Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.391

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вдосконалення механізмів резервування канальних ресурсів широкосмугових систем безпроводового зв'язку

Спеціальність 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі

Наорс І. Анад

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук Москалець Микола Вадимович, Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри “Телекомунікаційні системи”.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, доцент Приходько Сергій Іванович, Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри “Транспортний зв'язок”

кандидат технічних наук, доцент Астраханцев Андрій Анатолійович Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри “Мережі зв'язку”.

Захист відбудеться “26” жовтня 2011 р. о 15-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.09 при Харківському національному університеті радіо-електроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр.Леніна 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166 м.Харків, пр. Леніна 14.

Автореферат розісланий “24” вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.В. Дуравкін

протокол мережа канал трафік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні роки з'явилися і одержали інтенсивний розвиток безпроводові технології широкосмугового доступу. Для організації єдиної широкосмугової безпроводової мережі (міської безпроводової мережі (WMAN)) було розроблено і запропоновано стандарт IEEE 802.16, названий WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access (міжнародна взаємодія для мікрохвильового доступу). Завдяки своїм перевагам (можливість забезпечення широкосмугового зв'язку, у тому числі і в умовах відсутності прямої видимості, велика зона покриття, висока якість послуг, що надаються, простота побудови мережі, а отже менші витрати) технологія WiMAX вважається найперспективнішою при переході до мереж четвертого покоління (4G). В Україні і ряді країн Європи, країн Близького Сходу, таких як Ірак та інші, даний стандарт прийнятий як основний і набув поширення.

Відмінною здатністю стандарту IEEE 802.16 є висока складність протоколу підрівня управління доступом до середовища (УДС), що відповідає, зокрема, за організацію доступу абонентів до загального каналу зв'язку, а також наявність великої кількості невизначених (vendor-dependent) елементів, в яких стандартизовані лише деякі механізми мережевої взаємодії, ефективне використання яких покладається на виробника обладнання або оператора зв'язку.

Згідно зі стандартом IEEE 802.16 для резервування канального ресурсу абонентськими станціями використовуються або методи випадкового множинного доступу (ВМД), або методи впорядкованого циклічного опитування (поллінгу). Метод ВМД пов'язаний з можливістю виникнення конфліктних ситуацій та з необхідністю повторної передачі, метод поллінгу - безконфліктний, проте вимагає наперед призначеного вікна, більшої затратності ресурсів.

Кожен алгоритм ВМД, як правило, складається з двох інших алгоритмів: АДК - алгоритму доступу до каналу і АРК - алгоритму вирішення конфлікту. АДК - регламентує процедуру доступу абонентів до загального середовища передачі, тоді як АРК - задає правила для розв'язування конфліктів між пакетами за умов одночасної передачі від двох або більше абонентів. Серед великої кількості алгоритмів ВМД найпоширенішими є: АLOHA, ВЕВ - алгоритм подвійного експоненціального відстрочення (відкату), стандартний деревовидний алгоритм (СДА), модифікований деревовидний алгоритм (МДА) та ін. Від вибору того чи іншого алгоритму ВМД багато в чому залежить ефективність систем BWN і зокрема стандарту IEEE 802.16.

Наявність загального каналу зв'язку, що колективно використовується абонентами (часто дуже великою їх кількістю), є загальною рисою сучасних і перспективних широкосмугових безпроводових (BWN - Broadband Wireless Network) мереж. Викликана практикою необхідність забезпечення максимально ефективного використання обмеженого ресурсу безпроводового каналу великою кількістю абонентів визначає величезний інтерес і актуальність досліджень в області аналізу і розробки відповідних протоколів множинного доступу. Зокрема, значний інтерес представляють дослідження доступу у BWN в реальних сигнально-завадових умовах, що викликані специфічними властивостями каналу зв'язку і наявністю шумових завад.

Серед праць з теорії ВМД можна виділити роботи Дж. Мессі, Б.С. Цибакова, Дж. Капетанакіса, І. Рабіна та ін.; з аналізу систем поллінгу - Л. Клейнорка, Х. Такагі, С. Борста та ін. Аналітичні методи аналізу підрівня УДС сучасних безпроводових мереж, зокрема, стосовно мереж IEEE 802.16, знайшли розвиток в роботах Дж. Бьянки, Ф. Калі, В.М. Вишнєвського, А.І. Ляхова, А.В.Вінеля і ін. Проте, в цих роботах практично не розглядаються особливості зіставлення протоколів управління доступом до середовища в централізованих мережах стандарту IEEE 802.16.

Тому тематика даної дисертаційної роботи яка присвячена вирішенню наукової задачі, що полягає у вдосконаленні механізмів резервування канальних ресурсів системи широкосмугового доступу BWN шляхом вибору оптимальних значень параметрів алгоритму множинного доступу з метою підвищення продуктивності роботи безпроводової мережі при передачі потокового трафіку в реальних сигнально-завадових умовах є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дослідження в дисертаційній роботі проводились відповідно до таких нормативних актів: Концепції розвитку зв'язку України до 2010 року, що затверджена постановою Кабінету Міністрів України «Про концепцію розвитку зв'язку України» від 9 грудня 1999 року №2238; Концепції Національної програми інформатизації, схваленої Законом України «Про Концепцію Національної програми інформатизації» від 4 лютого 1998 р. №75/98-ВР; державної науково-технічної програми «Створення перспективних телекомунікаційних систем і технологій».

