WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

АНДРЕЕВ Сергей Дмитриевич ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ МНОЖЕСТВЕННЫМ ДОСТУПОМ В СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ВЫСОКОЙ ЗАГРУЗКЕ 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 2009

Работа выполнена на кафедре безопасности информационных систем в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Тюрликов Андрей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Яновский Геннадий Григорьевич кандидат технических наук Дехканбаев Дмитрий Саттаркулович Ведущая организация – ОАО «Мощная аппаратура радиовещания и телевидения»

Защита состоится « » 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Осипов Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия наблюдается увеличение числа телекоммуникационных сетей локального и регионального (городского) масштаба, где применение беспроводных технологий связи обеспечивает гибкость топологии сети, включая поддержку мобильных абонентов, быстроту проектирования и низкие затраты на реализацию. Бесспорными лидерами на рынке технологий, использующих каналы множественного доступа, являются протокол региональных (городских) сетей IEEE 802.16 и протокол локальных сетей IEEE 802.11.

Активный процесс международной стандартизации, производства беспроводного оборудования и развертывания сетей передачи информации традиционно выводит на передний план задачи так называемого физического уровня. Как следствие, на порядки возрастает скорость работы оборудования, а также значительно усложняется его структура.

Возникает ситуация, в которой алгоритм управления доступом к среде зачастую представляет собой «узкое место» всей системы связи и существенно снижает ее потенциальную производительность.

Отмеченный в последнее время рост количества беспроводных сетей, а также числа их абонентов, появление новых высокоскоростных технологий передачи данных и все большее ужесточение требований к качеству обслуживания абонентов, вызванное конкуренцией производителей телекоммуникационного оборудования, ставят перед исследователями принципиально новые задачи. При этом классические труды в области теории управления множественным доступом не учитывают изменившейся специфики множественного доступа применительно к современным региональным (городским) централизованным беспроводным сетям, особенно в условиях критичной для них высокой загрузки. Кроме того, на сегодняшний день сравнительно мало изучены особенности одновременной работы региональных (городских) и локальных сетей передачи информации, которая характерна для современной спектрально напряженной городской инфраструктуры. Частичному восполнению данных пробелов и посвящена настоящая диссертационная работа.

В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является исследование и оптимизация алгоритмов случайного множественного доступа для повышения эффективности передачи информации в централизованных телекоммуникационных сетях при высокой загрузке, а также разработка новых алгоритмов с учетом требований, предъявляемых к качеству обслуживания абонентов.

Основные положения данной работы сформулированы, в основном, на примере протокола региональной (городской) сети IEEE 802.16.

Тем не менее, большинство полученных результатов может быть использовано и в других централизованных сетях передачи информации, таких как Универсальная система мобильной связи (universal mobile telecommunications system, UMTS) и новый протокол передачи данных для сетей мобильной связи Long term evolution (LTE).

В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи.

1. Провести анализ алгоритма разрешения конфликтов в сети передачи информации с большим числом абонентов.

2. Выяснить предельную эффективность стандартного алгоритма резервирования в централизованной сети при высокой загрузке.

3. Исследовать зависимость общей задержки передачи сообщения от параметров алгоритма резервирования.

4. Разработать новый алгоритм резервирования ресурса канала связи в централизованной системе передачи информации для повышения уровня качества обслуживания абонентов.

5. Провести анализ одновременной работы протоколов региональной (городской) и локальной сети.

Теоретическую основу исследования составили классические труды таких отечественных и зарубежных ученых, как Дж. Месси, Ф. Келли, Л. Клейнрок, С. Лэм, Дж. Капетанакис и И. Рабин, а также современные работы таких ученых и исследователей, как Дж. Бианки, Л. Голдберг, Г. Гианнакис, В. М. Вишневский и А. И. Ляхов.

Методы исследования. При получении основных результатов диссертационной работы использовались общие методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории случайных процессов, в частности регенерирующих и марковских процессов, теории систем массового обслуживания, численные методы, а также методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Проведен обобщенный анализ производительности алгоритма резервирования в централизованной системе связи, позволяющий получить значения его предельной эффективности.

2. Построена модель для оценки общей задержки в централизованной сети передачи информации, учитывающая как задержку резервирования, так и задержку обслуживания сообщений.

3. Выполнен расчет скорости алгоритмов из класса древовидных алгоритмов случайного множественного доступа со свойством последовательного погашения интерференции, а также предложен эффективный алгоритм из данного класса для резервирования ресурса канала в централизованной системе связи.

4. Исследован режим одновременного функционирования протоколов региональной (городской) и локальной сети передачи информации и предложен алгоритм координирования их совместной работы.

