автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.15, диссертация на тему:Исследование вероятностно-временных характеристик протоколов управления множественным доступом в беспроводных компьютерных сетях WiMAX

484ооЬ1

Дроздова Вера Геннадьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТОКОЛОВ УПРАВЛЕНИЯ МНОЖЕСТВЕННЫМ ДОСТУПОМ В БЕСПРОВОДНЫХ КОМПЬТЕРНЫХ СЕТЯХ \ViMAX

Специальность: 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

2 ИЮН 2011

.Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2011

4848361

Работа выполнена на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Федерального агентства связи Российской Федерации.

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор

Мархасин Александр Беньяминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор

Родионов Алексей Сергеевич

кандидат технических наук, доцент

Треногин Николай Геннадьевич

Ведущая организация - ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж

Защита состоится 2011 г. в "Ач ■■ часов на заседании

Диссертационного совета Д 219.005.02 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», по адресу:

630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86, ком. 625. , .,

/ ( '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ».

Автореферат разослан " АХО-1*- 2011г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 219.005.02 кандидат технических наук доцент

И. И. Резван

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стандарт IEEE 802.16е-2005 (WiMAX) - это стандарт городских (MAN) и территориальных (WAN) сетей 4G мобильного беспроводного широкополосного доступа, описывающий протоколы физического уровня и подуровня управления доступом к срсде (MAC - Medium Access Control). В качестве основного механизма управления множественным доступом к беспроводной среде стандартом предусматривается контролируемый доступ с резервированием (reservation) ресурсов беспроводной среды (MAC-R) в суперкадрах фиксированного/предопределенного формата (RFS).

Современные технологии беспроводного широкополосного доступа (ШПД) развиваются по пути конвергенции услуг передачи данных, телефонии, телевидения и т.п. Интеграция различных типов информации в одной системе, с неодинаковыми требованиями к скорости передачи данных и времени задержки, обуславливает необходимость обеспечения соответствующих механизмов управления качеством обслуживания (QoS - Quality of Service).

Новые технологии требуют разработки адекватных методов анализа, учитывающих реалистические условия функционирования сети и внутреннюю структуру протокола управления множественным доступом в среду. Важнейшие результаты в области теории множественного доступа были получены А. Б. Мархасиным, В. А. Михайловым, С. И. Самойленко, Г. Г. Сте-цюра, Б.С. Цыбаковым, N. Abramson, L. Kleinrock, S. S. Lam, F.A. Tobagi, L.G. Roberts, I. Rubin и др.

Системы класса WiMAX описываются многомерными моделями распределенных в пространстве очередей, с приоритетным обслуживанием неоднородных потоков нагрузки. Следует отметить, что задачи анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) таких сложных мультисервисных систем, как правило, имеют аналитические решения лишь при сильных упрощающих допущениях, не позволяющих учесть такие важные характериситики реальных сетей, как вероятности ошибок, неоднородности входных нагрузок, реальные входные потери, повторные потоки переспросов, время распространения сигналов в беспроводной среде, системные параметры протоколов MAC, дисциплины обслуживания и т.п. Например, известны решения задач анализа протоколов WiMAX с помощью моделей Марковских цепей (А.-В. Винель, А. И. Ляхов, А. М. Тюрликов, G. Bianchi. К. Chen, A. Doha, Н. Hassanein, М. Lou, 'Q. Ni, Y. Zhang, Y. Zhou и др.), в которых не удалось в полной мере оценить эффективность работы МАС-протоколов в реальных условиях функционирования из-за упрощающих ограничений.

В монографии В. Вишневского и О. Семеновой авторы с помощью метода преобразований Лапласа-Стилтьеса (Г1ЛС) получили решение задачи анализа ВВХ для протоколов управления доступом к беспроводной среде вида МАС-Р, действующих на основе механизм опроса (polling). В работах Мархасина А. Б. были исследованы ВВХ WiMAX-образного МАС-протокола

3

для гибридных сетей DVB-R.CS/WiMAX с помощью метода баланса интен-сивностей нагрузок. Метод баланса интенсивностей нагрузок, а также имитационное моделирование позволяют снять перечисленные выше упрощающие допущения и получить ВВХ МАС-протокола WiMAX с более полным учетом реальных условий функционирования.

Наиболее существенные результаты имитационного моделирования в программных средах NS-2, OpN'et, QualNet были представлены в работах М. Bardazzi, С. Cicconetti, A. Erta, R. Fantacci, J. Gómez, O. Gusak, L. Lenzini, D. Tarchi и др. Такой метод оценки ВВХ позволяет получить достаточно точные результаты, однако имитационные модели не приспособлены для поиска закономерностей и оптимальных решений и их применение более эффективно для экспериментальной проверки и уточнений аналитических методов.

В диссертационной работе предложена методика расчета вероятностно-временных характеристик МАС-протокола WiMAX на основе метода баланса интенсивностей нагрузок, позволяющая учесть реальные условия функционирования сети (ненасыщенные очереди, время распространения, помехи в радиоканале) и внутренние параметры протокола (длительности суперкадров, размеры запросов полосы, емкости очередей, количество повторных переспросов и т.д.).

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) МАС-протоколов резервирования беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с фиксированным форматом суперкадра с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры протокола. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1) Обоснование актуальных задач анализа и моделирования реалистических вероятностно-временных характеристик (ВВХ) мобильных сетей четвертого поколения WiMAX.

2) Разработка реалистической расчетной модели МАС-протокола резервирования для сетей WiMAX четвертого поколения.

3) Развитие метода баланса интенсивностей нагрузок и анализ особенностей решения задач оценки ВВХ сетей стандарта IEEE 802.16.

4) Численные исследования вероятностно-временных характеристик мобильных сетей WiMAX для реалистических условий.

5) Разработка и программная реализация имитационной модели, экспериментальная проверка ВВХ сетей WiMAX, полученных методом баланса интенсивностей нагрузок.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории множественного доступа, теории систем массового обслуживания и теории математической статистики, а также имитационное моделирование.

Научная новизна работы.

1) Впервые разработана методика расчета вероятностно-временных характеристик МАС-протокола сетей WiMAX на основе метода баланса ин-тенсивностей. позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей.

2) Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

3) Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности МАС-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки и параметров форматов суперкадров, задающие законы адаптации форматной структуры суперкадров к переменной нагрузке.

4) Разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16, позволяющая экспериментально исследовать реалистические ВВХ сетей WiMAX.

Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют оценить характеристики производительности мобильных сетей WiMAX четвертого поколения, что может быть использовано при их построении. Проведенные численные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу для адаптации МАС-протоколов сетей WiMAX четвертого поколения к условиям удаленных, труднодоступных и малонаселенных территорий.

Полученные в диссертационной работе результаты используются в учебном процессе Кафедры телекоммуникационных сетей и вычислительных средств ГОУ ВПО «Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики», а также Томским филиалом ОАО «Ростелеком».

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа поддерживалась грантами компании Alcatel-Lucent.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс. Они использовались при чтении курсов лекций на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств (ТС и ВС) ГОУ ВПО «СибГУТИ» по дисциплине «Основы теории средств связи с подвижными объектами ».

