автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод дистанционной маршрутизации для управления работой беспроводных ячеистых информационных систем

На правах рукописи

ИБРАХИМ ФАДИ ГАССАН

МЕТОД ДИСТАНЦИОННОЙ МАРШРУТИЗАЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ БЕСПРОВОДНЫХ ЯЧЕИСТЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

СИСТЕМ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (связь и информатизация)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДЕН 2008

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена на кафедре «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» Владимирского государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Руфицкий Михаил Всеволодович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кобзев Александр Архипович кандидат технических наук, доцент Макаров Леонид Михайлович

Ведущее предприятие: ОАО «Владимирский конструкторское бюро радиосвязи»

Заппгг^иссертации состоится г. —

в ///-часов на заседании специализированного совета Д 219.004.02 в ауд.^^корп. _ Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 196186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкг- Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А Бонч-Бруевича.

Автореферат разослан « Ж

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу совета университета: 196186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61, ученому секретарю диссертационного совета Д.219.004.02.

Ученый секретарь

специализированного совета .....—

кандидат технических наук, доцентВ.Х. Харитонов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Научно-технический прогресс в сфере системы передачи информации движется с огромной скоростью. В настоящее время идет процесс развития беспроводных информационных технологий. Одной из таких технологий являются беспроводные ячеистые информационные системы (БЯИС).

Основными задачами беспроводных ячеистых информационных систем являются: а) обеспечение управления прямой связью между вершинами системы без базовой станции; б) управление данными БЯИС для обеспечения связи в удаленных и труднодоступных местностях; в) обеспечение управления связью в чрезвычайных ситуациях.

На качество беспроводной связи немалое влияние оказывают пропускная способность и площадь покрытия связью. Поэтому необходимо создать модель управления беспроводной ячеистой информационной системой с высокой пропускной способностью, отвечающую всем современным требованиям.

Разработка методов и алгоритмов управления БЯИС - сложная комплексная задача, требующая согласованного решения ряда вопросов-.

- выбора рациональной структуры (определяется состав элементов и звеньев системы, их расположение, способы соединения);

- выбора типа каналов передачи информации между узлами системы и оценки их пропускной способности для обеспечения управления системой;

- распределения аппаратных, информационных и программных ресурсов по звеньям беспроводных каналов; защиты прав пользователей, циркулирующих в системе;

- оптимального использования пропускной способности и расширения площади покрытия связью БЯИС.

Система должна быть проста по структуре, относительно недорога для производства, доступна для потребителей.

Целью диссертационной работы является разработка метода дистанционной маршрутизации для управления работой БЯИС с расширением площади покрытия связью и сохранением высокой пропускной способности.

Поставленная цель может быть достигнута при условии решения следующих задач:

- исследовании характеристик БЯИС;

- разработки математической модели пропускной способности информационных каналов;

- разработки рациональной структуры БЯИС с применением дистанционного средства управления (СУ);

- разработки метода управления возможными вариантами информационного обмена;

- разработки алгоритма определения маршрута с минимальным шумом в информационных каналах.

Методы исследования. В работе использованы методы математической модели, системный подход и системный анализ в управлении, теории принятия решений и моделирования.

Научная новизна работы заключается в разработке метода управления БЯИС, на основе которого предлагается структура, улучшающая ее характеристики.

1. Разработана математическая модель управления пропускной способностью информационных каналов.

2. Предложена новая структура БЯИС с повышенной площадью покрытия связью и высокой пропускной способностью на основе разработанной математической модели.

3. Разработан алгоритм определения маршрута с минимальным шумом в информационных каналах

4. Разработан алгоритм определения минимального расстояния между передающим и принимающим узлами в БЯИС.

Практическая ценность работы. Разработанная структура БЯИС на основе управления данными предназначена для развития технологий управления информационным обменом, в том числе с подвижными объектами.

Разработан метод управления возможными вариантами информационного обмена.

Полученные результаты позволяют создать беспроводные системы управления работой оборудования промышленных предприятий.

Реализация и внедрение результатов. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы использовались при выполнении научно-исследовательских работ с участием автора диссертации.

Основные результаты диссертационной работы позволяют создать беспроводные системы управления работой оборудования промышленных предприятий.

Апробация работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались в период с 2005 по 2008 гг.

- на заочной конференции «Инновационные технологии в проектировании»;

- на международном симпозиуме «Надежность и качество - 2008»;

- на научно-технических семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» ВлГУ.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 3 работах, в числе которых 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, а также научно-технических отчетах о применении разработанной структуры БЯИС на базовом предприятии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 99 страницах и иллюстрированных 36 рисунками, и 9 таблицами, а также списка литературы из 76 наименований и 10 приложений.

На защиту выносятся:

- математическая модель пропускной способности информационных каналов;

- структура БЯИС с применением дистанционного сродстваупраачения;

- метод управления обменом данными в БЯИС;

- алгоритм определения маршрута в БЯИС.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов диссертации.

