліковані в 19 наукових роботах, серед яких 9 - у фахових наукових журналах, затверджених переліками ВАК України [1…4, 15…19], 2 - у виданнях Міністерства траспорту та зв`язку України [4, 5], 1 - у виданні МОН України [7], інші - у матеріалах конференцій [8…14].

Особистий внесок здобувача. Результати, які складають основний зміст роботи, автором отримані самостійно. У роботах, опублікованих в співавторстві, авторові належать наступні результати: у [4] - дослідження властивостей ортогональності використовуваних сигналів; у [6] - формування етапів технології моделювання високошвидкісної транспортної мережі; у [7] - загальний опис методу підвищення ефективності інформаційної мережі з комутацією пакетів; у [8] - модель функціонування бездротової локальної мережі, висновки; у [10] - дослідження особливостей трафіку локальної мережі; у [11, 13] - аналіз роботи марківської моделі функціонування інформаційної мережі; у [14] - постановка завдання, аналіз функціонування інформаційної мережі, побудованої на основі марківських ланцюгів, висновки; у [15] - опис багатопозиційних систем, висновки; у [16…19] - частково математичні викладки та моделювання на ЕОМ.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати, які отримані в дисертаційній роботі, доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях, з них на 5 науково-практичних [8, 10…12], на 2 науково-технічних [9, 13], а також на 1 науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу [14].

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів з висновками, висновку, списку використаних джерел і 2 актів впровадження. Робота викладена на 139 сторінках і містить 117 сторінок основного тексту з 2 таблицями і 23 рисунками (з них 7 - на окремих сторінках), список використаних джерел зі 155 найменувань на 20 сторінках, акти впровадження на 2 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність вирішуваної в дисертації науково-технічної проблеми, сформульовані мета і завдання досліджень, описується наукова новизна і основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведений огляд і аналіз стандартів безпроводових телекомунікацій, які функціонують за технологіями WiFi. Аналіз проведений на основі дослідження особливостей основних протоколів сімейства ІЕЕE 802.11. Детально розглянуті категорії WLAN та WPAN, проведений аналіз засобів безпеки, які застосовуються в стандарті ІЕЕE 802.11, приведені результати аналізу загальної архітектури стандарту, специфікації MAC- та фізичного рівнів досліджуваного сімейства протоколів, визначені їх специфічні особливості. На основі отриманих результатів, проведене докладне дослідження архітектурної побудови стандарту ІЕЕE 802.11, яке включає дослідження рівня управління доступом до середовища і дослідження та опис фізичного рівня протоколу ІЕЕE 802.11.

На основі проведеного огляду методів аналітичного дослідження безпроводових мереж, які функціонують на базі протоколу ІЕЕE 802.11, а також з використанням результатів вище приведених досліджень, у вигляді п'яти пунктів сформульовані завдання до дисертаційного дослідження. Перше з них полягає в тому, що проведений аналіз протокольного забезпечення безпроводових локальних мереж, які використовують, як свою відмінну особливість, бренд "Wifi", показав, що на сьогоднішній день необхідна розробка моделі для оцінки продуктивності безпроводової локальної мережі в умовах нормального навантаження. При цьому модель може базуватися на марківських моделях поведінки станцій мережі і використовуватися для аналізу часу, необхідного для обслуговування пакету. Крім того, модель повинна мати можливість отримувати другорядні оцінки інших показників продуктивності залежно від вимог замовника. Друге завдання полягає в тому, що з метою підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережних протоколів, необхідно розробити методику моделювання безпроводової локальної мережі, яка повинна враховувати різного роду завади, перешкоди і спотворення пакетів при передачі. Показано, що аналогічно попередньому пункту, в основу методики доцільно покласти марківську модель поведінки станції мережі. До третього завдання віднесена необхідність проведення оцінки взаємозалежності поведінки станцій в локальних безпроводових мережах. В якості четвертого завдання сформульована вимога щодо необхідності підтвердження результатів, отриманих аналітичним шляхом. Згідно до цієї вимоги, необхідно провести порівняльну чисельну оцінку продуктивності мережі за допомогою розроблених аналітичних методів та імітаційного моделювання з метою отримання оцінки точності та ефективності аналітичних моделей. П'ятий пункт: на основі матеріалів, отриманих в результаті виконання вище приведених досліджень, необхідно розробити пропозиції по використанню синтезованих методів аналітичного моделювання для оптимізації параметрів протоколу ІЕЕE 802.11 залежно від параметрів конфігурації, навантаження та радіозавад, які можуть бути передбачені в технічних завданнях на побудову конкретної мережі.