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным имитационным моделированием, а также согласованностью с данными, имеющимися в отечественной и зарубежной литературе.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях: Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2009, 2010 г.), Third International conference in Central Asia on Internet, the next generation of mobile, wireless and optical communications (Uzbekistan, Tashkent, Sept. 26-28, 2007), 11lh International workshop and tutorial on Electron Devices and Materials (1-5 July 2008, Erlagol), IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2008" (Novosibirsk, 2008), 10-я международная конференция-семинар по мик-

ро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2009 (Алтай, Июль

2009), The IASTED International Conference on Automation, Control, and Information Technology Information and Communication Technology - ACIT-ICT (Novosibirsk, June 15-18, 2010), 11-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2010 (Алтай, Июль

2010), IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2010" (Irkutsk, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК. Результаты отражены в отчетах по грантам и НИР.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1) Методика расчета вероятностно-временных характеристик МАС-протокола стандарта IEEE 802.16, основанная на сведении задачи анализа МАС-протокола WiMAX к известной задаче ан&чиза характеристик протокола контролируемого множественного доступа с фиксированным форматом кадра.

2) Решение и программная реализация численной задачи анализа вероятностно-временных характеристик МАС-протокола WiMAX.

3) Результаты имитационного моделирования протокола управления доступом к беспроводной среде WiMAX.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературных источников, изложенных на 104 страницах, а также приложений на 43 страницах. Работа содержит 34 рисунка и 14 таблиц. В списке использованной литературы 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится изучение состояния проблемы анализа и оптимизации вероятностно-временных характеристик МАС-протокола сетей WiMAX, рассматриваются существующие в настоящее время методы ее решения, модели анализа ВВХ, их достоинства и недостатки. На основании анализа существующих решений обосновывается актуальность диссертационного исследования, формулируются цели и задачи.

Исследования МАС-протокола WiMAX можно разделить на работы, которые посвящены изучению механизмов контролируемого доступа (резервирование), работы, изучающие технологии свободного доступа, заложенные в стандарте, и те, которые рассматривают оба метода множественного доступа с целью сравнения их эффективности. Кроме того, систематизировать существующие решения данной проблемы можно по методу, лежащему в основе анализа, - одни авторы используют аналитические методы (методы, базирующиеся на моделях Марковских цепей, и метод баланса интенсивностей нагрузок), другие - имитационное моделирование (OPN'ET, NS-2, С++, QualNet и т.п.).

Большинство аналитических решений, характеризующих эффективность МАС-протокола WiMAX, базирующихся на методологии теории Марковских процессов (работы А. В. Винеля, А. И. Ляхова, A. Doha, Б. Hassanein, М. Lott, Q. Ni, Y. Zhang, Y. Zhou), были получены при упрощающем допущении о том, что система работает в режиме насыщения и посвящены исследованию механизмов свободного доступа. Если же удавалось преодолеть допущение о насыщенности очередей, то, как правило, не рассматривалось влияние внешней среды на вероятностно-временные характеристики протокола, не учитывались многие системные параметры протокола.

В результате анализа и систематизации имеющихся решений задачи исследования характеристик эффективности протокола управления множественным доступом, был выявлен ряд нерешенных задач - недостаточно изучено влияние параметров внешней среды на ВВХ стандарта (ошибки при передаче запросов, вызывающие повторные переспросы, время распространение), влияние параметров МАС-протокола (длительность запросов полосы, количество повторных переспросов, размер кадра), механизмов множественного доступа (свободный и контролируемый МД) и т.д.

Таким образом, основной целью данной диссертационной работы стала разработка адекватных реальным условиям функционирования численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения.

Во второй главе диссертационного исследования разработана модель функционирования WiMAX, включающая в себя механизмы множественного доступа к среде, форматы кадров, пространственно-временные диаграммы МАС-протокола стандарта IEEE 802.16 для схем с временным и частотным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов, с учетом времени распространения и помех в радиоканале, сводящаяся к модели протоколов MAC с фиксированным форматом кадра.

Для передачи абонентских данных в восходящем канале в стандарте IEEE 802.16 используется кадр с фиксированным (или предопределенным) форматом. Кадр состоит из служебной и информационной части. В служебных слотах абоненты могут резервировать ресурсы путем передачи соответствующего запроса. Для резервирования полосы используются механизмы контролируемого доступа и свободного. Стандартом предусмотрено несколько размеров кадра, изменяющихся в процессе функционирования системы зависимости от величины" входной нагрузки. Как правило, всегда имеет место несовпадение числа слотов данных в выделенном суперкадре с количеством заявок, имеющихся в распределенных локальных очередях.

fKicso.'ixiUHП cvokiwip

,,.,!,. 1 .- .J -,

| | | I I 7 ] [ [ | [ _Пакты от MCiPDU)_|

1 h ... ft I ... i ... N

Рис". 1. Структура восходящего счбкадра стандарта IEEE 802.16

7

На рис. 1 показана структура восходящего субкадра WiMAX. Я - число слотов конкурентного доступа, предусмотренных для авторизации абонентов в сети и при небольших нагрузках для низкоприоритетного трафика; N- число слотов опроса, выделяемых активным МС для передачи трафика в реальном времени; J - число информационных слотов в кадре, выделенных для передачи абонентских пакетов.

В данной главе были также предложены пространственно-временные диаграммы МАС-протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра, адаптированные для расчета вероятностно-временных характеристик, учитывающие время распространения сигнала и повторные запросы полосы, вызванные переполнением суперкадра или ошибками при передаче запроса, в режимах TDD и FDD (временное и частотное дуплексирование восходящего и нисходящего каналов, соответственно).

<-Время задержки i-oro пакета-*-! Су 6 кадр «осходяшего канала^-

ТУ ГШ..........Г.......Г........ттпшШ.........Т..........тлттт...... ..... «ЕС

IS; !&!•■■ Pavload" »MiSsl^l'.. - Payload / M""ПЕ IPayload .H "| w I Ы'Paytod

Ж

[ГШ

Payload

Payload

;. Payload

-Время задержки k-ого пакета—

^Субюшр нисходящего^ каната

1 - передача i-oro запроса полосы; 2 - передача k-ого запроса полосы; 3 - момент, когда MC узнагт. выделен или не выделен ей интервал для передачи пакета; 4 - повторная передача k-ого запроса полосы; 5 - передача пакета i-oro; 6 - передача k-ого пакета.

RTD - время распространения «вверх-вниз»; DL/VL-MAP - карты нисходящего и восходящего каналов; Payload — данные нисходящего канала; D/V- дескрипторы нисходящего и восходящего каналов; TTG -время, за которое БС переключается с режима передачи на режим приема; RTG— время, за которое БС переключается с режима приема на режим передачи;

Рис. 2. Пространственно-временная диаграмма стандарта IEEE 802.16 для схемы с частотным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов.

На рис. 2 показана схема для передачи запросов для режима FDD, построенная в соответствии с особенностями МАС-протокола стандарта IEEE 802.16е-2005. Команды-запросы, отклики (команды-распределения либо отказы) и реакции на них (повторные запросы либо передачи пакетов) сдвинуты во времени на определенное число кадров, зависящее от соотношения времени распространения сигналов «вверх-вниз» Тягл и длительности кадров TSFR. Интеракции «неуспешный запрос» - «новый запрос», а также «успешный запрос» - «передача пакета» - «неподтверждение/подтверждение приема» - «новый запрос» сдвинуты на фиксированное число т кадров, которое было определено выражением

где Е(х) - целая часть х. Поэтому в качестве модели очереди мобильной станции (парциальной очереди) в случае системы с бесконечной емкостью

очереди принимается /н-канальная система М/М/т (с так называемым «окном повторения», равным т).

В третьей главе выполнена адаптация и сведение задачи анализа вероятностно-временных характеристик МАС-протокола \ViMAX к известной задаче анализа ВВХ протокола управления множественным доступом к беспроводной среде с фиксированным форматом кадра на основе чиленно-аналитического метода баланса интенсивностей нагрузок с учетом функционирования сети в реальных условиях и внутренней структуры протокола управления множественным доступом. Параметры МАС-протокола \ViMAX выражаются через переменные этой задачи.