В первой главе дается определение, анализ и исследование основных характеристик существующих беспроводных ячеистых информационных систем, принципы их построения и управление передачей информации в них, рассматривается пропускная способность как один из основных показателей работы БЯИС, надежность передачи данных и управление ресурсами БЯИС, приводится классификация ячеистых информационных систем.

По результатам анализа и исследования характеристик БЯИС было выявлено, что пропускная способность ухудшается при увеличении числа скачков и длины пробега (рис. 1), где скачок - это связь от одного узла к следующему.

Рис. 1. Зависимость пропускной способности от количества скачков

Практика показывает, что для одноканального единственного радио максимизированная пропускная способность достигается при радиусе действия каждого узла, установленном в 29 м.

—Г^отускная способность (НЬри)

К 8 » 8 £

Расстояние (м)

Рис. 2. Зависимость пропускной способности от расстояния между узлами

Из рис. 2 видно, что передача информации между узлами, которые находятся на маленьких расстояниях между собой, совершается на высокой пропускной способности.

Рис. 3. Зависимость пропускной способности от количества каналов

Рис. 3 показывает максимальную пропускную способность для различных каналов. Видно, что с повышением количества каналов пропускная способность растет линейно, но коэффициент роста замедляется при количестве каналов больше 6, и при увеличении количества каналов более чем 10 дальнейшего усиления не получается. Максимальная пропускная способность - максимально достижимый трафик, который можно нести одновременно на каждой связи, поддерживая приемлемо низкую норму потери пакетов.

Привлекательность ячеистой топологии заключается в относительной устойчивости к перегрузкам и отказам. Ширина полосы лучше управляет ресурсами в окружающей среде мультирадио. Использование МР-БЯИС обеспечивает плавное ухудшение качества вместо полной потери связи.

На основании проведенного анализа определяется практическая необходимость и актуальность решения задач, подлежащих исследованию и разработке.

Вторая глава посвящена вопросам разработки математической модели пропускной способности БЯИС и рациональной структуры управления информационными каналами с учетом их основных характеристик.

Обнаруживается степень увеличения обеспечения информационным обменом: за счет увеличения радиуса передачи каждая вершина способна поддержать связь с большим количеством вершин на одном «прыжке». Очевидно, существует оптимальный радиус передачи, который развертывает доступную пропускную способность. Узлы беспорядочно распространены, поэтому число узлов в поле радиуса г определяется по Пуассону:

вероятность (г событий в 1 единицу времени) =- г = 0,1,2,... .

т.е. , = 0,1,2,. .(1)

где А = л г2 - площадь, покрытая передачей; ХА - ожидаемое число узлов в радиусе передачи.

Средняя степень плотности узлов в радиусе: N = кЛ.

Приведем (1) к виду:

Ь-Щ?..

В случае, когда все узлы используют тот же самый радиус передачи, ясно, что узея услышит те же узлы, которые слышат его, и, значит, Н = И:

-ЛГ

- /' = 0,1,2,...

Для подсчета числа успешных передач в любом кадре определяется ц - вероятность узла, успешно получающего пакет в кадре, и ^ - вероятность узла, успешно получающего пакет в кадре, в случае если он «слышит» узел /. Для упрощения уравнения предполагается, что каждый узел в БЯИС использует одинаковую вероятность передачи;?.

Случай А1 представляет, что узел / слышит другие узлы, тогда

Если не ограничиваться условием числа слышащих узлов, то получается вероятность э успешного получения пакета в любом специфическом кадре:

1 = 1 ¿=1 Из полученной суммы следует:

5 = ре-мР-ре-К, (2)

где еы - вероятности ненахождения других узлов в диапазоне узла.

Для соблюдения параметров стабильности (чтобы не перезагрузить информационный канал) вероятность передачи р должна уменьшаться при увеличении N и фактически быть пропорциональна 1/N.

Второй член в уравнении Остановится тогда незначительным по сравнению с первым, сюда следует

S=Pe'Np (3)

Оптимизируя для р, имеем D -

* opt

i

opt дг

Подставляя эту величину в уравнение 2 делаем вывод, что для подключенной сети (№-4) предположение незначительности члена Ре~Л' по сравнению с членом р оказывается верно.

рор! дает локальную пропускную способность б: <>' =

J_ Ne'

Ожидаемое число успешных передач в кадр для целой информаци-

онной системы s,

"с' Sx =

Ne

При условии N - п, все узлы услышат друг друга (очень большой радиус передачи), пропускная способность уменьшается до 1/е.

На рис. 4 Р - источник, предназначающий сообщение к <3 (фактически Р может быть одной из промежуточных точек вдоль пути, определенного матрицей маршрутизации). Любой пункт на дуге, центрированной в эквивалентен продвижению. Расстояние одного скачка г измерено от Р до этой дуги.