Отримані результати щодо вдосконалення механізмів резервування канальних ресурсів у безпроводовій мережі IEEE 802.16 використано в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, зокрема, в дисципліні «Системи абонентського радіодоступу». Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.

Мета роботи полягає у підвищенні продуктивності роботи мережі при передачі потокового трафіку в реальних сигнально-завадових умовах шляхом вдосконалення механізмів резервування канальних ресурсів системи широкосмугового доступу WiMAX.

Задачами дослідження є:

– аналіз стану, задач, переваг і недоліків, що мають місце у протоколах взаємодії вузлів мережі WiMAX для управління передачею пакетів у загальному каналі зв'язку;

– аналіз зіставлення протоколів управління доступом до середовища в централізованих мережах стандарту IEEE 802.16;

– аналіз моделі випадкового множинного доступу з резервуванням, що відображає особливості функціонування мережі IEEE 802.16;

– aналіз меж пропускної здатності системи випадкового множинного доступу з резервуванням. Знаходження оптимальних співвідношень тривалості інтервалу передачі запитів і інтервалу передачі пакетів у каналі “вгору ” широкосмугової безпроводової мережі;

– розробка методики розрахунку характеристик показників якості передачі потокового трафіку на основі стеку протоколів і з урахуванням моделі випадкового множинного доступу для мереж IEEE 802.16;

– проведення натурних експериментальних досліджень для отриманню кількісних значень показників якості передачі потокового трафіка за діючих сигнально-завадових умов.

Об'єктом досліджень є процесс управління багатостанційним або-нентським доступом до ресурсів безпроводової мережі IEEE 802.16.

Предметом досліджень є механізми резервування канальних ресурсів широкосмугових систем безпроводового зв'язку і методи багатостанційного доступу абонентів до ресурсів загального каналу зв'язку.

Методи досліджень. При постановці завдання дослідження, створення та аналізу моделей множинного доступу з резервуванням, що відображає особливості функціонування мережі IEEE 802.16, застосовувались: методи теорії систем, теорія зв'язку, методи теорії ймовірностей, теорії ланцюгів Маркова, теорії систем масового обслуговування, комбінаторного аналізу, а також методи імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. Під час розв'язання поставлених задач автором були отримані наступні наукові результати:

1. Удосконалено феноменологічну модель взаємодій елементів системи і управління ресурсами на канальному підрівні множинного доступу в мережі широкосмугової безпроводової системи зв'язку стандарту IEEE 802.16 на основі зіставлення різних моделей резервування ВМД з використанням алгоритмів поллінгу, ВЕВ (binary exponential backoff) і деревовидних алгоритмів МДA і SIC, що дозволило визначити верхню межу пропускної здатності системи випадкового множинного доступу з резервуванням.

2. Набула подальшого розвитку методика дослідження ефективності управління доступом до ресурсів широкосмугової безпроводової мережі з використанням різних моделей резервування канальних ресурсів ВМД в умовах змінного навантаження. Розвиток полягає в одержані співвідношень, що визначають середню затримку передачі пакету, області нестійкості протоколу множинного доступу, що в цілому дозволяє оптимізувати режим функціонування BWN для отримання максимальної продуктивності і мінімізації середньої затримки.

3. Вперше запропоновано аналітичну модель дослідження системних характеристик показників продуктивності безпроводової мережі BWN на основі синтезу моделі управління випадковим множинним доступом з резервуванням і моделі стеку протоколів стандарту IEEE 802.16, яка на підставі припущення пуассонівського вхідного потоку дала можливість одержати умови, за яких за рахунок правильного вибору параметрів випадкового множинного доступу, стадії відстрочки, величини періоду вирішення конфлікту і ін. забезпечується стабільна робота системи як в умовах, що ідеалізуються, так і за наявності шуму в каналі зв'язку.

Практичне значення результатів роботи. Запропоновані в роботі заходи щодо вдосконалення механізмів резервування канальних ресурсів з метою підвищення продуктивності перспективної широкосмугової безпроводової мережі IEEE 802.16 можуть бути використані при її побудові та експлуатації.

Запропонований метод вибору оптимальних значень параметрів конкурованого доступу ВЕВ використано при роботі діючої мережі безпроводового доступу WiMAX 4G стандарту IEEE 802.16е оператора "Intellecom" ВАТ "Інтелектуальні комунікації", що надає послуги доступу до ресурсів інтернет в Україні.

Крім того, результати дисертаційної роботи використано під час виконання науково-дослідної роботи №235-1 “Методи проектування телекомунікаційних мереж NGN та управління їх ресурсами”, в якій автор виступав співвиконавцем. Запропоновані математичні моделі управління мережними ресурсами і метод аналізу їх оптимізації використані у навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, зокрема, в дисципліні “Cистеми абонентського радіодоступу”. Використання результатів дисертаційної роботи підтверджено відповідними актами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автором отримано самостійно і опубліковано в спеціалізованих фахових виданнях. Зокрема, у роботі [1] автору належить аналітична модель по розрахунку підвищення ефективності використання радіочастотного ресурсу при територіальному плануванні базових станцій cистем широкосмугового безпроводового доступу WiMAX. У роботі [2] автору належить аналіз енергетичних параметрів сигналів в радіолініях системи WiMAX, з урахуванням сигнально-завадової обстановки. У роботі [4] автору належить модель аналізу впливу інтерференції на рівень сигналу, що приймається, в системі WiMAX У роботі [7] автору належать результати проведення експериментальних досліджень при організації передачі потокового трафіку реального часу в мережі IEEE 802.16. У роботі [8] автору належить запропонована адаптивна процедура, що містить алгоритм оптимальної стохастичної оцінки і виявник порогу, що сигналізує про необхідність переходу на новий алгоритм.