Главная идея метода баланса интенсивностей нагрузок заключается в сведении модели единой многомерной очереди к эквивалентной сумме линейно независимых, т.е. парциальных, очередей с помощью эквивалентных законов распределения времени обслуживания в парциальных очередях. Такое сведение единой многомерной очереди к сумме эквивалентных парциальных очередей, или нахождение эквивалентных распределений, выполняется с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок.

Метод включает три этапа решения задачи. На первом этапе определяются в параметрической форме интенсивности нагрузок в сечениях сети, от входов до выходов распределенных очередей, соответственно вероятностному графу процедур (рис. 3) приоритетного обслуживания и передачи запросов, совместно с пространственно-временной диаграммой (рис. 2) поясняющему алгоритм работы МАС-протокола \ViMAX с фиксированным форматом кадра.

А - Вход; Е - Передача пакета;

В - Локальная очередь МС; Г — Передача квитанции;

С — Передача запроса; в - Потеря пакета/запроса;

Б - Распределение ресурсов полосы; Н - Проверка оставшегося числа повторных передач.

Рис. 3. Вероятностный граф работы МАС-протокола резервирования \ViMAX с фиксированным форматом кадра и распределенным управлением качества обслуживания С^оБ.

Общий случай.

На рис. 3. представлен вероятностный граф, отображающий общий случай функционирования МАС-протокола резервирования с фиксированным форматом кадра, учитывающий вероятности вытеснения запроса по приоритету из локачьной и общей очереди, входные потери, связанные с ограниченной емкостью буфера, ошибки, возникающие при передаче запросов, пакетов, квитанций, переполнение суперкадра, конечное число возможных повторных передач.

На входы 1-х распределенных очередей поступают заявки (пакеты) к-х классов (в данной диссертационной работе не рассматривается случай приоритетного трафика) с интенсивностями нагрузок {С^! г — 1,2,...,ТУ; к — 1,2.....К),

= А1к ' Трас ,

где ТРас - фиксированная длительность пакета; Л^ - интенсивность поступления на входы 1-х распределенных очередей заяв.ок к-х классов приоритета; К - число различных классов на сети (число приоритетов).

Суммарная входная интенсивность нагрузки сети

С = Е;=1 ££=1

В рассматриваемом случае интенсивность нагрузок в сечениях сети удобней выразить функцией от входной нагрузки (7 через промежуточный параметр О - виртуальную интенсивность нагрузки, т.е., через суммарную интенсивность первичного потока и всех повторных запросов/заявок в относительных единицах - Эрлангах. В соответствии с вероятностным графом на рис. 3:

• Парциальная виртуальная интенсивность нагрузки (в данном случае - входной трафик запросов на обслуживание) ¡к-ой парциальной очереди

• Парциальная интенсивность нагрузки в канале ¡к-ой парциальной

ад) = ^41-^(12)]^,

Парциальная производительность (трафик успешно переданных

очереди

пакетов)

^0?) = • где й1к - коэффициент смешанных переспросов,

~ я-Рас '

/;к - максимально допустимое число попыток передачи (переспросов, или АЛ<3) пакета данных к-го класса обслуживания в /'-й очереди. гтег(0) - вероятность переполнения карда, которая определяется как

N

\N--j

1=1+1-

Кроме того, с помощью вероятностного графа определяются вероятности различных событий, происходящих в сети - вероятность переполнения /ой локальной очереди к-го класса обслуживания гс , вероятность успешной передачи адресованных запросов определяемая на множестве станций, вероятность безошибочной передачи пакета «вверх-вниз», вероятность безошибочной передачи квитанции ^лс/о прерывания обслуживания заявки к-го класса в /-ой очереди при поступлении заявки более высокого приоритета г¿к и т.д.

На втором этапе вычисляются циклы обслуживания заявок в 1-ых локальных очередях А-ых классов Циклы обслуживания заявок в приоритетных очередях определяются как периоды времени, которые начинаются в моменты поступления запросов А:-ых классов на обслуживание и заканчиваются в моменты освобождения каналов для обработки новых запросов того же к-ого класса приоритета.

Понятие «цикл обслуживания» является обобщением термина «время обслуживания». На рис.3 видно, что цикл обслуживания складывается из последовательности большого числа случайных редких событий (переспросов, конфликтов, искажений и т.п.), т.е. выполняются условия сходимости к предельным распределениям. Распределение длительностей циклов обслуживания при слабых ограничениях сходятся в пределе к экспоненциальному распределению. Таким образом, в моделях эквивалентных парциальных очередей законы распределения цикла обслуживания принимаются как экспоненциальные.

Для определения цикла обслуживания удобно использовать пространственно-временную диаграмму МАС-протокола резервирования с фиксированным форматом кадра (рис. 2).

Пусть ^(С) - средняя длительность цикла обслуживания запроса кого приоритета /-ого абонента в общей очереди принятых к обслуживанию пакетов. В соответствии с вероятностным графом (рис. 3) и пространственно-временной диаграммой (рис. 2) протокола резервирования с фиксированным форматом кадра можно получить

где Тс.к - среднее время, занимаемое в парциальной очереди на успешную передачу запроса, Т0 - расчетное {расчетное время отсчитывается до момента окончания цикла обслуживания, т.е. до начала очередного суперкадра. в отличие от физического времени, которое отсчитывается до момента окончания приема пакета) время, занимаемое в парциальной очереди на передачу пакета (в целых суперкадрах, измеряется в ОЕВ.

На третьем этапе из полученных характеристик очередей в параметрической форме исключается промежуточный параметр. Для этого составляется уравнение баланса интенсивностей нагрузок и решается численным методом относительно промежуточного параметра О - виртуальной интенсивности нагрузки - уравнение баланса виртуальных интенсивностей парциальных нагрузок:

Uheqi1 ~ ToveriQ)}]

Q,

Далее с помощью известных соотношений для моделей систем массового обслуживания вида М/М/т и М/М/1/щ получаются вероятностно-временные и качественные СЗоБ) характеристики очередей в функции от входной нагрузки и системных параметров МАС-протоколов "\ViMAX с фиксированным форматом кадра. Значения коэффициентов использования локальных очередей находятся на основании средних длительностей циклов обслуживания:

рш) =

Для численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок в данной диссертационной работе был предложен и программно реализован метод вычисления корней на основе графических критериев их оценки.

Четвертая глава посвящена исследованию реалистических характеристик задержки, производительности и пропускной способности МАС-протоколов сетей "^ЧМАХ в функции от интенсивности входной нагрузки. Было изучено влияние системных параметров протокола (размер запроса полосы, размер и количество пакетов абонентских данных, количество повторных передач и т. д.) на ВВХ системы \ViMAX. Был проведен сравнительный анализ характеристик при использовании различных методов множественного доступа - контролируемый доступ (опрос) и свободный дос-

0.0315

& 0.021

К

о. 0.0175

с

W !

3.5*10"

+++ J-20 (2.5 пк)

+++J=37(4bis) 12.5 ms

>49 (5 ms)

— J=S4(8ms) .

-■ J-lOS(lOms)

-J=137 (12.5 ms) ;l£j ms

5 his

....¡^-•f 2 J ms ,4+++++++++++■<-++++

В 0.2 0.4 0.4 0.8 1

Интенсивность входной нагрузки, Эрланг

Рис. 4. Время задержки в зависимости от интенсивности входной нагрузки при изменении размера пакета данных (2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 мс);

туп (Aloha).