Рис. 4. Продвижение одного скачка Определяется следующее выражение:

F(z) = Jpг{Z<zЬíf*Л где А - заштрихованная область, составленная из двух сферических

сегментов Л; и^2>

А'г Аг = У'

2

яп(2фг)

Ф]=С05~

2 ,,2 г +х -у

=cos

2гх

2 2

У +х -г

2ху

Если источник Р достаточно отдален от узла то ожидаемое продвижение:

Г 0 2

При I = сое (Ф1) имеется:

2 - Г

-1

Л

2 ~ 1

iN 1^2

1 + е-1*- I е -1

1 N

СОБ

л

Обнаруживается функция/= г/г (рис. 5).

Рис. 5. Ожидаемый коэффициент прогресса продвижения в зависимости от функции ожидаемой степени N

Ожидаемое расстояние (1 между любыми двумя произвольными точками в этом радиусе вычисляется:

45тг

Таким образом, определяется среднее число скачков й:

1

й = - = — г 45я

N

/

1+1

-м

Теперь можно определить истинную пропускную способность БЯИС у:

У-

128 45л

П

КМу

\У2

(4)

Уравнение (4) показывает пропускную способность информационных

Рис. 6. Нормализованная пропускная способность

На рис. 6 показана нормализованная пропускная способность, максимальная пропускная способность отмечается в точке N = 5,89, в которой дана оптимальная пропускная способность информационных каналов.

При увеличении площади покрытия БЯИС пропускная способность уменьшается, поэтому для сохранения пропускной способности предлагается новый метод управления системой для расширения площади покрытия связью.

Распределение каналов к поверхностям раздела (радио) оказывает большое влияние на сквозную пропускную способность. Как показывает практика, при использовании до 6 каналов пропускная способность увеличивается линейно и ее рост снижается при дальнейшем увеличении каналов. При работе с высокой пропускной способностью расстояние между вершинами невелико; чем выше пропускная способность, тем меньше расстояние, поэтому наиболее рациональна структура БЯИС, изложенная далее (см. рис. 7).

Маршрутизатор

Рис, 7. Структура БЯИС-СУ

Вариантом сохранения пропускной способности информационных каналов является выделение для каждого из узлов БЯИС дополнительного канала связи с центральным дистанционным маршрутизатором. При такой структуре каждый узел информационной системы имеет семь каналов с различными функциями. Один канал настроен на узел в определенный период времени в определенном месте, служит для приема информации. Пять каналов - динамические, для отправки информации. Из этих пята каналов некоторые при необходимости можно использовать как настроенные (в случаях, когда только данный узел принимает информацию), улучшая этим пропускную способность. У этих шести каналов высокая пропускная способность, используются для обмена информацией. Для увеличения площади ячеистой информационной системы используется седьмой канал с низкой пропускной способностью и большим расстоянием. Этот канал предполагает управление трафиком и оптимизацию использования данных каналов. Он общий, используется для управления БЯИС. На этом канале будет применяться ТОМ.

Маршрутизатор, являющийся дистанционным средством управления (СУ), корректирует работу каналов и находит оптимальное решение для их использования. Для решения задачи маршрутизации каждый из узлов БЯИС содержит спутниковый навигационный приемник, с которого на СУ по седьмому каналу передаются текущие координаты узла. Маршрутизатор, имея информацию о координатах всех узлов и их текущем состоянии, может сформировать команды на динамическое конфигурирование элементов системы для передачи информации по высокоскоростным каналам внутри этой системы.

Таким образом, сохраняется высокая пропускная способность БЯИС при существенном увеличении ее площади.

СУ представляет собой программно-аппаратный комплекс, предназначенный для решения задач контроля, управления и анализа Таким образом, оператор СУ имеет возможность визуально контролировать местонахождение подчиненных узлов, их состояние и управлять ими. Для обеспечения соединения узлов с СУ используется кадр сигнала передатчика. Схема кадра сигнала передатчика показана в таблице.

Кадр сигнала передатчика

Идент. Сост. Коорд. Поле Кол-во Получат., Контр. Защит.

узла, узла, узла, узла, пакетов, бит ошибок, область,

бит бит бит бит бит бит бит

24 18 16 120 8 24 8 8

Идентификатор узла - значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке датаграммы, закладывается в микросхему при произ-

водстве. Для каждого узла он единственный и идентичного нет. Без идентификатора теряется индивидуальный адрес получателя и отправителя. Этим объясняется актуальность его использования.

Наряду с координатами места к основным параметрам состояния узла относятся: 1) информация о настройке каналов; 2) информация о состоянии узла БЯИС, например: настроенный - динамический, свободный - занятый, работа - ожидание.

Для поиска координат узла используются позиционные приемники, например ГЛОНАСС; они точно определяют текущие координаты местоположения, погрешности не превышают десятков метров, и этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов.

Количество пакетов для отправки равно отношению объема сообщения к длине пакета. Кп = где Кп - количество пакетов, Ус - объем сообщения, - длина пакета Длина пакета одинакова для всех узлов и всех сообщений. Знание количества пакетов для отправки дает возможность параллельно отправлять пакеты на разные свободные каналы. Данные о количестве пакетов сообщаются СУ - маршрутизатору, он выбирает каналы (по возможности такое же количество) для передачи этих пакетов..Так сокращается время отправки.