Апробація результатів дисертації проводилась на трьох наукових конференціях 13-го, 14-го та 15-го Міжнародних молодіжних форумів «Радіоелектроніка і молодь у XXI ст.» (м.Харків, 2009-2011р.р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 5-ти роботах, всі у наукових фахових виданнях, що включені до переліків ВАК України [1,2,4,7,8]. Крім того, матеріали дисертації опубліковано у 3 тезах доповідей [3,5,6].

Структура і обсяг роботи. Робота складається зі вступу, п'ятьох роз-ділів, висновків, списку використаної літератури. Загальний обсяг дисер-таційної роботи складає 153 сторінки: 136 основного тексту, 57 рисунків, 25 таблиць, 97 бібліографічних джерел на 11-ти сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан дослідженої проблеми, обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано наукову задачу та визначено мету досліджень. Зазначено наукову новизну та практичне значення отриманих у роботі результатів. Наведені дані про публікації автора за темою дисертації.

У першому розділі представлені особливості підрівня доступу до середовища в широкосмугових безпроводових мережах BWN на прикладі стандарту IEEE 802.16. Визначені основні характеристики стандарту, коротко описані властивості алгоритму випадкового множинного доступу. Даються характеристики потокового трафіку і параметри якості, які забезпечують безперервність послуг, що надаються. Визначені основні властивості еластичного трафіка і трафіка реального часу, що генерує мультимедійні сервіси, IP-телефонію, відеоконференцію. Розглядаються вимоги, властиві різним класам трафіків, визначених стандартом ETSI TS 123104: діалогового, інтерактивного, потокового, фонового. Даються кількісні показники для послуг з трафіком мовного потокового і інтерактивного класів.

Проаналізовані механізми виділення канальних ресурсів, особливості управління в радіальних мережах і особливості управління в Mesh-мережах.

В результаті розгляду особливостей підрівня доступу до середовища BWN робляться висновки про актуальність задачі дослідження якості наданих послуг з передачі різних видів трафіку при використанні випадкового множинного доступу. Крім того, виявляється, що на сьогоднішній день не існує стандартних підходів до визначення впливу комплексу помилок на якість сервісів, що надаються. Виходячи з цього, важливою є задача дослідження впливу завад на якість передачі, потокового трафіка і розробка рекомендацій з вибору параметрів систем передачі в мережах BWN.

У другому розділі надана розробка феноменологічної моделі канального рівня множинного доступу в мережі широкосмугових безпроводових систем. Дається опис найважливіших особливостей механізму доступу на підрівні MAC IEEE 802.16. Розглядаються як алгоритми випадкового множинного доступу, так і алгоритми поллінгу. Проаналізовані основні режими роботи на всіх трьох підрівнях управління доступом до середовища (УДС): підрівні конвергенції, основному підрівні СPS і підрівні безпеки.

Показано, що серед різних методів доступу, що включають статичні і динамічні, конфліктні і безконфліктні, найперспективнішим в умовах множинного доступу є алгоритм ВЕВ - binary exponential backoff. Велика кон-структивність при порівнянні, наприклад, з алгоритмами Aloha, визначається тим, що число абонентів в мережах IEEE 802.16 може обчислюватися багатьма тисячами, при високій продуктивності мережі і високій якості послуг, що надаються.

Алгоритм множинного доступу для даної моделі визначається у вигляді правила, яке використовується кожним абонентом з готовим для передачі пакетом, для визначення в кожний момент часу , передавати або не передавати цей пакет в наступному вікні. Таким чином, маємо функцію трьох аргументів. Перший аргумент - час виникнення пакету. Другий аргумент - це послідовність подій у каналі, де , якщо порожнє вікно; , якщо тільки один абонент передавав в цьому вікні; , якщо два і більш абонентів передавали в цьому вікні. Третій аргумент - послідовність подій у абонента, чий пакет згенерував в момент . Тут , якщо абонент не передавав пакет у вікні і інакше. Таким чином, формально алгоритм множинного доступу визначається як функція, що приймає значення з інтервалу [0,1]. Значення є ймовірністю того, що пакет, що з'явився у момент часу , буде переданий у вікні .

Дана формалізація феноменологічної моделі дозволила провести системний аналіз ВМД і одержати якісні і кількісні показники цього алгоритму, одержати логічні і функціональні співвідношення між основними показниками якості: часу затримки пакету, пропускною здатністю, що забезпечується алгоритмом ВМД і ін.

У третьому розділі проведен аналіз протоколів управління доступом в мережі BWN. Розгляду підлягають методи поллінгу, подвійної експоненціальної відстрочки (ВЕВ), деревовидні алгоритми MDA, SIC, SICTA. Передбачається, що система BWN синхронна, базова станція і всі абоненти моделі інформовані про моменти початку кадрів, вікон і міні-вікон. У припущенні безшумності каналів “угору” та “униз” одержані показники продуктивності мережі з алгоритмом ВМД. Знайдені верхні і нижні межі для пропускної здатності мережі, що забезпечують можливість вибирати оптимальні співвідношення між числом вікон, що формуються, і міні-вікон.