У другому розділі, з метою розробки методики визначення середнього значення часу обслуговування пакету, на підставі марківської моделі поведінки мережі однорідних станцій, досліджена бездротова локальна мережа (БЛМ), що складається з декількох станцій. Основна мета розробки методики моделювання - знаходження середнього значення часу обслуговування пакету T, відлічуваного від моменту або надходження пакету в порожню чергу даної станції, або закінчення обслуговування попереднього пакету з цієї черги, і до моменту або отримання підтвердження про прийом пакету АСК, або закінчення інтервалу очікування EIFS після останньої невдалої спроби передачі, тобто у разі втрати пакету.

Для оцінки часу T використана модель поведінки станції у вигляді ланцюга Маркова з дискретним цілочисельним часом, одиницею якого є віртуальний слот - проміжок часу між послідовною зміною лічильника затримки у кожної станції, що не знаходиться в стані простою.

Виходячи з прийнятої моделі, встановили, що існують 3 види віртуальних слотів: "порожній" слот, під час якого жодна станція не вела передачу; "успішний" слот, коли одна і лише одна станція вела передачу; "колізійний" слот, під час якого відбулася колізія.

Для цих випадків визначили основні розрахункові формули ймовірності: імовірність спустошення черги після завершення синхронного обслуговування -

;

імовірність приходу хоч би одного пакету за час віртуального слота, за умови, що черга даної станції порожня -

,

де

- імовірність порожнього слоту за умови відсутності синхронної передачі даної станції; імовірність приходу хоч би одного пакету за час непорожнього слоту, за умови, що черга даної станції порожня -

(при цьому враховано, що у випадку колізії ймовірність приходу дорівнює , де

- імовірність колізії, в якій не бере участь дана станція; імовірність приходу хоч би одного пакету за час порожнього слоту, за умови, що черга даної станції порожня -

,

Де

- імовірність порожнього слоту за умови відсутності синхронної передачі даної станції;

ймовірність приходу хоч би одного пакету за час успішної передачі іншого пакету -

;

імовірність невдалої спроби передачі даній станції через колізії (імовірність колізії) -

.

При визначенні імовірностей та , були використані дані, отримані іншими авторами, посилання на яких є в дисертаційній роботі. При цьому використані результати знаходження часів "непорожніх" слотів, за які відбулися або успішна передача, або колізія. Встановлено, що час успішної передачі пакету завдовжки дорівнює

при , та

при , де

- канальна швидкість, - тривалість передачі заголовку кадра DATA та кадрів RTS, CTS і АСК.

Крім того, встановили можливі однокрокові переходи між станами і відповідні їм ненульові вірогідності переходів:

,

,

- зменшення лічильника затримки;



,

, - невдала спроба передачі і перехід на наступну стадію затримки;

,

, - вдала передача, в черзі є ще пакет;

,

, - вдала передача, в черзі немає пакетів;

,

, - остання спроба передачі, після якої пакет видаляється з черги, в черзі є ще пакет;

,

, - остання спроба передати пакет, в черзі більше немає пакетів;



,

- зменшення лічильника затримки плюс в порожню черга прийшов пакет;

,

- зменшення лічильника затримки, черга залишилася порожня;

,

- перехід із стану простою в стан затримки. Такий перехід має місце, якщо у момент приходу пакету середовище було зайняте або у момент асинхронної передачі прийшов ще один пакет;

,

- перехід відповідає асинхронній передачі, після якої в черзі немає більше пакетів і лічильник ;

- немає пакетів, що поступили, або мала місце асинхронна передача, за час якої не поступало більше пакетів і лічильник . Очевидно, що

.

При визначенні часу колізії знехтували ймовірністю колізій, в які залучено більше двох кадрів. З врахуванням цього встановили, що час колізії складається з часу передачі фрейма максимальної довжини з числа фреймів, залучених в колізію, плюс EIFS, і її тривалість дорівнює або

для з імовірністю , де

або

при з імовірністю

Таким чином встановили, що імовірність приходу хоч би одного пакету за час колізії дорівнює

Для оцінки показників продуктивності, на підставі розбиття на 4 категорії пакетів, що обслуговуються синхронно і які поступають в перебір всіх можливих віртуальних слотів, і піддавши їх аналізу на основі відомих даних, знайшли середній час синхронного обслуговування, а також імовірність , тобто імовірність надходження пакетів, що приходять на станцію, не зайняту обслуговуванням інших пакетів. При цьому вказані оцінки знайдені для всіх 4 категорій. Враховуючи асинхронну передачу, отримали середній час, що витрачається на обслуговування пакету. Це зробили так: для кожної з категорій підрахували середню кількість обслуговуваних пакетів, які поступають синхронно та (i = 1,...,4), де - їх загальна кількість, а - кількість таких пакетів, що поступають в порожню чергу. Очевидно, що

,

, де

а

- середня тривалість віртуальних слотів в які дана станція відповідно утримується від передачі і передає. Крім того - середні часи обслуговування пакетів, що поступають в порожню чергу, а відображає той факт, що передача пакету, що поступив в непорожню чергу, починається з інтервалу DIFS, наступного за підтвердженням успішної передачі, окрім випадку відмови: тоді обслуговування починається після закінчення інтервалу EIFS.