Адреса получателей содержат идентификатор узла получателей с учетом контроля ошибок. Для предотвращения совмещения кадров используется защитная область - поле для определения конца кадра. Кадр сигнала СУ для обеспечения управления узлами БЯИС включает в себя: 1) идентификатор узла БЯИС; 2) информацию о состоянии каналов; 3) контроль ошибок передачи данных; 4) защитную область.

Использование в СУ информации о координатах каждого из узлов БЯИС позволяет достаточно легко определить маршруты передачи информационных сообщений. Идентификаторы свободных соседних узлов позволяют определить вершину, через которую будут передаваться или приниматься информационные сообщения, и маршрут, который будет при этом использоваться. Таким образом, применение описанного метода построения структуры управления БЯИС позволяет сохранить пропускную способность при значительном увеличении площади покрытия.

В третьей главе выполняется разработка метода управления возможными вариантами передачи информации в БЯИС, алгоритма определения маршрута с минимальным шумом и алгоритма определения минимального расстояния мезвду передающим и принимающим узлами в БЯИС.

1. Определяются два варианта работы БЯИС в зависимости от схем соединения вершин. Вариант А - отправка информации при совершении одного скачка и вариант Б - отправка информации при совершении нескольких скачков.

Структура управления передачей информации в БЯИС.

2. Метод определенна пути с минимальным шумом

распространяется на ориентированные графы. На рис. 8 на графе в задана функция Б: каждому ребру 1Ти, соединяющему вершины V, и у,, поставлена в соответствие некоторая мощность шума % Б={ 1ц>, 1, л = 1, 2, ... п. Находится такой связный подграф Ол = (Ут,ига), включающий в себя заданные две вершины V,,

Рис. 8. Граф С БЯИС

Уь £ Ущ, что суммарная длина его ребер будет минимальной:

л п

1=1.7=1

Подграф Ст представляет собой путь из вершины V, в вершину уь, т. е. такую последовательность ребер, в которой конец одного ребра служит началом другого.

Функция Б задается в виде квадратной матрицы ||1ц||пп, в которой = О, и для всех вершин р,я несоединенных ребром 1И= оо .

п п

Минимум целевой функции Ь = ху при ограничениях:

1=1 М

»=1 у=1

п п а л

./=1 ¡=1 1=1

Здесь переменная Х^ принимает значение 1 или 0 в зависимости от того, проходит или не проходит путь с минимальным шумом через это ребро.

3. Алгоритм определения минимального расстояния между передающим и принимающим узлами в БЯИС.

Задан полный граф БЯИС О = (V, Ц) с числом вершин п = [У|:

а) число ш ребер графа равно числу сочетаний из п по два:

II и(и-1)

т = \и = —--;

11 2

б)

число ш ребер любого п—вершинного дерева этого графа: ¡п* = и — 1;

в) число I различных л-вершинных деревьев графа: X = %п ~ 2. На графе О задана функция В: каждому ребру графа, соединяющему вершины V; и V) , поставлена в соответствие некоторая длина 1^: £ = {/,-,};/,/ = 1,2...... п.

Будем считать, что = со . Минимум целевой функции принимается за минимальное расстояние между узлами: £ = ПцП £ £ ^ .х„, при ограничениях

г I *» = п-1;

'=1 7=1

п п п п

Их^ЪЦх^К /,/=1,2,...,л.

]=\ /-1 /=1 1=1

Здесь перемененная х^ принимает значение 1 или 0 в зависимости от

того, включено или нет ребро графа в, соединяющее йо и .¡-ю вершины в

искомое дерево.

Четвертая глава посвящена исследованию характеристик используемой БЯИС, моделей и алгоритмов, лежащих в основе разработанных методик, используемых при создании БЯИС-СУ, на соответствие заложенным

характеристикам существующих беспроводных информационных систем, рассмотрены результаты апробации и практическая реализация разработанной в диссертации БЯИС-СУ.

Предложено описание модели разработанной БЯИС.

На основе математической модели, разработанной в диссертационной работе, была оптимизирована под задачи управления система, приведенная на рис, 9а. Из рисунка видно, что система не контролируется, узлы находятся в беспорядке, и трудно избежать столкновений.

«КЗ.. /«в

1® «да» '

Ъгс! [ НШ1

. <¿«7» ««л

•Di'j wsa ш '

ят я **7t fate?* чв»о

«я!

»в» • «й*Э

«ДО • ' Ч»*Д чея.О

Рис. 9а. Топология БЯИС без СУ, Рис. 96. Топология БЯИС-СУ,

где Node 1... .и - узлы системы где Node 1... .п - узлы системы

В результате моделирования получена структура БЯИС-СУ (рис. 96).

В представленной структуре БЯИС-СУ узлы упорядочены. Система контролируется маршрутизатором, который задает порядок связывания узлов между собой. Таким образом, снижается возможность столкновений и улучшается работа всей информационной системы.