Практическая ценность диссертационной работы. В данной диссертационной работе произведены анализ и оптимизация конкурентных механизмов резервирования в протоколе IEEE 802.16 с точки зрения качества обслуживания абонентов и получены значения их предельной эффективности в условиях высокой загрузки. Построена модель для расчета общей задержки в централизованной сети передачи информации, которая позволяет оценить соответствующую величину в сети IEEE 802.16 и может быть использована при ее проектировании и реализации. Предложен новый алгоритм резервирования ресурса канала связи со свойством последовательного погашения интерференции, обладающий более высокой эффективностью по сравнению со стандартным алгоритмом. Разработан новый алгоритм координирования сетей IEEE 802.16 и IEEE 802.11, позволяющий обеспечить одновременную работу двуxпротокольной абонентской станции в обеих сетях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах в период с 2006 по 2008 гг.: на научных сессиях ГУАП; на форуме «Information Systems. Problems, Perspectives, Innovation Approaches»;

на семинаре «On Distributed Computer and Communication Networks»;

на 11-м симпозиуме «On Problems of Redundancy in Information and Control Systems»; на 14-й конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications»; на семинаре «On Multiple Access Communications»; на 8-й конференции «On Next Generation Teletraffic and Wired/Wireless Advanced Networking»; на 15-й конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications»; на 11-м симпозиуме «On Wireless Personal Multimedia Communications».

Внедрение результатов. Теоретические и практические результаты работы применяются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП). Результаты работы используются на практике в ЗАО «Интел А/О».

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 19 печатных работах. Из них 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, утвержденных в перечне ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обобщенный анализ производительности алгоритма разрешения конфликтов в сети передачи информации.

2. Оценка общей задержки передачи в централизованной системе связи с конкурентным резервированием.

3. Расчет скорости для класса алгоритмов случайного множественного доступа со свойством последовательного погашения интерференции и алгоритм резервирования из данного класса.

4. Алгоритм координирования совместной работы протоколов региональной (городской) и локальной сети передачи информации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка цитированных источников и приложения. Работа содержит 155 страниц основного машинописного текста, 40 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования алгоритмов случайного множественного доступа в современных централизованных сетях передачи информации, представлена научная новизна диссертационной работы и ее практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также приведено краткое содержание диссертационной работы по разделам.

В первом разделе даются основные понятия и определения, используемые в работе. Раздел носит, в основном, обзорный характер.

Проведена классификация сетей передачи информации и используемых в них алгоритмов множественного доступа. Рассмотрены допущения классической модели случайного множественного доступа, различные расширения которой будут использованы в следующих разделах. Строго введены характеристики алгоритмов. Изучена стабильность алгоритма двоичной экспоненциальной «отсрочки» и произведена количественная оценка времени его стабильной работы.

В современных телекоммуникационных системах для организации взаимодействия абонентов широко используется множественный доступ, предполагающий коллективное использование канала связи абонентами системы. При этом канал представляет собой общий ресурс, разделение которого необходимо для обеспечения эффективной работы системы связи. Алгоритмы, предназначенные для такого разделения, носят название алгоритмов множественного доступа и располагаются на специальном подуровне управления доступом к среде (УДС или media access control, MAC). Они входят в состав современных протоколов связи, в частности, IEEE 802.11 (Wi-Fi) и IEEE 802.16 (WiMAX).

Принято различать детерминированные и случайные алгоритмы множественного доступа. Первые гарантируют, что в случае передачи абонентом системы связи сообщения, данная передача всегда успешна. Алгоритмы случайного множественного доступа (СМД) принципиально отличаются от детерминированных, поскольку не гарантируют успешность каждой передачи абонента. Для анализа алгоритмов СМД часто вводят набор допущений относительно системы связи с СМД и правил функционирования абонентов в ней. В частности, следует задать четыре группы допущений: относительно системы связи в целом, канала связи, типа обратной связи, которая доступна абоненту, и непосредственно абонента системы. Такую совокупность допущений называют классической моделью системы множественного доступа.

Прежде чем перейти к анализу централизованной сети передачи информации, рассмотрим в рамках классической модели алгоритм двоичной экспоненциальной «отсрочки» (ДЭО или binary exponential backoff, BEB). Он используется в подавляющем большинстве современных систем связи при организации случайного доступа. В литературе показано, что при достаточно высокой входной загрузке данный алгоритм нестабилен в том смысле, что задержка передачи данных неограниченно возрастает. Оценим время стабильной работы алгоритма ДЭО.

Известно, что алгоритм ДЭО описывается двумя параметрами – Wи m, где первый представляет собой размер начального окна «отсрочки», а второй – максимальную степень «отсрочки». Рядом авторов предлагается рассмотреть алгоритм ДЭО в условиях насыщения, то есть когда у каждого абонента всегда имеется готовый для передачи пакет данных. Можно показать, что в этих условиях последовательность состояний системы в начале каждого временн слота описывается двуого мерной марковской цепью, что позволяет найти вероятность (повторной) передачи pt абонента в некотором слоте.

В диссертационной работе предлагается свести работу алгоритма ДЭО к работе алгоритма АЛОХА, в котором стационарная вероятность успеха рассчитывается в зависимости от числа активных абонентов n в системе и вероятности pt. Можно ввести характеристику стабильного поведения системы – время достижения T или время первого выхода из рабочей области, которая представляет собой среднее число слотов, проходящих от начала функционирования системы до момента превышения числом активных абонентов n некоторого порога.

Результаты расчета T предложенным в работе способом и полученные имитационным моделированием алгоритма ДЭО представлены на рисунке 1 в логарифмическом масштабе. Приведенная кривая иллюстрирует зависимость времени T от интенсивности входного потока новых пакетов в систему с M абонентами. Данная зависимость представляет собой верхнюю оценку для значений времени достижения T.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»