На основі особливостей протоколу підрівня УДС стандарту IEEE 802.16 вводиться до розгляду модель BWN з резервуванням в припущенні пуассонівського вхідного потоку пакетів (рис.1). Ця модель відображає особливості структури кадру для алгоритму подвійної експоненціальної відстрочки.

Передбачається, що на базовій станції є буфер нескінченного об'єму, що забезпечує зберігання запитів абонентських станцій. Обслуговування проводиться за допомогою передачі до початку кожного кадру у вихідному каналі інформації про те, яким абонентам дозволено передавати пакет в кожному з вікон наступного кадру.

Для вирішення виникаючих конфліктів використовується спеціальний варіант алгоритму ВЕВ. Перед кожною спробою передачі абонент рівномірно вибирає ціле число з інтервалу, де - поточне значення його конкурентного вікна.

Рис.1. Спрощена схема моделі випадкового множинного доступу

Вибране значення (лічильник відкладеної передачі) показує кількість міні-вікон, яку абонент має чекати перед спробою передачі запиту (рис.2). Для першої спроби передачі величина конкурентного вікна встановлюється рівною . У разі винекнення конфлікту абонент подвоює значення конкурентного вікна, так що після конфліктів, дорівнює . Конкурентне вікно не подвоюється у тому випадку, якщо воно досягло максимального значення , де - максимальна стадія відкату.

Одним з основних показників якості алгоритму є коефіцієнт кратності розв'язання конфлікту, що визначається як ліміт.

Рис.2. Приклад функціонування ВЕВ в IEEE 802.16

Нижня межа досягається з урахуванням даного алгоритму, що характеризується швидкістю . Ця межа знаходиться за умов

. (2)

На рис.3. представлені графіки областей стійкості протоколу множинного доступу. Звідси випливає, що основне обмеження вибору параметрів , що забезпечує інтенсивність вхідного потоку, накладає затримка у буфері базової станції. Існує оптимальне значення, що забезпечує максимальну інтенсивність, де ще існують умови стійкості при .

Рис.3. Області нестійкості протоколу множинного доступу

Для ймовірності виникнення конфлікту використана залежність

. (3)

Проведено аналіз алгоритму ВЕВ в припущенні наявності простою, що визначається часом очікування міні-вікон, рівномірно розподілених на інтервалі . Аналіз зводиться до розгляду додаткових станів простою і отримання відповідної ймовірності і величини середньої затримки.

Проаналізовано механізми резервування канальних ресурсів. Показано, що затримка пакетів зростає пропорційно числу абонентів в системі, а із збільшенням числа міні-вікон час затримки скорочується, як результат збільшення ресурсного потенціалу.

Проведено дослідження з вибору конкурентного вікна. Для - числа абонентських станцій і - об'єму ліній вікон можуть бути вибрані значення - стадії відкату і - номеру міні-вікна, що визначає межу конкурентного вікна. На основі аналізу продуктивності системи показано, що існують оптимальні співвідношення між вибраним номером міні-вікна і стадією відстрочки, де мінімізується середнє значення затримки.

Одержано співвідношення, що характеризують ймовірність станів алгоритмів доступу з циклічним опитом, що дозволило одержати порівняльні дані для алгоритму ВЕВ і поллінгу, звідки виходить, що із збільшенням числа абонентських станцій, яке перевищує число міні-вікон алгоритму ВЕВ сильно програє поллінгу. Поллінг програє при менш, ніж 0,4.

Наявність завад в каналі зв'язку змінює результати аналізу, одержані за відсутності шумів. За наявності шумів виникають помилки в правильній оцінці запиту. Очевидно, шум у "порожньому" вікні не впливає, тоді як наявність помилкового конфлікту сприяє зниженню продуктивності системи. Аналіз продуктивності системи з урахуванням шуму показує, що із збільшенням ймовірності спотворення запиту шумом, шкала виграшу поллінгу розширюється, точка зіставності зсовується вліво. Очевидно, в каналах з великим рівнем шуму доцільно з режиму ВЕВ переходити на поллінг.

Проведено аналіз впливу шуму діючого в системі при прийомі заявки від абонентської станції. Для цього була побудована і використана марківська модель циклічного опиту. Модель побудована у відповідності з рівняннями, що визначають перехідну ймовірність станів.

На рис.4 показані порівняльні графіки з урахуванням шуму. З графіків слідує, що середній час затримки при (нижня крива) і (верхня) різко зростає, при цьому системи ВМД програють поллінгу вже не при , а при відповідно і .

Рис.4. Продуктивність випадкового доступу і циклічного поллінга для умов каналу з шумом

Дослідження дозволяють вибрати оптимальні співвідношення в системі і забезпечувати реалізацію найраціональніших режимів.

Другим класом алгоритмів ВМД, які використовуються в стандарті IEEE 802.16e, є деревовидні алгоритми СДА або МДА. Особливістю цих алгоритмів є те, що висока їх продуктивність досягається за рахунок детермінованості механізму розв'язання конфліктів. Ця особливість дає змогу рекомендувати ці алгоритми для забезпечення трафіка реального часу. Для реалізації деревовидних алгоритмів не використовуються запити, характерні для ВЕВ. Тут кожен інформаційний пакет несе інформацію про ідентифікацію АС. Конфлікт в даному разі вирішується після виявлення ідентифікаторів

конфліктуючих АС. Після виявлення ідентифікаторів, учасники, що вступили в конфлікт, розділяються на дві групи. Кожному з учасників конфлікту з ймовірністю надається можливість повторної передачі в наступному слоті . Абоненти першої групи передають свої пакети в цьому слоті, якщо він був пустим. Абоненти другої групи передають в слоті . Якщо і там відбувається конфлікт, то повторюються описані події.