По экспериментальным результатам сравнения топологии БЯИС сделан вывод, что разработанная структура беспроводной ячеистой информационной системы наиболее оптимальна и решает задачу управления информационным обменом, сохраняя при этом высокую пропускную способность.

При сравнении БЯИС-СУ с текущими БЯИС по результатам времени занятия системы проведены расчеты времени отправления информации, общего времени передачи информации в зависимости от количества узлов. На основании этого выявлено, что в предлагаемой БЯИС-СУ время передачи данных меньше, чем в существующих БЯИС; представлены результаты общего времени передачи информации в зависимости от количества узлов п.

Рис. 10. Зависимость времени передачи информации от количества узлов

Из рис. 10 видно, что в предлагаемой БЯИС достигается минимальное время передачи информации. Таким образом, разработанная система находится в максимальном режиме работы большее время по сравнению с текущими беспроводными ячеистыми системами.

Результаты моделирования средних задержек доставки информации в БЯИС показаны на графиках влияния скорости передачи данных на среднюю задержку доставки информации (см. рис. 11,12), влияния количества узлов на среднюю задержку доставки информации и влияния количества получаемых узлов на среднюю задержку доставки информации (см. рис. 13,14).

к я

Рис. 11. Влияние скорости передачи дан- Рис. 12. Влияние скорости передачи данных

ных на среднюю задержку на среднюю задержку доставки информа-

доставки информации, когда N узлов ции, когда N узлов отправят информацию к отправят информацию к М вершинам одной вершине

в I*

/

у

л ш

лг V л

и 1Л —- яй

1 г ^ * » с ^ } ия'си N «та те'/ "впав

\

лл ' <

ч

0 0102 (

о вам

1 с 4 3 с я т а 1

Рис. 13. Влияние количества узлов на Рис. 14. Влияние количества получаемых среднюю задержку доставки информации узлов па среднюю задержку

доставки информации

В заключении приведены основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационного исследования, сформулированы выво,ды по работе в целом и определены перспективы дальнейших исследований.

В основе полученных в диссертации решений лежат следующие результаты, выносимые на защиту:

1. Проведены анализ и исследование характеристик существующих БЯИС, показавшие, что:

- разработка метода управления БЯИС для расширения площади покрытия связью с сохранением высокой пропускной способности информационных каналов является актуальной задачей в сфере развития технологий управления информационным обменом, в том числе с подвижными объектами;

- использование БЯИС, особенно МР-ЬЯИС, улучшает надежность и достоверность передачи информации, это определяет практическую необходимость и актуальность применения этой системы.

2. Разработана структура управления БЯИС, на основе использования дистанционного маршрутизатора, с помощью введения канала с низкой пропускной способностью и большим расстоянием для увеличения площади покрытия связью и с сохранением высокой пропускной способности.

3. Разработана математическая модель управления пропускной способностью БЯИС на основе основных характеристик каналов.

4. Проведен синтез алгоритмов управления работой БЯИС в результате чего:

- разработан метод управления возможными вариантами передачи информации в БЯИС;

- разработан алгоритм определения маршрута с минимальным шумом в БЯИС;

- разработан алгоритм определения минимального расстояния между передающим и принимающим узлами в БЯИС;

- для предотвращения столкновения в БЯИС и расширения площади покрытия в ее структуру целесообразно добавить дистанционный маршрутизатор-СУ.

5. Практическая реализация БЯИС-СУ и результаты апробации позволили улучшить ее характеристики, решают задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи и дают возможность помочь слабо развитым регионам получить доступ к средствам коммуникации.

В приложениях приведены сведения о диапазонах частот электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных каналах связи, показаны таблицы сравнения по основным характеристикам традиционных беспроводных систем и БЯИС, таблица возможностей площади покрытия связью БЯИС в различной среде. Рассматривается эффективность БЯИС по трафику и энергии в сравнении с другой технологией

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Ибрахим Фади Гассан. Способ сохранения пропускной способности при увеличении площади ячеистой сети / Ибрахим Фади Гассан, Руфицкий М.В. //Надежность и качество: труды/ПГУ. -Пенза, 2008. -Т. 2. -С. 80-81.

2. Ибрахим Фади Гассан. Обеспечение надежности и качества передачи данных в беспроводных ячеистых сетях // Вопросы современной науки и практики / ТГУ. - Тамбов, 2008 - Т. 2,- С. 139-143.

3. Ибрахим Фади Гассан. Проблемы расширения территории ячеистой сети // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2008-№3. - С. 140-142.

В изданиях по перечню ВАК

Подписано к печати Объем 1,0 усл.-печ. л. Тираж экз. Заказ

Отпечатано в типографии СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61

Список сокращений.

Введение.