На рис. 4 показаны характеристики времени задержки в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении размеров суперкадров, с помощью которых были выявлены законы адаптации форматной структуры кадров к переменной нагрузке.

Очевидно, что увеличение числа информационных тактов приводит к возрастанию времени начальной задержки (за счет увеличения длительности суперкадра WiMAX). Возрастает и пропускная способность, за счет изменения соотношения количества служебных и информационных тактов. В данном случае полагается, что помех в канале нет, и пропускная способность достигается за счет увеличения вероятности переполнения кадра при увели-

чении входной нагрузки и нехватке слотов для передачи всех данных, имеющихся у абонентов.

Показано, что для того чтобы WiMAX мог обеспечить динамическое управление распределением ресурсов полосы и дифференцированными показателями качества обслуживания QoS необходима адаптация формата кадра (плавное увеличение числа информационных тактов) к изменению интенсивности входной нагрузки. Предусмотренные стандартом IEEE 802.16е-2005 в режиме WirelessMAN-OFDM форматы кадра (2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс) обеспечивают удовлетворительную задержку во всем рабочем диапазоне на-

В результате исследования влияния системных параметров МАС-

протокола WiMAX на его вероятностно-временные характеристики было установлено:

• Увеличение размера запроса полосы приводит к увеличению начальной задержки и снижению пропускной способности.

• Увеличение длительности информационной части суперкадра приводит к увеличению начальной задержки и возрастанию

пропускной способности.

• Снижение пропускной способности при увеличении числа повторных передач, за счет увеличения потока виртуальной нагрузки и соответственно возрастания вероятности переполнения суперкадра.

• При малых нагрузках и низких требованиях к качеству обслуживания использование механизмов свободного доступа более эффективно, чем использование циклического опроса.

В данной главе было также исследовано влияние параметров внешней среды (помехи, время распространения сигнала «вверх-вниз») на вероятностно-временные характеристики МАС-протокола стандарта IEEE 802.16е-2005.

грузок, однако не являются оптимальными.

О 0.2 0.4 0 о 0 2 1

Интенсивность вводной нагрузки, Эрланг

Рис. 5. Время задержки в зависимости от интенсивности входной нагрузки при изменении времени распространения (т=3; 5: 7; 9)

На рис. 5 представлены характеристики времени задержки в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении значений времени распространения, которое в данном случае задается параметром т - окно повторения запросов (m=3 ( 0<TRTD < TSFR ); т=5 ( TSFR < TRTD < 2TSFR ); m=7 (2TSFR < TRTD < 3TSFR)\ m=9 (3TSFR < TRTD < 4TSFR)).

Исходные данные: режим дуплексирования восходящего и нисходящего каналов - FDD; число МС - 128; величина относительных затрат на управление МД (запросы полосы) - 0.02: длительность пакета абонентских данных - одна относительная единица времени; без ошибок.

Было установлено, что увеличение времени распространения не приводит к деградации характеристик времени задержки (уменьшению пропускной способности). Графики задержки лишь смещаются на величину транспортного запаздывания друг относительно друга. Это говорит об устойчивости МАС-протокола резервирования WiMAX к увеличению расстояния между приемопередатчиками БС и МС и позволяет строить эффективные сети беспроводного широкополосного доступа на удаленных и труднодоступных

территориях.

Исследование влияния качества канала связи на характеристики МАС-протокола WiMAX показало, что ухудшение радиоусловий приводит к увеличению начальной задержки и к уменьшению пропускной способности.

На рис.6 представлены характеристики времени задержки в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении значения вероятности безошибочной передачи запроса ( qReq —

0.03

« 0.0252

0.014

0 0.2 0 4 0 о СЕ 1

Интенсивность входной нагрузки, Эрланг-

Рис. б. Время задержки в зависимости от интенсивно- 1; 0.98; 0.96; 0.94 ). Можно сти входной нагрузки при изменении вероятности без- отметить увеличение на-ошибочной передачи запроса (qlte,=U0.98;0.96:0.94). чальной задержки и уменьшение пропускной способности при ухудшении радиоусловий. Ошибки приводят к увеличению интенсивности виртуальной нагрузки, за счет увеличения числа повторных передач, переполнение суперкадра наступает при меньших значениях входной нагрузки, а, значит, снижается производительность системы.

В пятой главе диссертационного исследования была разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16е-2005, позволяющая исследовать реалистические ВВХ МАС-протокола резервирования сетей WiMAX с фик-

14

сированным форматом кадра, учитывающая форматы кадров, вероятность их переполнения, емкость локальных очередей, число повторных передач в случае переполнения, время распространения. С помощью данной модели была осуществлена оценка достоверности аналитических результатов, полученных численно-аналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок.

На рис. 7 представлены характеристики времени задержки пакетов МАС-протокола WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении размеров суперкадров (J=32: 36; 40). Исходные данные: режим дуплексирования восходящего и нисходящего каналов - FDD; число МС (ЛО - 128; величина относительных затрат на управление МД (запросы полосы)-0.02; длительность пакета абонентских данных - одна относительная единица времени; без ошибок; время распространения мало (меньше длительности суперкадра).

Рис. 7. Зависимость времени задержки от интенсивности входной нагрузки при изменении: а) размера запроса полосы (и,. =0.02: 0.035: 0.05): 6) числа информационных

тактов (.1=32: 36:40).

Символами на рис. 7 показаны точки имитационного моделирования. Точные значения задержки аналитического и имитационного моделирования, а также доверительные оценки результатов моделирования приведены в таблицах П. 1-10 данного диссертационного исследования.

Можно отметить, что среднеквадратическое отклонение при росте нагрузок от 0.1 до 0.75 Эрланг изменяется от 1-3% до 7-12%, что свидетельствуете высокой точности и достоверности полученных результатов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в данном диссертационном исследовании.

В приложениях приведен алгоритм имитационной модели МАС-протокола резервирования \ViMAX, пояснения к нему, код модели, реализо-

ванный на С++, а также таблицы с результатами моделирования, их средне-квадратические отклонения и доверительные оценки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой автором поставлена и решена актуальная задача разработки численно-аналитических моделей и анализа вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры стандарта.. Решение данной задачи имеет важное теоретическое и практическое значение для исследования протоколов управления множественным доступом к беспроводной среде WiMAX с целью повышения их эффективности.

Основные результаты и рекомендации сводятся к следующему:

1. Выполнено сведение задачи анализа МАС-протокола WiMAX к известной задаче анализа вероятностно-временных характеристик протокола множественного доступа к беспроводной среде с фиксированным форматом кадра с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок.

2. Разработана реалистическая расчетная модель МАС-протокола WiMAX, учитывающая внутренние особенности стандарта и воздействие факторов внешней среды, включающая в себя механизмы множественного доступа, форматы кадров, пространственно-временные диаграммы стандарта IEEE 802.16 для схем с частотным и временным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов, вероятностный граф, отражающий возможные состояния системы, интенсивности нагрузки в сечениях сети и вероятности переходов из одного состояния в другое.

3. Разработана методика расчета и численного решения задачи анализа вероятностно-временных характеристик МАС-протокола сетей WiMAX, позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей.

4. Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

5. Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности МАС-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки, демонстрирующие влияние параметров внешней среды и внутренней структуры протокола на эффективность системы:

5.1. Показана необходимость адаптации формата кадра к изменению интенсивности входной нагрузки для обеспечения динамического управления распределением ресурсов полосы и дифференцированными показателями качества обслуживания QoS.

5.2. Установлено, что увеличение времени распространения не приводит к деградации характеристик времени задержки, что демонстрирует устойчивость МАС-протокола резервирования WiMAX к увеличению расстояния между приемопередатчиками БС и МС.