Знайдені інші показники продуктивності: імовірність відмови в обслуговуванні пакету при повному заповнення черги та імовірність відмови в обслуговуванні пакету при вичерпанні кількості спроб на передачу пакету. На підставі формул Літтла, знайдений середній час затримки пакету на МАС-рівні. Також знайдена пропускна спроможність, визначувана як середнє число біт корисної інформації, переданих за секунду.

Всі вище вказані показники й оцінки, з врахуванням даних, відомих з літературних джерел, знайдені також для випадку неоднорідних станцій. При цьому встановлено, що зміни торкнулися імовірності, яка пов'язана з іншими станціями. Показано, що синхронна передача деякій станції n буде невдалою через колізії. Отриманий шлях визначення імовірності приходу хоч би одного пакету за час порожнього слота, за умови, що черга даної станції порожня.

У третьому розділі досліджена БЛМ, яка складається з обмеженої кількості станцій, в чергу до кожної з яких поступає пуасонівський потік пакетів зі встановленою інтенсивністю та однаковим розподілом довжин пакетів. При цьому передбачалося, що всі пакети передаються механізмом основного доступу. Дослідження проводилися для випадку, коли черга до будь-якої станції містить не більше деякої граничної кількості пакетів. Встановлено, що відповідно до реальної роботи радіомережі, пакети, які передаються, можуть бути спотворені статистично незалежними завадами, які за своїми характеристиками та впливом на сигнал, наближаються до адитивного гаусівського шуму. При дослідженні передбачалося, що інтенсивність завад є постійною величиною, яка не залежить від розташування джерела і отримувача пакетів.

Основна мета моделювання, яке проводилося в третьому розділі, - знаходження середнього значення часу обслуговування пакету для кожної станції в умовах наявності завад. Для оцінки часу модифікована модель мережі локальних станцій і ланцюгом Маркова з дискретним цілочисельним часом описана поведінка кожної з досліджуваних станцій. За одиницю часу вибраний віртуальний слот.

З урахуванням даних, приведених в літературних джерелах, припущено, що можна знайти імовірність приходу хоч би одного пакету за час успішної асинхронної передачі іншого пакету, а також імовірність невдачі спроби передачі даній станції на окремій стадії затримки через спотворення пакетів радіозавадами. В результаті знайшли імовірність невдачі передачі пакету на вказаній стадії -

,

де р - імовірність колізії. При цьому враховано, що імовірність колізії визначається так само, як це зроблено в розділі 2.

З метою створення моделі мережі для досліджень, визначені можливі однокрокові переходи між станами роботи станцій мережі та відповідна їм ненульова імовірність переходів при дії завад в каналі: невдала спроба передачі та перехід на наступну стадію затримки -

,

, ; вдала передача, в черзі є ще пакет -



,

, ;

вдала передача, в черзі немає пакетів -

,

; остання спроба передачі, після якої пакет віддаляється з черги, в черзі є ще пакет -

,

; остання спроба передати пакет, в черзі більше немає пакетів -

,

; перехід із стану простою в стан затримки -

,

; перехід відповідає вдалій асинхронній передачі, після якої в черзі немає більше пакетів і значення лічильника більше нуля -

,

; немає пакетів, що поступили, або мала місце вдала асинхронна передача, за час якої не поступили більше пакетів і значення лічильника більше нуля

;

мала місце асинхронна передача, невдала через завади -

,

. Для стаціонарної вірогідності, відповідної другій спробі передачі, вибрана розрахункова формула:

.

Також вибрана розрахункова формула для станів, відповідних процедурі затримки після вдало переданого пакету або відмови, але за відсутності пакету для передачі:

.

Те ж саме зроблено для стану простою:

.

У приведених формулах:

,

,

,

,

, ,

а також:

.

Визначена імовірість синхронної передачі для деякої конкретної станції

- .

Показано, що імовірність колізії можна визначити так само, як це зроблено в розділі 2.