Алгоритм розв'язання конфліктів можна представити у вигляді дерева, в якому коренева вершина відповідає множині конфліктуючих абонентів. Схема розв'язання конфліктів представлена на рис.5.

Рис. 5. Приклади роботи деревовидних алгоритмів: а - СДА, б - МДА.

Подальший розвиток і вдосконалення деревовидних алгоритмів можливе з метою збільшення пропускної здатності. В даний час інтенсивно розвиваються методи SIC - Successive Interference cancellation - послідовної компенсації завад. За допомогою процедури SIC компенсується завада, що діє з боку сигналу на сигнал в першому слоті, тобто . Таким чином, пакет В також відновлюється успішно, і подальше вирішення конфлікту не потрібне. Тривалість ПРК складає на один слот менше, ніж аналогічна тривалість під час роботі будь-якого традиційного деревовидного алгоритму.

Очевидно, алгоритми СДА, MДA і їх розвиток SIC не є достатньо вивченими. Труднощі у рішенні цих задач пов'язані з необхідністю системного розгляду багатьох фізичних механізмів, що відбуваються в каналі розповсюдження радіохвиль, методів оптимальної обробки і кодування інформаційних сигналів, вимог за забезпеченням необхідної якості обслуговування та ін. Дані проблеми і наукові задачі виходять за рамки даної роботи.

У четвертому розділі проводиться аналітичне оцінювання якості передачі потокових сервісів при передачі в безпроводових каналах системи стандарту IEEE 802.16

Можна виділити три рівні якості обслуговування, для опису кожного з яких вводиться свій термін (рис.6):

Рис. 6 - Модель наскрізної оцінки якості

Якість телекомунікаційної послуги QoS виражається через сукупність специфічних (технічних) показників і параметрів послуги, які, з одного боку, визначаються якістю роботи телекомунікаційної мережі, а з іншого - визначають здатність даної послуги задовольняти встановлені або прогнозовані вимоги користувача. QoS відображає якість послуги, що надається, на рівні аплікацій і відповідно до розподілу аплікацій за типом інформації, що передається (мова, відео і дані), у якості ключових параметрів використовує затримку, джіттер і величину втрат для аудіо- і відео аплікацій, затримку і величину втрат для додатків передачі даних.

Рекомендація ITU-T G.1010 містить граничні значення вказаних параметрів, необхідні для прийнятної якості роботи різних аплікацій. Слід зазначити, що для аплікацій передачі даних чинником, що визначає результуючу якість послуги (QoE), є величина втрат, тоді як для передачі мови і відео критичними будуть величини затримки і джіттера.

В рамках Е-моделі для оцінки якості передачі мови, що сприймається користувачем, використовується рейтинг якості Q, який є залежністю

, (5)

де - чинник, пов'язаний із значенням відношення сигнал/шум, що враховує вплив шумів, що виникають при передачі, таких, як шуми обладнання, шуми в приміщенні; при значенні всіх параметрів його складу, рекомендованих за замовчуванням ; - коефіцієнт зниження якості, що викликана всіма одночасними викривленнями, яким піддається мовний сигнал, включаючи процеси перетворення в ЦАП/АЦП, процеси, що відбуваються в механізмі випадкового множинного доступу, а також викликаного неоптимальним місцевим ефектом; - коефіцієнт зниження якості, обумовленої впливом затримок і наявність відлуння сигналу; - коефіцієнт зниження якості, викликаної викривленнями, що вносяться в процесі кодування/декодування, а також втратами мовних пакетів; А - коефіцієнт виграшу.

Вплив втрат пакетів на якість передачі мови формалізований у вигляді коефіцієнта:

, (7)

де - коефіцієнт зниження якості через використання низькошвидкісних кодеків, який залежить тільки від типу; - сумарна ймовірність втрати пакету, що враховує втрати пакетів в мережі і в термінальному обладнанні , припускаючи, що втрати в термінальному обладнанні є незначними, можна вважати ; - чинник, що враховує стійкість кодека до втрат; BurstR - коефіцієнт «сплеску» втрат, який рівний 1 при незалежній втраті пакетів і перевищує 1 за наявності групових втрат.

Вирази (6) і (7) в сукупності є формалізацією залежності QoE (NP) для послуги передачі мови VoIP. Їх вплив на результуючу якість, що сприймається для різних типів кодеків, відображена на рис. 7.

Вираз (5) є обмеженням типу для аплікацій передачі мови, яке надалі підлягає введенню в математичну модель мережі з метою підвищення продуктивності мережі.

Рис.7. Результуюча якість, що сприймається для різних типів кодеків

У п'ятому розділі вирішується задача проведення натурного експерименту щодо тестування продуктивності безпроводової мережі стандарту IEEE 802.16е з метою отримання і подальшого аналізу показників якості передачі потокового трафіку в діючих сигнально-завадових умовах з урахуванням рухомості користувачів в місті (рис.8).

Рис.8. Схема експериментальної установки

Експеримент щодо тестування продуктивності включав серію тестів:

1) Вимірювання енергетичних параметрів радіоканалу: рівня сигналу, що приймається, відношення сигнал/шум, девіації відношення сигнал/шум залежно від радіусу зони радіопокриття базової станції, що обслуговує.