16

5.3. Выявлено, что увеличение размера запроса полосы с 3 до 6 байт приводит к увеличению начальной задержки и снижению пропускной способности на 4%.

5.4. Установлено, что при малых нагрузках и низких требованиях к качеству обслуживания использование механизмов свободного доступа более эффективно, чем использование резервирования, однако увеличение нагрузки и требований к QoS требует использования механизмов контролируемого доступа.

5.5. Исследовано влияние помех в канале связи на характеристики МАС-протокола WiMAX, в результате чего было установлено, что ухудшение радиоусловий приводит к увеличению начальной задержки и к уменьшению пропускной способности. При вероятности ошибки передачи запроса равной 0.05 пропускная способность снижается на 8%.

6. Разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16, позволяющая исследовать реалистические вероятностно-временные характеристики сетей WiMAX, учитывающая форматы кадров и вероятность их переполнения, емкость локальных очередей, число повторных передач в случае переполнения, время распространения.

7. С помощью имитационного моделирования была продемонстрирована достоверность аналитических результатов, полученных численно-аналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок. Среднеквадра-тическое отклонение при росте нагрузок от 0.1 до 0.75 Эрланг изменяется от 1-3% до 7-13%.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-19].

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дроздова В.Г.. «Имитационное моделирование характеристик МАС-протокола WiMAX с учетом реальных условий». Вестник СибГУТИ. апрель 2011. №1.

2. Дроздова В. Г.. «Вероятностно-временные характеристики мобильных и беспроводных сетей стандарта IEEE 802.16». журнал «Телекоммуникации». №4. апрель 2010. с.29-36.

3. A. Markhasin. V. Drozdova. "Performance Analysis of the mobile WiMAX systems", IEEE Région 8 conférence "S1BIRCON-2010". Irkutsk Listvvanka. Russia. Julv 11-15. 2010. pp.345-349.

4. V. Drozdova. "'IEEE 802.16: analysis of probability-time characteristics". The 1ASTED International Conférence on Automation. Control. and Information Technology Information and Communication Technology - ACIT-1CT 2010. Novosibirsk. June 15-18. 2010. pp. 146-150.

5. V. G. Drozdova. "Probability-time characteristics of WiMAX systems". Mi-cro/Nanotechnoloeies and Electron Devices (EDM). 2010 International Conférence and Seminar. pp. 220-223.

6. Дроздова В.Г. «Об анализе вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей класса WiMAX с фиксированными форматами кадров». Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций». материалы конференции, том I. Новосибирск. 2009. с.233-235.

7. Дроздова В.Г.. Рукосуев А.Ю. «Анализ характеристик протокола IEEE 802.11 с распределенной координационной функцией». Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2009, с. 235-236.

8.. Дроздова В.Г. «Анализ вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей-класса WiMAX с фиксированными форматами кадров», 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2009, с. 153-156.

■ 9. . Дроздова В.Г.. «WiMAX: замечательные характеристики и их пределы;), журнал «Инфосфера», Декабрь 2009, №44. стр. 18-20.

10. Дроздова В. Г., «Анализ вероятностно-временных характеристик протокола управления множественным доступом сетей стандарта IEEE 802.16», Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2010, с.217-220.

11. Дроздова В.Г. «Анализ и оптимизация спектральной эффективности сигналов в системах подвижной радиосвязи», Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2007.

12. A. Markhasin, A. Kolpakov,. V. Drozdova. "Optimization of the Spectral and. Power Efficiency of M-ary channels' in wireless and mobile systems", Third International conference in Central Asia on Internet, the next generation of mobile, wireless and optical communications. Sept. 26-28,2007, Tashkent, Uzbekistan, Paper № 177, pp. 1-5.

13. Дроздова В. Г., Рукосуев А. Ю. «Сравнительный анализ характеристик протоколов множественного доступа», Российская научно-техническая конференция, «Ин- . форматика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2008.

14. V. Drozdova. "Analysis and Optimization of the spectral and Power efficiency of. M-ary Channels in wireless and mobile systems", 9th International workshops and tutorials on • Electron Devices 'and Materials, 1-5 July, 2008, ErJagol, p.137-139.

15. A. Markhasin, V. Drozdova, "QoS-Aware multifunctional Radically Distributed MAC for Wireless Large-Scale RRD-Areas",.IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2008", p.389-394.

16. • Дроздова В. Г., Филимонова Н.А., «Анализ энергозатрат на передачу данных в м-ричном канале со стиранием». Вестник СибГУТИ, сентябрь 2008, №2, стр. 9-13.

17. Белов М. А., Дроздова В. Г., «Имитационное моделирование характеристик МАС-протоколов беспроводных и мобильных сетей», Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2010, с.104-105.

18. ■ Дроздова В., Об эффективности MAC- протокола стандарта IEEE 802.16 (WIMAX), журнал «Мобильные телекоммуникации». №2-3.2010. с. 56-60.

19. Дроздова В. Г., «Разработка имитационной модели для исследования веро- ■ ятностно-временных характеристик МАС-протокола .WiMAX», Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио «Информатика и проблемы телеком- ■ муниканий», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2011,.с.245-247.

Дроздова Вера Геннадьевна

Исследование вероятностно-временных характеристик протоколов управления множественным доступом в беспроводных компьютерных

сетях WiMAX

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать "17" мая 2011 г. Формат бумаги 60x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, изд.л.1,6, заказ № 30, тираж 100 экз., ГОУ ВПО "СибГУТИ". 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86.

Список использованных сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И АКТУАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ WIMAX.

1.1 Вводные замечания.

1.2 Аналитический обзор работ и моделей оценки ВВХ мобильных сетей WiMAX.

1.3 Обоснование целей и актуальных задач диссертационного исследования.

1.4 Выводы.

2 РАЗРАБОТКА РЕАЛИСТИЧЕСКИХ ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ WIMAX. г 2.1 Вводные замечания.

2.2 Описание WiMAX.

2.2.1 Особенности МАС-подуровня стандарта IEEE 802.16.

2.2.2 Архитектура сети WiMAX.

2.2.3 Структура кадров и распределение канальных ресурсов.

2.3 Разработка функциональной модели WiMAX.

2.4 Выводы.

3 ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА ОЦЕНКИ ВВХ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ WIMAX.

3.1 Вводные замечания.

3.2 Адаптация численно-аналитического метода баланса интенсивностей нагрузок.

3.2.1 Модель МАС-протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра.

3.2.2 Модифицированный метод баланса интенсивностей нагрузок.

3.2.3 Использование механизмов свободного доступа для передачи запросов полосы.

3.2.4 Вычисление вероятностно-временных характеристик.

3.2.5 Решение уравнения баланса для системы с ожиданием.

3.3 Метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

3.4 Выводы.

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВВХ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ WIMAX.

4.1 Вводные замечания.

4.2 Исследование влияния системных параметров МАС-протокола WiMAX на зависимости ВВХ.

4.2.1 Влияние размера запроса полосы (Bandwidth Request) на характеристики WiMAX.

4.2.2 Влияние длительности суперкадра (количества информационных слотов) на характеристики WiMAX

4.2.3 Сравнение методов множественного доступа в стандарте IEEE 802.16.

4.2.4 Влияние емкости локальных очередей на ВВХ МАС-протокола WiMAX.

4.3 Исследование зависимостей ВВХ WiMAX от параметров внешней среды.

4.3.1 Влияние времени распространения на ВВХ стандарта.

4.3.2 Влияние помех на характеристики WiMAX.

4.4 Выводы.

5 РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ВВХ WIMAX.

5.1 Вводные замечания.

5.2 Разработка имитационной модели.