Використовуючи отримані дані та дані, відомі з наукових публікацій, визначена імовірність невдачі спроби передачі даній станції на деякій виділеній стадії затримки через спотворення пакетів радіозавадами - . При цьому вважали, що короткий службовий кадр АСК, а також PHY-заголовок, які передаються надійно на малій швидкості, не спотворюються завадами. Для цього випадку встановили, що ймовірність спотворення пакету DATA з довжиною з довжиною дорівнює

.

Зрозуміло, що

,

, де

,

a - вірогідність асинхронного обслуговування пакету. Для :

,

де обчислюється рекурентно, тобто

.

В результаті моделювання роботи мережі встановили, що для визначення імовірності приходу хоча б одного пакету за час порожнього слота, за умови, що черга даної станції порожня, справедливі формули, приведені в другому розділі. Далі визначені розрахункові вирази для: імовірності приходу хоча б одного пакету за час "непорожнього" слота -

,

Де

- час вдалої передачі пакету завдовжки , а

- час його невдалої передачі,

- імовірність того, що дана синхронна передача відноситься до пакету завдовжки ; для імовірності приходу хоча б одного пакету за час успішної асинхронної передачі -

,

а за час неуспішної асинхронної передачі -

;

для імовірності приходу хоча б одного пакету за час колізії -

, де .

Встановлено, що синхронна передача іншій станції в "успішному" слоті визначається за формулою де

- умовна імовірність синхронної передачі; асинхронна передача іншій станції -

а імовірність надходження дорівнює

;

для випадку колізії - де

- імовірність невдалої передачі, в якій не бере участь дана станція. Отже,

На завершення визначення моделі знайдена імовірність спустошення черги після завершення обслуговування -

.

Процес зміни черги описаний моделлю, яка приведена в третьому розділі дисертаційної роботи.

З припущення, що час синхронного обслуговування розподілений експоненціально, встановили, що зміна черги синхронного обслуговування пакетів описується процесом народження-загибелі. Для цього випадку визначена стаціонарні імовірності станів -

де , а

.

Обчислена імовірність спустошення черги після завершення синхронного обслуговування. Встановлено, що необхідно провести оцінку імовірності р_а, а також часу синхронного обслуговування і основного показника продуктивності.

Далі отримана методика оцінки продуктивності в умовах завад. Оцінка отримана для двох видів пакетів: для пакетів, що поступають відразу в буфер; для пакетів, що поступають в буфер після невдалої спроби асинхронної передачі. Для цих випадків вибрали вираз для визначення часу синхронного обслуговування -

,

де - середній час обслуговування пакету по синхронному механізму, що поступає відразу в буфер, і

- середній час обслуговування пакету по синхронному механізму, що поступає в буфер після невдалої спроби асинхронної передачі.

Для знаходження чисельних значень вище вказаної ймовірності р_а і середнього часу синхронного обслуговування встановили, що доцільно розбити пакети, які поступають відразу в буфер, минувши невдалу спробу асинхронної передачі, в перебігу всіх можливих віртуальних слотів, на 4 категорії: надходження на протязі слотів ; надходження на протязі слотів ;

надходження на протязі передачі пакетів іншої станції під час слота ;

надходження під час асинхронної передачі даної станції. Для кожної з категорій розрахована середня кількість обслуговуваних пакетів, які поступають синхронно.

Встановлено, що середні часи обслуговування пакетів окремо виділеної категорії, які поступають в порожню черга, відображають той факт, що передача пакету, який поступив в непорожню чергу, починається з інтервалу DIFS, наступного за підтвердженням успішної передачі, окрім випадку відмови: тоді обслуговування починається після закінчення інтервалу EIFS.

Знайдені значення , та для кожної з введених категорій. З використанням отриманих даних, враховуючи асинхронну передачу, отримане значення середнього часу, який витрачається на обслуговування пакету -

.

Знайдені інші показники продуктивності: імовірність відмови в обслуговуванні пакету -

;

середній час затримки пакету на МАС-рівні -

;

пропускну спроможність радіоканалу -

.

Основне завдання, яке вирішувалося в четвертому розділі, - отримання показників продуктивності роботи мережі. Для його вирішення вибрана модель, яка використовувалася для оцінки шуканих показників, тобто знайдення середнього часу затримки

та усередненої імовірності відмови через або переповнювання черги станції, або закінчення числа

повторних передач. По формулі Літтла встановили, що

,

Де

- середнє значення (при цьому - сумарне число пакетів, що знаходяться в чергах станцій мережі, а - середнє число пакетів, прийнятих станціями в їх чергу за секунду). Очевидно, що можна обчислити за формулою:

,(1)

Де

- середня тривалість віртуального слота; а

,

,

Та

- середні значення протягом відповідно порожніх, асинхронних, успішних та колізійних слотів, причому кожне з цих значень помножене на середню тривалість відповідного слота і розраховане при даному .