2) Вимірювання характеристик безпроводового з'єднання при передачі ТСР-пакетів даних різної довжини для фіксованого і мобільного видів доступу, в зоні дії однієї і декількох обслуговуючих базових станцій.

3) Вимірювання параметрів безпроводового з'єднання при організації мультисервісних видів обслуговування: передачі мовних пакетів IP-телефонії і передачі потоків відео сумісно з пакетами мови з різними варіантами використовування мовних кодеків і розмірів UDР пакетів для фіксованого і мобільного видів доступу.

4) Вимірювання параметрів безпроводового з'єднання змішаного потоку даних з урахуванням переміщення мобільного користувача по території декількох зон обслуговування базових станцій із здійсненням процедури "хендовера".

5) Вимірювання параметрів безпроводового з'єднання фіксованого доступу на протязі добового сеансу зв'язку.

На рис.9 представлена схема організації експериментальних досліджень.

Рис. 9. Оцінка передачі мовних пакетів за критерієм MOS і одношляхова затримка пакету в мережі

Сумарна затримка в мережі складається з 2-х складових , де - затримка на рівні протоколів IEEE 802.16, що містить час передачі запиту і час передачі пакету, а також час кадру; - затримка на мережевому і транспортному рівнях, в чергах і ін. З графіків виходить, що сумарні затримки можуть досягати значних інтервалів, що перевищують декілька сот мілісекунд.

У табл.1 представлені результати продуктивності передачі пакетів IP-телефонії для кодека G.711.

Таблиця 1 - Результати продуктивності передачі пакетів IP-телефонії

Точки	Середнє значення MOS	Середнє значення за шкалою R	Середнє значення Затримки із кінця в кінець (мс)	Середнє значення одношляхової затримки (мс)	Середнє значення Відсотка втрачених пакетів від E1 до E2	Середнє значення максимальної кількості втрачених датаграм
All Pairs	2,23	38,84	162	87	9,060	23
Pair 1	1,59	22,67	141,446	66	16,451	23
Pair 2	2,87	55,01	183,047	108	1,669	9

Результати досліджень якості передачі мовних пакетів за IP-протоколом показали, що затримки в передачі із "кінця в кінець" складають допустиму величину мс при фіксованому доступі, а середній час джіттера складає близько 100 мс, що цілком припустимо для використання при пере-дачі сервісів реального часу і відповідає оцінці якості "добре" E-моделі і оцінці MOS. У разі використання передачі потокового трафіка в режимі реального часу при переміщенні абонентського терміналу показники серед-ньої затримки значно зростають (мс), що призводить до збіль-шення відсотку втрачених пакетів і низького значення коефіцієнту MOS (менше 2), що говорить про погіршення якості функціонування IEEE 802.16 на рівні незадовільної оцінки MOS. Це пояснюється шумовими чинниками діючих сигнально-завадових умов, зміною густини розташування рухомих абонентських терміналів у зоні обслуговування БС із збільшенням інтен-сивності трафіка і, як наслідок, збільшенням значення затримки при випадковому множинному доступі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі з метою підвищення продуктивності роботи безпроводової мережі IEEE 802.16 при передачі потокового трафіка в реальних сигнально-завадових умовах вирішено актуальну науково-прикладну задачу - вдосконалення механізмів резервування канальних ресурсів системи широкосмугового доступу BWN шляхом вибору оптимальних значень параметрів алгоритму множинного доступу.

1. Огляд особливостей підрівня управління доступом до середовища для широкосмугових безпроводових мереж стандарту IEEE 802.16 показує, що різні з'єднання, що мають один і той же рівень служб, можуть мати різні значення для параметрів якості обслуговування (таких, наприклад, як максимальна затримка). Проаналізовано різні способи управління передачею пакетів запитів, що використовуються у стандарті IEEE 802.16. Показано пріоритетність деревовидних алгоритмів ВЕВ і SIC в порівнянні з алгоритмами заснованими на процедурі Aloha.

2. Сформульована феноменологічна модель ВМД з узагальненням на випадок наявності затримки у вихідному каналі, відповідної розбиттю часу передачі по каналу на кадри, що є характерною особливістю централізованої мережі BWN. Показано, що пропускна спроможність системи із затримкою в вихідному каналі дорівнює пропускній здатності базової системи.

3. Досліджена структура кадру при використанні алгоритму (ВЕВ), що складається з - мінівікон і -вікон з використанням пари функцій: функції ВМД, що визначена на -міні-вікнах, що включає час виникнення пакету у абонента і - функції дисципліни обслуговування, визначеної на -вікнах, яка може бути визначена як протокол множинного доступу з резервуванням з параметрами і отримано середнє значення швидкості .

4. Іншим перспективним напрямом в рішенні задач ВМД є застосування деревовидних алгоритмів СДА і МДА, що дозволяють досягати швидкості . Структура кадру в цих алгоритмах відмінна від ВЕВ. Тут немає спеціальних сигналів запиту, а конфлікт вирішується за рахунок пред-ставлення пріоритетності повторної передачі. Деревовидні алгоритми пред-ставляються надійнішими в порівнянні з ВЕВ і трохи виграють за швид-кістю. Важливою перевагою деревовидних алгоритмів є те, що вони володі-ють активним методом розв'язання конфліктів, що полягає у тому, що після виявлення конфлікту процедура дозволу детермінується. У той же час вирішення конфлікту в алгоритмах ВЕВ - процес суто випадковий, залежний від величини відстрочки. Це відповідно призводить до збільшення коефіцієнта використання, що досягає значення 0,381.