1 АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СУЩЕСТВУЮЩИХ БЕСПРОВОДНЫХ ЯЧЕИСТЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1.1 Принципы построения существующих беспроводных ячеистых информационных систем и управление передачей информации в них

1.1.1 Понятие и принцип работы беспроводных информационных систем с ячеистой структурой

1.1.2 Классификация беспроводных ячеистых информационных систем

1.1.3 Основные характеристики беспроводных ячеистых информационных систем

1.2 Пропускная способность как один из основных показателей работы беспроводных ячеистых информационных систем

1.3 Надежность передачи данных в беспроводных ячеистых информационных системах

1.3.1 Надежность и достоверность передачи данных в беспроводных ячеистых информационных системах

1.3.2 Управление ресурсами беспроводных ячеистых информационных систем

1.4 Определение направлений исследования диссертационной работы

2 РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ БЕСПРОВОДНОЙ ЯЧЕИСТОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ЕЁ ПРОПУСНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

2.1 Основные характеристики каналов беспроводных ячеистых информационных систем

2.2 Определение пропускной способности беспроводной ячеистой информационной системы

2.3 Разработка структуры дистанционного управления беспроводной ячеистой информационной системой

Выводы по главе

3 СРТНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ БЕСПРОВОДНЫХ ЯЧЕИСТЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

3.1 Разработка метода управления возможными вариантами информационного обмена

3.2 Разработка алгоритма определения маршрута с минимальным шумом в информационных каналах

3.3 Разработка алгоритма определения минимального расстояния между передающим и принимающим узлами в беспроводной ячеистой информационной системе

Выводы по главе

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЯЧЕИСТОИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ СО СРЕДСТВОМ УПРАВЛЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕЁ АПРОБАЦИИ

4.1 Экспериментальные результаты сравнения топологии беспроводных ячеистых информационных систем

4.2 Сравнение беспроводной ячеистой информационной системы со средством управления с текущими беспроводными ячеистыми информационными системами по результатам времени передачи информации

4.3 Результаты моделирования средних задержек доставки информации в беспроводных ячеистых информационных системах

Выводы по главе

Актуальность работы. Научно-технический прогресс в сфере передачи информации движется с огромной скоростью. В настоящее время идет процесс развития беспроводных технологий. Одной из таких технологий являются беспроводные ячеистые информационные системы (БЯИС).

Основными задачами беспроводных ячеистых информационных систем являются: а) обеспечение управления прямой связью между вершинами сети без базовой станции; б) управление данными БЯИС для обеспечения связи в удаленных и труднодоступных местностях; в) обеспечение управления связью в чрезвычайных ситуациях.

На качество беспроводной связи немалое влияние оказывает пропускная способность и площадь покрытия связью. Поэтому необходимо создать модель управления беспроводной ячеистой информационной системой с высокой пропускной способностью, отвечающую всем современным требованиям.

Разработка методов и алгоритмов управления БЯИС - сложная комплексная задача, требующая согласованного решения ряда вопросов:

- выбора рациональной структуры (определяется состав элементов и звеньев системы, их расположение, способы соединения);

- выбора типа каналов передачи информации между узлами системы и оценки их пропускной способности для обеспечения управления системой;

- распределения аппаратных, информационных и программных ресурсов по звеньям беспроводных каналов; защиты прав пользователей, циркулирующих в системе;

- оптимального использования пропускной способности и расширения площади покрытия связью БЯИС.

Система должна быть проста по структуре, относительно недорога для производства, доступна для потребителей.

Целью данной работы является разработка метода дистанционной маршрутизации для управления работой БЯИС с расширением площади покрытия связью и сохранением высокой пропускной способности.

Поставленная цель может быть достигнута при условии решения следующих задач:

- исследовании характеристик БЯИС;

- разработки математической модели пропускной способности информационных каналов;

- разработки рациональной структуры БЯИС с применением дистанционного средства управления (СУ); разработки метода управления возможными вариантами информационного обмена;

- разработки алгоритма определения маршрута с минимальным шумом в информационных каналах.

Научная новизна работы заключается в разработке метода управления БЯИС, на основе которого предлагается структура БЯИС, улучшающая ее характеристики.

1. Разработана математическая модель управления пропускной способностью информационных каналов.

2. Предложена новая структура БЯИС с повышенной площадью покрытия связью и высокой пропускной способностью на основе разработанной математической модели.

3. Разработан алгоритм определения маршрута с минимальным шумом в информационном канале.

4. Разработан алгоритм определения минимального расстояния между передающим и принимающим узлами в БЯИС.

Практическая ценность работы. Разработанная структура БЯИС на основе управления данными предназначена для развития технологий управления информационным обменом, в том числе с подвижными объектами.

Разработан метод управления возможными вариантами информационного обмена.

Полученные результаты позволяют создать беспроводные системы управления работой оборудования промышленных предприятий.

Реализация и внедрение результатов. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы использовались при выполнении научно-исследовательских работ с участием автора диссертации.

Основные результаты диссертационной работы позволяют создать беспроводные системы управления работой оборудования промышленных предприятий

Апробация работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались в период с 2005 по 2008 гг.