Інтенсивність надходження пакетів була визначена по формулі, аналогічній (1) з заміною з різними нижніми індексами на:

,

,

та

- середні кількості пакетів, прийнятих в черзі станцій протягом відповідних порожніх, асинхронних, успішних і колізійних слотів. Після цього була знайдена усереднена імовірність відмови - . Оскільки середнє число пакетів, що поступають (але що необов'язково приймаються) в черзі станцій за слот, рівне , то, обчислюючи середнє число пакетів, обслуговування яких завершується протягом даного слота, отримали:

. (2)

В результаті синтезована процедура визначення показників продуктивності, яка приведена на рис. 1.

Рис. 1 - Процедура визначення показників продуктивності

Для опису роботи мережі процес народження-загибелі був замінений ланцюгом Маркова (рис. 2), що враховував можливість невдалої асинхронної передачі. Це дозволило моделювати не тільки переходи, які можливі тільки в сусідні стани (народження/загибель), але й через стани, що відповідають ситуаціям, коли під час невдалої асинхронної передачі приходить ще один пакет.

Рис. 2 - Модифікований ланцюг Маркова

У п'ятому розділі синтезовані аналітичні моделі були застосовані для оцінки впливу параметрів трафіку, конфігурації мережі та інтенсивності завад на показники продуктивності, а також для оптимізації керованих параметрів протоколу. Встановлено, що як при нормальному, так і при високому навантаженні аналітична модель є достатньо точною: погрішності не перевищують 8…10%.

Великі розбіжності значень показників продуктивності, отриманих аналітично і імітаційно, спостерігалися тільки в короткий перехідний період: у аналітичних кривих поріг майже вертикальний. Деякі з отриманих результатів, як ілюстрації до вище викладеного матеріалу, приведені на рис. 3…7.

У висновках до дисертаційної роботи відмічається, що її результатом є розроблені аналітичні методи для дослідження та моделювання локальних безпроводових мереж на базі протоколу ІЕЕE 802.11 при довільному режимі навантаження, оцінки продуктивності зазначених мереж і оптимізації параметрів їх функціонування, що дозволило розробити відповідні заходи щодо підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережних протоколів.



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

У дисертаційній роботі проведені наукові та практичні дослідження, пов'язані з використанням електромагнітних коливань для передачі і прийому інформації на відстань, розвитком теорії зв'язку та методики побудови систем управління мережами телекомунікацій. Основним її змістом є теоретичні та експериментальні дослідження принципів і методів системи управління телекомунікаційною мережею. Об'єктом дослідження є телекомунікаційна мережа, побудована на базі протоколу ІЕЕE 802.11. При виконанні роботи, з метою розроблення методів підвищення пропускної спроможності, завадостійкості, якості передачі та надійності функціонування систем передачі дискретних повідомлень у каналах радіозв'язку з постійними, змінними та випадковими параметрами, отримані наступні результати:

- Визначена аналітична модель локальної безпроводової мережі, яка базується на використанні протоколу ІЕЕE 802.11. Модель дозволяє оцінити продуктивність мережі при довільному режимі навантаження, враховує всі основні особливості зазначеного протоколу при ідеальному каналі;

- Проведена модифікація вище зазначеної аналітичної моделі з метою врахування впливу радіозавад та аналізу безпроводових мереж з неоднорідними станціями. Отримана модель дозволяє оцінити продуктивність мережі при довільному режимі навантаження, враховує всі основні особливості зазначеного протоколу з врахуванням впливу завад в каналі;

- Визначена аналітична модель БЛМ, яка побудована на базі протоколу ІЕЕE 802.11, що враховує взаємний вплив станцій зазначеної мережі. Модель дозволяє оцінити продуктивність мережі при довільному режимі навантаження, враховує всі основні особливості зазначеного протоколу при взаємній залежності станцій мережі;

- На основі вище зазначених аналітичних методів та імітаційного моделювання, проведена порівняльна чисельна оцінка продуктивності локальної мережі з протоколом ІЕЕE 802.11. Оцінка показала достатню точність та ефективність аналітичних моделей;

- На основі вище зазначених аналітичних моделей проведена оцінка основних показників продуктивності безпроводових локальних мереж і проаналізована ефективність роботи різних механізмів протоколу ІЕЕE 802.11;