5. Доповнення деревовидного алгоритму і процедури послідовного погашення (компенсації перешкод) (SIC) дозволяє по черзі відновлювати пакети, що потрапили у конфлікт. Коефіцієнт при цьому може досягти 0,693. Необхідна в даному випадку висока якість компенсації може бути досягнута при використанні оптимальних процедур обробки сигналів.

6. Одержані співвідношення, що характеризують ймовірність станів алгоритмів доступу з циклічним опитом, що дозволило одержати порівняльні дані для алгоритму ВЕВ і поллінга, звідки витікає, що із збільшенням числа абонентських станцій, що перевищує число міні-вікон, алгоритм ВЕВ сильно програє поллінгу. Поллінг програє при менше 0,4.

7. Наявність завад в каналі зв'язку змінює результати аналізу, що отримані у відсутності шумів. За наявності шумів виникають помилки в правильній оцінці запиту. Очевидно, шум в "порожньому" вікні не надає дії, тоді як наявність помилкового конфлікту сприяє зниженню продуктивності системи. Аналіз продуктивності системи з урахуванням шуму показує, що із збільшенням ймовірності спотворення запиту шумом шкала виграшу поллінга розширюється, точка зіставності зміщується уліво. Очевидно, в каналах з великим рівнем шуму доцільно з режиму ВЕВ переходити на поллінг.

8. Проведена аналітична наскрізна оцінка якості передачі потокових сервісів в телекомунікаційних мережах з використанням протоколів ТСР і IP, що включає оцінки на рівні доступу, рівні мережі, рівні аплікацій і рівні кінцевого обладнання. Одержано показники продуктивності телекомуніка-ційної мережі, що включає на канальному і фізичному рівнях устаткування стандарту IEEE 802.16, яке використовує протокол ТСР/IP. Показано, що пропускна здатність мережі обмежена можливістю WiMAX, яка для алгорит-му ВЕВ або MДA складає близько 0,3.

9. У припущенні, що забезпечується хороша якість IP-телефонії при використанні високошвидкісних кодеків при значеннях ймовірності втрати пакету не більше 0,03, застосування критерію ОСШ для цього значення ймовірності складає точну оцінку ОСШ = 12,22 дБ (при значенні ОСШ = 12дБ, відповідному межі між категоріями якості “хороша” і “задовільна”).

10. Експериментальні дослідження ділянки телекомунікаційної мережі з використанням WiMAX стандарту IEEE 802.16 організовані і проводилися з метою зіставлення аналітичних оцінок якості передачі потокових сервісів з отриманням результатів при натурних випробуваннях.

11. Результати дослідження якості передачі пакетів за протоколом ТСР, при використанні програмного пакету IxCharriot і результати досліджень пропускної здатності на інтервалах, тривалістю 900 сек. показали, що середні значення пропускної здатності складають близько 0,5 Мбіт/с, що відповідає технічним характеристикам системи. Середній час передачі пакету складає 0,4 с, а час відповіді віддаленої сторони може доходити до 1 хвилини, що дозволяє рекомендувати дану технологію для організації передачі сервісів “поза реальним часом”.

12. Результати досліджень якості передачі мовних пакетів по IP-протоколу показали, що затримки при передачі з "кінця в кінець" складають допустиму величину мс при фіксованому доступі, а середній час джіттера складає близько 100 мс, що цілком допустимо для використання в передачі сервісів “реального часу” і відповідає якісній оцінці "добре" за E-моделлю і оцінці MOS. У разі використання передачі потокового трафіку в режимі “реального часу” при переміщенні абонентcького терміналу показники середньої затримки значно зростають (мс), що призводить до збільшення відсотка втрачених пакетів і низького значення коефіцієнта MOS (менше 2), що говорить про погіршення якості функціонування IEEE 802.16 на рівні “незадовільної” оцінки MOS. Це пояснюється шумовими чинниками діючої сигнально-завадової обстановки, зміною густини розташування рухомих абонентських терміналів в зоні обслуговування БС із збільшенням інтенсивності трафіка і, як наслідок, збільшенням значення затримки при випадковому множинному доступі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Наорс И. Анад. Повышение эффективности использования радиочастотного ресурса при внедрении cистем широкополосного беспроводного доступа WiMAX / Наорс И. Анад, Н.В.Москалец // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб.- 2008. - Вып.155. - С. 186 - 190.

2. Наорс И. Анад. Анализ энергетических параметров сиcтемы WiMAX /Наорс И Анад, К.А.Селиванов, Н.В.Москалец // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2009.- Вып. 159. - С. 143 - 147.

3. Наорс И. Анад. Проблемы внедрения в Украине cистем широкополосного беспроводного доступа WiMAX с учетом эффективного использования частотного ресурса / Наорс И. Анад, Н.В.Москалец // 13-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь у XXI ст.». - Харків: ХНУРЕ, 2009. - С. 153.

4. Наорс И. Анад. Анализ влияния интерференции на уровень принимаемого сигнала в системе WiMAX / Наорс И. Анад, Москалец Н.В.// Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. - 2010. - Вып. 163. - С. 112 - 117.