5.2.1 Обслуживание запросов.

5.2.2 Определение времени задержки.

5.3 Обработка результатов моделирования.

5.4 Экспериментальная проверка достоверности аналитических результатов.

5.5. Моделирование характеристик системы с ограниченной емкостью очереди.

5.6 Выводы.

Актуальность темы. Стандарт IEEE 802.16е-2005 (WiMAX) - это стандарт городских (MAN) и территориальных (WAN) сетей 4G мобильного беспроводного широкополосного доступа, описывающий протоколы физического уровня и подуровня управления доступом к среде (MAC — Medium Access Control). В качестве основного механизма управления множественным доступом к беспроводной среде стандартом предусматривается контролируемый доступ с резервированием (reservation) ^ресурсов беспроводной среды (MAC-R) , в суперкадрах фиксированного/предопределенного формата (RFS).

Современные технологии беспроводного широкополосного доступа (ШПД) развиваются по пути конвергенции услуг передачи данных, телефонии, телевидения и т.п. Интеграция различных типов информации в одной системе, с неодинаковыми требованиями к скорости передачи данных и времени задержки, обуславливает необходимость обеспечения соответствующих механизмов управления качеством обслуживания (QoS -Quality of Service).

Новые технологии требуют разработки адекватных методов анализа, учитывающих реалистические условия функционирования сети и внутреннюю структуру протокола управления множественным доступом в среду. Важнейшие результаты в области теории множественного доступа были получены А. Б. Мархасиным [8, 12, 13], В. А. Михайловым [68-69], С.

И. Самойленко [66], Г. Г. Стецюра [65], Б.С. Цыбаковым [60, 68-69], N. Abramson [61], L. Kleinrock [5-6, 31], S. S. Lam [67], F.A. Tobagi [31], L.G. Roberts [30], I. Rubin [64] и др.

Системы класса WiMAX описываются многомерными моделями распределенных в пространстве очередей, с приоритетным обслуживанием неоднородных потоков нагрузки. Следует отметить, что задачи анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) таких сложных ^мультисервисных систем, как правило, имеют аналитические решения лишь при сильных упрощающих допущениях, не позволяющих учесть такие важные характериситики реальных сетей, как вероятности ошибок, неоднородности входных нагрузок, реальные входные потери, повторные потоки переспросов, время распространения сигналов в беспроводной среде, системные параметры протоколов MAC, дисциплины обслуживания и т.п. Например, известны решения задач анализа протоколов WiMAX с помощью моделей Марковских цепей (А. В. Винель [20-25], А. И. Ляхов [19, 21], А. М. Тюрликов [20, 22], G. Bianchi [16], К. Chen [32], A. Doha [26-28], Н. Hassanein [26-28], М. Lott [20], Q. Ni [21-22], Y. Zhang [20-21], Y. Zhou [32] и др.), в которых не удалось в полной мере оценить эффективность работы МАС-протоколов в реальных условиях функционирования из-за упрощающих ограничений.

В монографии В. Вишневского и О. Семеновой [63] авторы с помощью метода преобразований Лапласа-Стилтьеса (ПЛС) получили решение задачи анализа ВВХ для протоколов управления доступом к беспроводной среде вида МАС-Р, действующих на основе механизм опроса (polling). В работах Мархасина А. Б. [13, 43] были исследованы ВВХ WiMAX-образного МАС-протокола для гибридных сетей DVB-RCS/WiMAX с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок. Метод баланса интенсивностей нагрузок, а также имитационное моделирование позволяют снять перечисленные выше упрощающие допущения и получить ВВХ МАС-протокола WiMAX с более полным учетом реальных условий функционирования.

Наиболее существенные результаты имитационного моделирования в программных средах NS-2, OpNet, QualNet были представлены в работах М. Bardazzi [40-41], С. Cicconetti [33-36], A. Erta [34-36], R. Fantacci [40-41], J. Gómez [38-39], O. Gusak [37], L. Lenzini [33-36], E. Mingozzi [33-34], N. Oliver J37], J. Ortiz [38], V. Rangel [38-39], K. Sohraby [37], D. Tarchi [40-41] и др. Такой метод оценки ВВХ позволяет получить достаточно точные результаты, однако имитационные модели не приспособлены для поиска закономерностей и оптимальных решений и их применение более 8 эффективно для экспериментальной проверки и уточнений аналитических методов.

В диссертационной работе предложена методика расчета вероятностно-временных характеристик МАС-протокола WiMAX на основе метода баланса интенсивностей нагрузок, позволяющая учесть реальные условия функционирования сети (ненасыщенные очереди, время распространения, помехи в радиоканале) и внутренние параметры протокола (длительности суперкадров, размеры запросов полосы, емкости очередей, количество повторных переспросов и т.д.)

Основной целью диссертационной работы является разработка численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры протокола (реалистические условия). Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1) Обоснование актуальных задач анализа и моделирования реалистических вероятностно-времек'лых характеристик (ВВХ) мобильных сетей четвертого поколения WiMAX.

2) Разработка реалистической расчетной модели МАС-протокола WiMAX четвертого поколения.

3) Развитие метода баланса интенсивностей нагрузок и анализ особенностей решения задач оценки ВВХ сетей стандарта IEEE 802.16.

4) Численные исследования вероятностно-временных характеристик мобильных сетей WiMAX для реалистических условий.

5) Разработка и программная реализация имитационной модели, моделирование ВВХ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории множественного доступа, теории систем массового обслуживания и теории математической статистики, а также имитационное моделирование.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) Впервые разработана методика расчета вероятностно-временных характеристик МАС-протокола сетей WiMAX на основе метода баланса интенсивностей, позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей. t *•

2) Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

3) Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности МАС-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки и параметров форматов суперкадров, задающие законы адаптации форматной структуры суперкадров к переменной нагрузке.

4) Разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16, позволяющая исследовать реалистические ВВХ сетей WiMAX.

Практическая ценность и реализация результатов. Полученные результаты позволяют оценить характеристики производительности мобильных сетей WiMAX четвертого поколения, что может быть ч ~ использовано при их построении. Проведенные численные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу для адаптации МАС-протоколов сетей WiMAX четвертого поколения к условиям удаленных, труднодоступных и малонаселенных территорий.

Полученные в диссертационной работе результаты используются в учебном процессе Кафедры телекоммуникационных сетей и вычислительных средств ГОУ ВПО «Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики», а также Томским филиалом ОАО «Ростелеком».

Апробаг^ия работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научнок технических конференциях: Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2007); Third International conference in Central Asia on Internet, the next generation of mobile, wireless and optical communications (Sept. 26-28, 2007, Tashkent, Uzbekistan); Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2008); 9th International Workshops and tutorials on Electron Devices and Materials (1-5 July 2008, Erlagol); IEEE Region ,,8 conference "SIBIRCON-2008" (Novosibirsk, 2008); Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2009); 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2009 (Алтай, Июль

2009); Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2010); The IASTED International Conference on Automation, Control, and Information Technology

Information and Communication Technology - ACIT-ICT (Novosibirsk, June 1518, 2010); 11-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2010 (Алтай, Июль

2010); IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2010" (Irkutsk, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК. Результаты отражены в отчетах по грантам и НИР,.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Методика расчета вероятностно-временных характеристик МАС-протокола стандарта IEEE 802.16, основанная на сведении задачи анализа МАС-протокола WiMAX к известной задаче анализа характеристик

11 протокола контролируемого множественного доступа с фиксированным форматом кадра.

2) Решение и программная реализация численной задачи анализа вероятностно-временных характеристик МАС-протокола WiMAX.