- Отримані алгоритми оптимізації таких параметрів протоколу, як поріг RТs/cТs, що визначає вид механізму передачі пакетів, та граничну кількість повторних передач пакетів. Ці алгоритми можуть бути основою для створення системи автоматичної або напівавтоматичної настройки параметрів протоколу та його продуктивності, що дозволить досягати оптимальних показників. Показано, що при цьому необхідно враховувати конфігурацію мережі, інтенсивність трафіку, статистику розподілів пакетів, інтенсивність радіозавад та інші чинники, які впливають на функціонування мережі.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гура, В. И. Предложения по модернизации стандарта IEEE 802.11 с целью повышения защищенности информации [Текст] / В. И. Гура, А. А. Скопа, А.А. Сыропятов // Iнформацiйна безпека. - 2009. - Т. 2, № 2. - С. 136-139.

2. Гура, В. І. Методика визначення середнього значення часу обслуговування пакету в черзі [Текст] / В. І. Гура // Наукові записки УНДІЗ. - 2009. - Т. 11, № 3. - С. 41-47.

3. Гура, В. І. Перспективи використання бездротових комунікаційних технологій стандарту IEEE 802.11 в агропромисловому комплексі України [Текст] / В. І. Гура // Вісник Львівського національного аграрного університету: Агроінженерні дослідження. - 2009. - Т. 1, № 13. - С. 212-218.

4. Скопа, О. О. Синтез похідних систем сигналів на основі ПВП GMW, що володіють властивостями ортогональності [Текст] / О. О. Скопа, B. I. Гура // Захист інформації. - 2009. - Т. 42, № 1. - С. 89-92.

5. Гура, B. I. Аналіз функціональної стандартизації інформаційних систем та інфраструктур [Текст] / B. I. Гура // Вісник УНДІЗ. - 2008. - № 1. - С. 40-41.

6. Хорошко, В. А. Формирование этапов технологии моделирования высокоскоростной защищенной транспортной сети [Текст] / В. А. Хорошко, В. И. Гура // Вісник УНДІЗ. - 2009. - № 2. - С. 24-25.

7. Богданова, И. В. Метод повышения эффективности информационной сети с коммутацией пакетов [Текст] / И. В. Богданова, В. И. Гура, В. В. Корчинский // Наук. записки Міжнародного гуманітарного університету. - 2005. - № 3. - С. 111-116.

8. Скопа, О.О. Модель системної поведінки бездротової локальної мережі у вигляді ланцюга Маркова з дискретним цілочисельним часом [Текст] / О. О. Скопа, B. I. Гура, Г. А. Гундерич, B. I. Захаров // Матеріали І Міжнар. наук.-практ. конф. "Проблеми й перспективи розвитку ІТ-індустрії", 18-19 листопада 2009 р., м. Харків. - Х. : Харківський національний економічний університет, 2009. - С. 192-194.

9. Гура, В.И. Моделирование выборочных данных суммой экспоненциальных функций по методу Прони [Текст] / В. И. Гура // Матеріали III Міжнар. наук.-техн. конф. "Проблеми телекомунікацій", 21-24 квітня 2009 р., м. Київ. - К. : НТУУ "КПІ", 2009. - С. 96.

10. Сыропятов, А.А. Анализ отличия трафика локальных и высокоскоростных сетей [Текст] / А. А. Сыропятов, В. И. Гура // Матеріали наук.-практ. конф. "Сучасні проблеми телекомунікацій-2009", 29-31 жовтня 2009 р., м. Львів. - Львів: Національний університет "Львівська політехніка", 2009. - С. 17-20.

11. Скопа, О.О. Марківська модель функціонування інформаційної мережі, яка складається з ідентичних вузлів [Текст] / О. О. Скопа, В. І. Гура // Материалы VI Междунар. научн.-практ. конф. "РМ Kiev '09". "Управление проектами в развитии общества", 19-22 мая 2009 г., г. Киев. - К. : Украинская ассоциация управления проектами "Укрнет", 2009.

12. Гура, В.І. Марківська модель поведінки мережі однорідних станцій [Текст] / B.I. Гура // Матеріали II Міжнар. наук.-практ. конф. "Обробка сигналів і негаусівських процесів", 25-29 травня 2009 г., м. Черкаси. - Черкаси. : ЧДТУ, 2009.

13. Гура, В. І. Модель функціонування безпроводової локальної мережі, яка складається з ідентичних вузлів [Текст] / B. I. Гура, Г. А. Гундерич // Тези V Міжнар. наук.-техн. конф. "Сучасні інформаційно-комунікаційні технології", 5-9 жовтня 2009 р., м. АР Крим, Ялта-Лівадія. - К. : ДУІКТ, 2009, - С. 147-148.