- на заочной конференции «Инновационные технологии в проектировании»;

- на международном симпозиуме «Надёжность и качество 2008»;

- на научно-технических семинарах кафедры «Конструирование и технология радиоэлектронных средств» ВлГУ.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 3 работах, в числе которых 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, а также научно-технических отчетах о применении разработанной структуры БЯИС на базовом предприятии.

На защиту выносятся:

- математическая модель пропускной способности информационных каналов; структура БЯИС с применением дистанционного средства управления;

- метод управления обменом данными в БЯИС;

- алгоритм определения маршрута в БЯИС;

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 98 страницах и иллюстрированных 36 рисунками и 9 таблицами, а также списка литературы из 76 наименований и 10 приложений.

Выводы по главе 4

При достижении поставленной цели и решении задач были выявлены следующие результаты.

1. По экспериментальным результатам сравнения топологии БЯИС разработанная структура системы упорядочена, снижается возможность столкновений.

2. При сравнении разработанной МР-БЯИС-СУ с текущими БЯИС по результатам времени занятия системы в предлагаемой БЯИС-СУ время передачи данных меньше на 6,3 раза.

3. При моделировании МР-БЯИС-СУ доказано, что скорость передачи р данных увеличится.

-

R=1.2

--ф— —•— —♦

1 2 3 4 5 М 6 7 8 9

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ и исследование характеристик существующих БЯИС, показавший, что:

- разработка метода управления БЯИС для расширения площади покрытия связью с сохранением высокой пропускной способности информационных каналов является актуальной задачей в сфере развития технологий управления информационным обменом, в том числе с подвижными объектами;

- использование БЯИС, особенно МР-БЯИС, улучшает надёжность и достоверность передачи информации, это определяет практическую необходимость и актуальность применения этой системы;

2. Разработана структура управления БЯИС на основе использования дистанционного маршрутизатора с помощью введения канала с низкой пропускной способностью и большим расстоянием для увеличения площади покрытия связью и с сохранением высокой пропускной способности.

3. Разработана математическая модель управления пропускной способностью БЯИС на основе основных характеристик каналов.

4. Проведен синтез алгоритмов управления работой БЯИС, в результате чего:

- разработан метод управления возможными вариантами передачи информации в БЯИС;

- разработан алгоритм определения маршрута с минимальным шумом в информационных каналах;

- разработан алгоритм определения минимального расстояния между передающим и принимающим узлами в БЯИС;

- для предотвращения столкновения в БЯИС и расширения площади покрытия в её структуру целесообразно добавить дистанционный маршрутизатор-СУ.

5. Практическая реализация БЯИС-СУ и результаты апробации позволили улучшить её характеристики, решают задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи и дают возможность помочь слабо развитым регионам получить доступ к средствам коммуникации.

1. А.В. Пантелеев, Т.А.Летова.Методы оптимизации в примерах и задачах Москва. 2005.

2. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы -Москва. 1997

3. Безрученко С. Системы диспетчерского управления и контроля транспортных средств на базе технологий спутниковой навигации //"Информост. Средства связи" №2, 1999.

4. Бирюков А.И. GPS-система мониторинга подвижных объектов. //Системы безопасности, связи и телекоммуникаций"- №4, 1996.

5. В. Липский. Комбинаторика для программистов- Москва. 1988

6. В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, С.Л.Портной, И.В.Шахнович. Широкополостные беспроводные сети передачи информации- Москва, 2005 592 с.

7. Васильев В. В., Баранов В. Л. Моделирование задач оптимизации и дифференциальных игр/ Отв. Ред. Пухов Г. Е. ; АН УССР. Институт проблем моделирования в энергетике Киев : Наук, думка, 1989. - 296 с.

8. Васильев О. В., Аргучинцев А. В. Методы оптимизации в задачах и упражнениях. -М. : Физматлит, 1999. 208 с.

9. Вентцель Е.С. Исследование операций М., 1972.

10. Ю.Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В.

11. Широкополосные беспроводные сети передачи информации Москва. 2005

12. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. Москва. 1985.

13. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.400 с

14. Джим Гейер. Беспроводные сети. Первый шаг Москва . Санкт-Петербург .Киев, 2005

15. Евтушенко Ю. Г. Методы решения экстримальных задач и ихприменение в системах оптимизации. — М. : Наука, Главная редакция -физико- математической литературы, 1982 (Оптимизация и исследование операций).'— 432 с.

16. Зыков А.А. Теория» конечных графов Новосибирск, 1969.

17. Ибрахим Фади Гассан. Способ сохранения пропускной способности при увеличении площади ячеистой сети / Ибрахим Фади Гассан, Руфицкий М.В. // Надёжность и качество: труды / ПТУ. Пенза, 2008. - Т. 2.-С. 80-81.

18. Ибрахим Фади Гассан. Обеспечение надёжности и качества передачи данных в беспроводных ячеистых сетях // Вопросы современной науки-и практики / ТГУ. Тамбов, 2008,- Т. 2.- С. 139-143.