3) Результаты имитационного моделирования протокола управления доступом к беспроводной среде WiMAX.

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа поддерживалась грантами компании Alcatel-Lucent.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс. Они использовались при чтении курсов лекций на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств (ТС и ВС) ГОУ ВПО «СибГУТИ» по дисциплине «Основы теории средств связи с подвижными объектами ».

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным имитационным моделированием (отношение величины

-среднеквадратического отклонения и среднего значения величины, полученной методом баланса интенсивностей нагрузок, не превышает 13%), согласованностью с данными, имеющимися в отечественной и зарубежной литературе.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемых источников и трех приложений.

Основные выводы и рекомендации сводятся к следующему:

1. Выполнено сведение задачи анализа МАС-протокола WiMAX к известной задаче анализа вероятностно-временных характеристик протокола множественного доступа к беспроводной среде с фиксированным форматом кадра с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок.

2. Разработана реалистическая расчетная модель МАС-протокола WiMAX, учитывающая внутренние особенности стандарта и воздействие факторов внешней среды, включающая в себя механизмы множественного доступа, форматы кадров, пространственно-временные диаграммы стандарта IEEE 802.16 для схем с частотным и временным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов, вероятностный граф, отражающий возможные состояния системы, интенсивности нагрузки в сечениях сети и 'вероятности переходов из одного состояния в другое.

3. Разработана методика расчета и численного решения задачи анализа вероятностно-временных характеристик МАС-протокола сетей WiMAX, позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей. v

4. Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

5. Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности МАС-протоколов сетей \¥МАХ в функции от интенсивности входной нагрузки, демонстрирующие влияние параметров внешней среды и внутренней структуры протокола на эффективность системы:

5.1. Показана необходимость адаптации формата кадра к изменению интенсивности входной нагрузки для обеспечения динамического управления распределением ресурсов полосы и дифференцированными показателями качества обслуживания С^оБ.

5.2. Установлено, что увеличение времени распространения не приводит к деградации характеристик времени задержки, что демонстрирует устойчивость МАС-протокола резервирования \ViMAX к увеличению расстояния между приемопередатчиками БС и МС.

5.3. Выявлено, что увеличение размера запроса полосы с 3 до 6 байт приводит к увеличению начальной задержки и снижению пропускной способности на 4%.

5.4. Установлено, что при ма?ых нагрузках и низких требованиях к качеству обслуживания использование механизмов свободного доступа более эффективно, чем использование резервирования, однако увеличение нагрузки и требований к С^оБ требует использования механизмов контролируемого доступа.

5.5. Исследовано влияние помех в канале связи на характеристики МАС-протокола \ViMAX, в результате чего было установлено, что ухудшение радиоусловий приводит увеличению начальной задержки и к уменьшению пропускной способности. При вероятности ошибки передачи запроса равной 0.05 пропускная способность снижается на 8%. t позволяющая исследовать реалистические вероятностно-временные характеристики сетей WiMAX, учитывающая форматы кадров и вероятность их переполнения, емкость локальных очередей, число повторных передач в случае переполнения, время распространения.

С помощью имитационного моделирования была продемонстрирована достоверность аналитических результатов, полученных численноаналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок.

Среднеквадратическое отклонение при росте нагрузок от 0.1 до 0.75 Эрланг t изменяется от 1-3% до 7-15%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-Квалификационной работой, в которой автором поставлена и решена актуальная задача разработки численно-аналитических моделей и анализа вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры стандарта. Решение данной задачи имеет важное теоретическое и практическое значение для исследования протоколов управления множественным доступом к беспроводной среде WiMAX с целью повышения их эффективности.

1. IEEE Std IEEE 802.16-2009 (Revision of IEEE Std IEEE 802.162004). IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Wireless Broadband Access Systems// IEEE. 2009. 29 May.

2. IEEE Std IEEE 802.16e-2005. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Access Systems// IEEE. 2006. 28 February.

3. IEEE Std 802.11-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999). IEEE ' Standard for Information technology Telecommunications and informationexchange between systems Local and metropolitan area networks - Specific requirements // June 2007.

4. H. Zimmermann OSI Reference Model The ISO Model of

5. Architecture for Open Systems Interconnection // The IEEE Trancactions on Communications, vol. 28, no. 4, April 1980, pp. 425-432.

6. Дж. Риордан, Вероятностные системы обслуживания, М.: Связь, 1966,184 с.

7. JI. Клейнрок, Вычислительные системы с очередями, Пер.с англ.под ред. Б.С. Цыбакова. М.: Мир, 1979, 600 с.

8. Л. Клейнрок, Теория массового обслуживания, М.: Машиностроение, 1979. -432 с.

9. Мархасин А. Б. Архитектура радиосетей передачи данных. — Новосибирск: Наука, 1984. — 145 с.

10. JI. 3. Рушимский, Математическая обработка результатов эксперимента, Справочное руководство, М.: Наука, 1971, 192 с.

11. В. Вишневский, С. Портной, И. Шахнович, Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. М.: Техносфера, 2009, 471 с.

12. И. Шахнович, Современные технологии беспроводной связи, М.: Техносфера, 2006, 288 с.

13. А.В. Markhasin, "Multi-Access with Dynamic Control of the Traffic and Service Quality in Broadban-d ATM Networks", Optoelectronics,

14. Instrumentation and Data Processing, 1996, No 3, pp. 93-99.

15. Мархасин А. Б. Задачи анализа и оптимизации мультисервисных мобильных сетей // Автометрия, 2008, т. 44, №5, с. 123-134.

16. A. Markhasin, "MAC Fundamentals of Satellite-Basedу

17. Bianchi, G., "Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function," IEEE Journal on Selected Area in Communications, VI8, N3, 2000.

18. A. Kopsel, J.-P.Ebert, A. Wolisz, "A Performance Comparison of

19. Point and Distributed Coordination Function of an IEEE 802.11 WLAN in theth

20. Presence of Real-Time Requirements", Proc. 7 International Workshop MoMuc'2000, Waseda, Japan, Oct. 2000.

21. L. Bononi, M. Conti, L. Donatiello, "Design and Performance Evaluation of Distributed Contention Control (DCC) Mechanism for IEEE 802.11 Wireless Local Area Network," J. Parallel Distrib. Comput, 2000, V.60, N.4.

22. V. W. Vishnevsky, A. I. Lyakhov, N. N. Guzakov, "Evaluation of the

23. Maximal Carrying Capacity of Wireless Internet Access", Automation and Remoteit

24. Control, vol. 65, no. 9, part 2, Sept., 2004.

25. Vinel A., Zhang Y., Lott M., Turlikov A. "Performance Analysis of the Random Access in IEEE 802.16", Proceedings of the 16th Annual IEEE1.ternational Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications -IEEE PIMRC'05, Berlin, Germany, 2005.

26. Vinel A., Zhang Y., Ni Q. and Lyakhov A., "Efficient Request Mechanisms Usage in IEEE 802.16", Proceedings of 49th IEEE Global Telecommunications Conference IEEE GLOBECOM'06, San Francisco, California, USA, November-December 2006.

27. Q. Ni, A. Vinel, Y. Xiao, A. Turlikov, T. Jiang, "Investigation of bandwidth request mechanisms under point-to-multipoint mode of WiMAX networks", IEEE Communication Magazine, May 2007, pp. 132-138.

28. Винель A.B. "Анализ механизмов передачи запросов по протоколу IEEE 802.16 в канале с шумом", Сб. тр. Политехнического Симпозиума "Молодые ученые промышленности Северо-Западного Региона", декабрь 2006 / ГПУ, СПб, 2006, с. 51-52.