14. Корчинський, В.В. Аналіз функціонування інфомережі, побудованої на основі теорії марківських ланцюгів [Текст] / В.В. Корчинський, В. І. Гура // Матеріали IV наук.-практ. конф. проф.-викл. складу та студентства Міжнародного гуманітарного ун-ту (секції 7...13) "Комп'ютерні технології, інформаційна безпека та дизайн", 22 травня 2009 р. м. Одеса. - Одеса: МГУ, 2009. - С. 39-42.

15. Loboda, A. V. Sensing dinamics of the zone type multi-level system in a laser field [Text] / A. V. Loboda, I. M. Shpinareva, V. N. Polischuk, V. I. Gura. // Sensor Electronics and Microsystem Technologies. Institute of Applied Mathematics. - 2005. - № 2. - P. 13-18.

16. Gura, V. I. Multi-photon processes n multi atomic molecules in an intense laser field: Kinetics of energy transfer [Text] / V. I. Gura // Photo Electronics. - 2007. - № 16. - P. 46-48.

17. Shpinareva, I. M. Stochastic effect mechanism in the multi-photon processes for molecules in an intense laser field [Text] / I. M. Shpinareva, V. I. Gura. N. Yu. Koltzova // Photo Electronics. - 2005. - № 14. - P. 39-41.

18. Glushkov, A. V. Study of atomic systems in strong laser field: spectral hierarchy, dynamical stabilization and generation of ultra-short VUV and X-ray pulses [Text] / A. V. Glushkov, I. M Shpinareva, V. M. Ignatenko, V. I. Gura // Sensor Electronics and Microsystem Technologies. Institute of Applied Mathematics. - 2006. - № 1. - P. 29-35.

19. Glushkov, A. V. Quantum stochastic modeling energy transfer and effect of rotational and V-T relaxation on Multiphoton Excitation and Dissotiation for CF3Br molecules [Text] / A. V. Glushkov, S. V. Malinovskaya, I. M Shpinareva, V. P. Kozlovskaya, V. I. Gura // International Jornal of Quantum Chemistry. - 2005. - Vol. 104. - P. 512-516.



АНОТАЦІЯ

Гура В. І. Підвищення якості управління системами телекомунікацій на основі модернізації мережних протоколів. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі. - Державне підприємство "Український науково-дослідний інститут зв'язку", Київ, 2010.

У роботі проведені наукові та практичні дослідження, пов'язані з використанням електромагнітних коливань для передачі та прийому інформації на відстань, розвитком теорії зв'язку та розвитком методики побудови систем управління мережами телекомунікацій. Основним змістом роботи є теоретичні та експериментальні дослідження принципів і методів системи управління телекомунікаційною мережею. Об'єктом дослідження є телекомунікаційна мережа, побудована на базі протоколу ІЕЕE 802.11. При виконанні роботи, з метою розроблення методів підвищення пропускної спроможності, завадостійкості, якості передачі та надійності функціонування систем передачі дискретних повідомлень у каналах радіозв'язку з постійними, змінними та випадковими параметрами, визначена аналітична модель локальної безпроводової мережі, яка базується на використанні протоколу ІЕЕE 802.11. Показано, що модель дозволяє оцінити продуктивність мережі при довільному режимі навантаження, враховує всі основні особливості зазначеного протоколу при ідеальному каналі. Проведена модифікація моделі дозволила врахування вплив радіозавад та проаналізувати безпроводову мережу з неоднорідними станціями. Визначена аналітична модель БЛМ, що враховує взаємний вплив станцій зазначеної мережі. На основі зазначених аналітичних методів та імітаційного моделювання, проведена порівняльна чисельна оцінка продуктивності локальної мережі з протоколом ІЕЕE 802.11. Крім того, проведена оцінка основних показників продуктивності безпроводових локальних мереж і проаналізована ефективність роботи різних механізмів протоколу ІЕЕE 802.11. Отримані алгоритми оптимізації основних параметрів протоколу. Показано, що отримані алгоритми можуть бути основою для створення системи автоматичної настройки параметрів протоколу, що дозволить досягати оптимальних показників.

Ключові слова: протокол, якість управління, станція, WLAN, WPAN.



АННОТАЦИЯ

Гура В. И. Повышение качества управления системами телекоммуникаций на основе модернизации сетевых протоколов. - Рукопись. безпроводовий мережа завадостійкість радіозв'язок

Диссертационная работа на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Государственное предприятие "Украинский научно-исследовательский институт связи", Киев, 2010.