5. Наорс И. Анад. Оценка энергетических параметров качества в радиолиниях сиcтемы WiMAX. / Наорс И. Анад // 14-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь у XXI ст.». - Харків: ХНУРЕ, 2010. - С. 163.

6. Наорс И. Анад. Механизм децентрализованного управления cистемы WIMAX с технологией MIMO. / Наорс И. Анад // 15-й міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка і молодь у XXI ст.» / Харків: ХНУРЕ, 2011.- С. 64.

7. Наорс И. Анад. Методология проведения экспериментальных исследований по тестированию производительности широкополосной беспроводной сети IEEE 802.16е. / Наорс И. Анад, Н.В.Москалец // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - № 4/3(52). - C. 11 - 15.

8. Наорс И. Анад. Совершенствование механизмов случайного множественного доступа в системах беспроводной связи. /Наорс И. Анад, Я.Т. Хусейн // Вісник НТУ ХПІ. - 2011. - № 25. - C. 108 - 115.

АНОТАЦІЯ

Наорс І Анад. Вдосконалення механізмів резервування канальних ресурсів широкосмугових систем безпроводового зв'язку. - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи і мережі. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2011.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі - вдосконаленню механізмів резервування канальних ресурсів системи широкосмугового доступу BWN з урахуванням різних алгоритмів множинного абонентського доступу шляхом вибору оптимальних зна-чень параметрів множинного доступу, з метою підвищення продуктивності роботи безпроводової мережі при передачі потокового трафіку в реальних сигнально-завадових умовах.

У роботі представлені результати зіставлення характеристик різних механізмів випадкового множинного доступу в BWN стандарту IEEE 802.16. Розглянуті методи множинного доступу на основі деревовидних алгоритмів (СДА, МДА, SIC), алгоритмів Aloha, подвійної експоненціальної відстрочки (ВЕВ). Одержані умови, при яких за рахунок правильного вибору параметрів випадкового множинного доступу: стадії відcтрочки, величини періоду вирішення конфлікту і ін., забезпечується стабільна робота системи як в умовах, що ідеалізуються, так і за наявності шуму в каналі зв'язку.

Ключові слова: безпроводова мережа, випадковий множинний доступ, управління доступом до середовища, кадр, затримка, продуктивність

АННОТАЦИЯ

Наорс И Анад. Совершенствование механизмов резервирования канальных ресурсов широкополосных систем беспроводной связи. - Рукопись.

Диссертационная работа на cоискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Харьковский национальный університет радиоэлектроники, Харьков, 2011.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-прикладной задаче - совершенствованию механизмов резервирования канальных ресурсов системы широкополосного доступа BWN с учетом различных алгоритмов множественного абонентского доступа путем выбора оптимальных значений параметров множественного доступа, с целью повышения производительности работы беспроводной сети при передаче потокового трафика в реальных сигнально-помеховых условиях.

В работе представлены результаты сопоставлений характеристик различных механизмов случайного множественного доступа в BWN стандарта IEEE 802.16. Рассмотрены методы множественного доступа на основе древовидных алгоритмов (СДА, МДА, SIC), алгоритмов Aloha, двойного экспоненциального отката (ВЕВ).

Показано, что при различном количестве абонентов и различном типе предоставления ресурса существуют оптимальные условия для получения максимальной производительности и минимизации средней задержки. Получены условия, при которых за счет правильного выбора параметров случайного множественного доступа: стадии отката, величины периода разрешения конфликта и др., обеспечивается стабильная работа системы как в идеализированных условиях, так и при наличии шума в канале связи.

Разработана аналитическая модель для исследования системных характеристик показателей производительности беспроводной сети BWN на основе синтеза модели управления случайным множественным доступом с резервированием и модели стека протоколов стандарта IEEE 802.16. Произведена аналитическая сквозная оценка качества передачи потоковых сервисов в беспроводной сети WiMAX включающая оценки на уровне доступа, уровне сети, уровне приложений и уровне конечного пользователя. Получены значения показателей производительности беспроводной сети, включающей на канальном и физическом уровнях оборудование стандарта IEEE 802.16 и использующий протокол ТСР/IP.

Ключевые слова: беспроводная сеть, случайный множественный доступ, управление доступом к среде, кадр, задержка, производительность.

ANNOTATION

Naors І Anad. Perfection of mechanisms of reservation of channel resources of broadband wireless networks. - It is manuscript.

Dissertation for the candidate`s degree of technical science in a speciality 05.12.02 - telecommunication systems and networks. - Kharkov National University of Radio and Electronics, Kharkov, 2011.

Dissertation work is devoted to the decision to the actual scientifically-applied task - perfection of mechanisms of reservation of channel resources of the system of the broadband wireless networks (BWN) taking into account different algorithms of plural subscriber access and choice of optimum values of parameters of plural access, with the purpose of increase of productivity of work of wireless network at the transmission of stream traffic in the real interfering terms.

Keywords: wireless network, casual plural access, access control to the environment, frame, delay, productivity network.

Підп. до друку 20.09.11.Формат 60х84 1/16.Спосіб друку - ризографія

Умов. арук. арк. 0,9Тираж 100 прим.

Зам. № 2-741.Ціна договірна.

ХНУРЕ, 61166, Харків, просп. Леніна, 14 .

Віддруковано в навчально-науковому

видавничо-поліграфічному центрі ХНУРЕ

Харків, просп. Леніна, 14

Размещено на Allbest.ru

...