29. Винель А.В., "Анализ случайного доступа протокола IEEE 802.16 при большом числе абонентов", VIII научная сессия ГУАП: Сб. докл. / ГУАП, СПб, 2005, с. 272-275.

30. A. Doha, Н. Hassanein "IEEE 802.16 Multiple Access Control: resources allocation for reservation-based traffic," Book chapter in WiMAX Technologies, Performance Analysis, arid QoS. CRC Press, Taylor and Francis'Group, 2007, pp.173-210.

31. A. Doha, H. Hassanein, G. Takahara "On the effect of reservation period on performance of IEEE 802.16 R-MAC protocol," Wiley International Journal on Wireless Communications and Mobile Computing, vol.9, Oct. 2008, pp. 1251-1263.

32. A. Doha, Н. Hassanein "Opportunistic Performance Enhancement of Reservation Multiple Access Protocols of Wireless Broadband Networks", submitted for publication, 2009.

33. L.G. Roberts, "Aloha Packet System With and Without Slots and Capture", ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 1972, pp. 28-42.

34. L. Kleinrock , F.A. Tobagi, "Packet Switching in Radio Channels. Part 1. Carrier Sense Multiple-Access Methods and their Throughput-Delay Characteristics", IEEE Transaction on Communications, vol. COM-23, December975, pp. 1400-1416.

35. Y. Zhou, K. Chen, J. He, H. Guan, Y. Zhang, A. Liang, "Service differentiation in OFDM-Based 802.16 networks", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Vol. 2009, 10 pages.

36. C. Cicconetti, L. Lenzini, E. Mingozzi, "Quality of Service Support in IEEE 802.16 Networks", IEEE Network, March/April 2006, pp. 50-55.

37. C. Cicconetti, A. Erta, L. Lenzini, E. Mingozzi, "Performance ^evaluation of the IEEE 802.16 MAC for QoS Support", IEEE Transaction onmobile computing, vol. 6, No.l, January 2007, pp. 26-38.

38. C. Cicconetti, I. F. Akyildiz, L. Lenzini, "Bandwidth Balancing in Multi-Channel IEEE 802.16 Wireless Mesh networks", Proc. of the 26th Annual IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM 2007), Anchorage (USA), May 6-12, 2007.

39. A. Erta, C. Cicconetti, and L. Lenzini, "A downlink data region1 „allocation algorithm for IEEE 802.16e OFDMA", Proceedings of the 6th1.ternational Conference on Information, Communications and Signal Processing

40. ICS '07), pp. 1-5, Singapore, December 2007.100

41. O. Gusak, N. Oliver, К. Sohraby, "Performance Evaluation of the 802.16 Medium Access Control Layer", Lecture Notes on Computer Science, vol.3280, pp. 228-237, 2004.

42. V. Rangel, J. Gómez, J. * Ortiz, "Performance Analysis of QoS Scheduling in Broadband IEEE 802.16 Based Networks", Proc. of OPNETWORK Technology Conference, vol 1566, Washington, USA, August 2006.

43. Tarchi, D., R. Fantacci, -and M. Bardazzi, "Quality of Serviceч

44. Management in IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks", IEEE International Conference on Communications, vol. 4, Istanbul, IEEE, pp. 1789 -1794, 06/2006.

45. Fantacci, R., D. Tarchi, and M. Bardazzi, "Performance Evaluation of the MAC Protocol in IEEE 802.16 Systems with Data and VoIP Traffic Scheduling", WIRELESS COMMUNICATIONS AND MOBILE COMPUTING, vol. 9, issue 1, pp. 35-46, 01/2009.- r

46. Дроздова В. Г., Рукосуев А. Ю. "Сравнительный анализ характеристик протоколов множественного доступа", Российская научно-техническая конференция, "Информатика и проблемы телекоммуникаций", материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2008, с.277-279.

47. A. Markhasin, V. Drozdova, "QoS-Aware multifunctional Radically Distributed MAC for Wireless Large-Scale RRD Areas", IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2008", p.3 89-3^4t *

48. EE 802.11 с распределенной координационной функцией", Российская научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций", материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2009, с. 235-236.

49. Дроздова В.Г. "Анализ вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей класса WiMAX с фиксированными форматами кадров", 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2009, с. 153-156.

50. Дроздова В.Г., "WiMAX: замечательные характеристики и их пределы", журнал "Инфосфера", Декабрь 2009, №44. стр. 18-20.

51. Дроздова В.Г., "Анализ эффективности беспроводных сетей WiMAX", журнал "Молодой ученый", № 1-2, том 1, Февраль 2010, с.54-59.

52. Дроздова В., "Об эффективности MAC- протокола стандарта IEEE 802.16 (WIMAX)", журнал "Мобильные телекоммуникации". №2-3, 2010. с. 56-60.

53. Дроздова В. Г., "Вероятностно-временные характеристики мобильных и беспроводных сетей стандарта IEEE 802.16", журнал "Телекоммуникации", №4, апрель 2010, с.29-36.

54. Дроздова В. Г., "Вероятностно-временные характеристики систем WiMAX", 11-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2010, с.220-223.

55. A. Markhasin, V. Drozdova, "Performance Analysis of the mobile WiMAX systems", IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2010", Irkutsk Listvyanka, Russia, July 11-15, 2010, pp.345-349.

56. Дроздова В.Г. "Анализ и оптимизация спектральной эффективности сигналов в системам подвижной радиосвязи", Российская научно-техническая конференция "Информатика и проблемы телекоммуникаций", материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2007, с.279-290.

57. V. Drozdova, "Analysis and Optimization of the spectral and Power efficiency of M-ary Channels in wireless and mobile systems", 9th International workshops and tutorials on Electron Devices and Materials, 1-5 July, 2008, Erlagol, p.137-139

58. Дроздова В. Г., Филимонова Н.А., "Анализ энергозатрат на передачу данных в лиричном каналз со стиранием", Вестник СибГУТИ,сентябрь 2008, №2, стр. 9-13

59. Б. С. Цыбаков, М. А. Берковский, Множественный доступ с резервированием, Пробл. передачи информ., 16:1 (1980), 50-76.

60. N. Abramson, "The Aloha System Another Alternative for Computer Communications", AFIPS Conference Proceedings, 37, 1970, pp. 281285.

61. E. С. Вентцель, «Исследование операций», M. «Советское радио», 1972, 572 стр.

62. Вишневский В., Семенова О., Системы поллинга: теория и применение в широкополосных беспроводных сетях. Москва: Техносфера, 2007 г. 312 с.

63. Rubin I., Access-control disciplines for multi-access communication "channels: Reservation and TDMA schemes // IEEE Transactions on Information Theory. V. IT-25. May 1979. P. 516-536.

64. Прангишвили И.В., Подлазов B.C., Стецюра Г.Г. Локальные микропроцессорные вычислительные сети. -М.: Наука, 1984.

65. С. И. Самойленко, А. А. Давыдов, В. В. Золотарев, Е. И. Третьякова, Вычислительные сети: Адаптивность, помехоустойчивость, надежность. М. : Наука, 1981. - 277 р.

66. S. S. Lam, "A carrier sense multiple access protocol for local networks," Computer Networks, no.4, pp. 21-32, 1980.

67. В. А. Михайлов, Б. С. Цыбаков, Верхняя граница для пропускной способности системы случайного множественного доступа, Пробл. передачи информ., 17:1 (1981), 90-95.

68. Б. С. Цыбаков, В. А. Михайлов, Свободный синхронный доступ пакетов в широковещательный канат с обратной связью, Пробл. передачи информ., 14:4 (1978), 32-59.модели1. Вход ") 11. Исходные данные