В диссертационной работе проведены научные и практические исследования, связанные с использованием электромагнитных колебаний для передачи информации на расстояние, а также для ее приема, развитием теории связи и развитием методики построения систем управления сетями телекоммуникаций. Основным содержанием работы являются теоретические и экспериментальные исследования принципов и методов системы управления телекоммуникационной сетью. Объектом исследования является телекоммуникационная сеть, построенная на базе протокола Іееe 802.11. При выполнении работы, с целью разработки методов повышения пропускной способности, помехоустойчивости, качества передачи и надежности функционирования систем передачи дискретных сообщений в каналах радиосвязи с постоянными, переменными и случайными параметрами, получены следующие результаты. Определена аналитическая модель локальной радиосети, которая базируется на использовании протокола ІЕЕE 802.11. Модель позволяет оценить производительность сети при с произвольным режимом нагрузки, учитывает особенности отмеченного протокола при использовании его в идеальном канале. Проведена модификация выше отмеченной аналитической модели с целью учета влияния радиопомех и анализа радиосетей, оснащенных станциями различных производителей. Приведенная модель позволяет оценить производительность сети в режиме произвольной нагрузки, учитывает основные особенности рабочего протокола с учетом влияния помех в канале. Определена аналитическая модель локальной сети, которая построена на базе протокола ІЕЕE 802.11. Показывается, что модель учитывает взаимное влияние станций отмеченной сети. Модель позволяет оценить производительность сети при произвольном режиме нагрузки, учитывает особенности рабочего протокола при взаимной зависимости станций сети. На основе выше отмеченных аналитических методов и имитационного моделирования, проведена сравнительная численная оценка производительности локальной сети с протоколом ІЕЕE 802.11. Оценка показала достаточную точность и эффективность используемых аналитических моделей. На основе аналитических моделей проведена оценка показателей производительности локальных радиосетей и проанализирована эффективность работы разных механизмов протокола ІЕЕE 802.11. Получены алгоритмы оптимизации таких параметров протокола, как порог RТs/СTs, который определяет вид механизма передачи пакетов и предельное количество повторных передач пакетов. Показано, что алгоритмы могут быть основой для создания системы полуавтоматической или автоматической настройки протокола и его производительности, которая позволит достигать оптимальных показателей. Показано, что при этом необходимо учитывать конфигурацию сети, интенсивность траффика, статистику распределений пакетов, интенсивность радиопомех и другие факторы, которые влияют на функционирование сети.

Т.о., результатом диссертационной работы есть выбор аналитических методов для исследования и моделирования локальных радиосетей, функционирующих на базе протокола ІЕЕE 802.11 в режиме произвольной нагрузки, оценка производительности отмеченных сетей и оптимизация параметров их функционирования, что позволило разработать соответствующие мероприятия по повышению качества управления системами телекоммуникаций на основе модернизации сетевых протоколов.

Ключевые слова: протокол, качество управления, станция, WLAN, WPAN.



SUMMARY

Hura V. I. Improving the management quality of telecommunication systems on the basis of updating of network protocols. - Manuscript.

Thesis for obtaining an academic degree of Candidate of Technical Sciences according to 05.12.02 specialty - Telecommunication systems and networks. - State enterprise "Ukrainian research institute of communications". Kyiv, 2010.

Scientific and practical researches related to the use of electromagnetic oscillations for data transmission and receiving, development of telecommunication theory, and the development of the procedures for building the telecommunication management network (TMN) systems are carried out. The main issues of the work are theoretical and practical investigations of principles and methods of the TMN system. Object of study is telecommunication network built on the basis of ІЕЕE 802.11 protocol. In the course of work in order to develop methods for increasing the capacity, noise immunity, quality of transmission and reliability of operation of discrete messages transmission system in radio channels with constant, variable and random parameters the analytical model of local wireless network is determined being based on the use of ІЕЕE 802.11 protocol. It is shown that the model allows to estimate the efficiency during the optional loading mode, takes into account all features of this protocol in an ideal channel. The modification of the model allows to take into account the influence of radio noises and to analyze the wireless network with heterogeneous stations. The analytical WLM that takes into account interference of stations in this network is defined. Based on the mentioned analytical methods and simulation technique the comparative numerical estimation of ІЕЕE 802.11 protocol is made. In addition the estimation of main indices of the efficiency of wireless local networks is carried out; the efficiency of the operation of different mechanisms of the ІЕЕE 802.11 protocol is analyzed. Optimization algorithms of basic parameters of the protocol are obtained. It is shown that obtained algorithms could be the basis for the development of the system for the automatic setup of the protocol parameters that enable to obtain an optimum indices.

Key words: protocol, management quality, station, WLAN, WPAN.

Размещено на Allbest.ru

...