19. Ибрахим Фади Гассан. Проблемы расширения территории ячеистой сети // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. -2008,- №3.- С. 140-142.

20. Иванова Т.И. Корпоративные сети связи Москва 2001

21. Кофман А. Введение в прикладную комбинаторику- М., 1975.

22. Леонтьев Б. К. GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить.

23. Мэри Рандл и Крис Конли. Этические аспекты новых технологий. Обзор Москва, 2007

24. Неофициальное пособие по глобальной системе местоопределения -Москва. 2006.

25. Новиков А.Ф. Дискретная математика для программистов Спб., 2008.

26. Педжман Рошан, Джонатан Лиэри. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11- Москва. Санкт Петербург. Киев, 2004

27. Петров Н.Н. Местоопределение подвижных объектов на основе спутниковых навигационных систем // Специальная техника №8, 2000.

28. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Федотов Р.А., Бобков А.В., Чирков -Д.Н., Платонов В.А. Организация беспроводных сетей Москва, 2006

29. P.M. Ларин, A.B. Плясунов, A.B. Пяткин. Методы оптимизации: примеры и задачи — Новосибирск, 2003

30. Р.Хаггарти. Дискретная математика для программистов- Москва, 2003.

31. Ратынский М.В. Основы сотовой связи Москва, 1998

32. Рогалев А.П., Бабиченко А.В. Методы и алгоритмы интеграции данных инерциально-спутниковых навигационных систем // Авиакосмическое -приборостроение М.: Научтехлитиздат. - № 4, 2002.

33. Рябов А. Обзор средств и методов диспетчеризации, мониторинга и навигации наземного транспорта // Информационный бюллетень ГИС Ассоциации -№2, 2003.

34. Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств -М., 1977.

35. Семенов Ю.В. Проектирование сетей связи следующего поколения -Спб, 2005

36. Симонов А.В., Кикнадзе Е.С., Плеханов П.Г., Трохинин Н.В. ГИС и Интернет (обзор информационных ресурсов и технологий) // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. 2001. - №5(32). - С.23-27.

37. Томас Кормен, Чарльз Лейзерсон, Рональд Ривест, Клиффорд Штайн. Алгоритмы построения и анализ Москва. Санкт-Петербург. Киев, 2005

38. Шахов А.Ю., Тырков А.Н. Спутниковые технологии: навигация и диспетчеризация подвижных объектов. Информост: Средства связи. -№3(04), 1999

39. Шебшаевич В.С, Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. Сетевые спут- -никовые радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

40. А. В. Gershman, N.D. Sidiropoulos .Space Time Processing For MIMO Communications . 2005

41. A. Nasipuri, J. Zhuang, and S.R. Das, "A Multi-Channel CSMA MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Networks," Proceedings of IEEE WCNC 1999, vol. 1, pp. 1402-1406, September 1999.

42. Adya, P. Bahl, J. PaHhye, A. Wolman, and L. Zhou, "A Multi-radio Unification Protocol for IEEE 802.11 Wireless Networks," Proceedings of IEEE Broadnets 2004, pp. 344-354, October 2004.

43. Benedikt Bollig. Formal Models of Communicating Systems. Berlin Heidelberg 2006 '

44. Bernhard H. Walke, Stefan Mangold, Lars Berlemann. IEEE 802 Wireless Systems. 2006

45. Dean A. Gratton. Developing Practical Wireless Applications.2007

46. Eric Ouellet, Robert Padjen, Arthur Pfund. Building A Cisco Wireless LAN.2002

47. Gilbert Held. Wireless Mesh Networks. 2005

48. Gour Karmakar, Laurence S. Dooley .Mobile Multimedia Communications. 2008

49. HAMID JAFARKHANI. SPACE-TIME CODING: THEORY AND PRACTICE. California. 2005

50. Handbook of Algorithms for Wireless Networking and Mobile Computing. Edited by Azzedine Boukerche. University of Ottawa. Canada. 2006

51. Henrik Schulze and Christian Luders. Theory and Applications of OFDM and CDMA. Wideband Wireless Communications. England. 2005.

52. J. Li, C. Blake, D.S.J. De Couto, H.I. Lee, and R. Morris, "Capacity of Ad Hoc Wireless Networks," Proceedings of ACM Mobicom 2001, pp. 61 69, July 2001.

53. John Bird BSc(Hons), Engineering Mathematics, CEng, CSci, CMath, FIET, MIEE, FIIE, FIMA, FCollT, Fifth edition 2007

54. Juha Korhonen. Introduction to 3G Mobile Communications. Boston • London 2003

55. Kazimierz Siwiak and Debra McKeown. Ultra-Wideband Radio Technology. 2004

56. Kendall, M.G. and Moran, P.A.P., Geometrical Probability, Griffin, London, 1963.

57. Lan Glover, Peter Grant, Digital communications. 2000

58. Leonard Kleinrock and John Silvester, OPTIMUM TRANSMISSION RADII FOR PACKET RADIO NETWORKS, Department of Computer Science, University of California at Los Angeles Los Angeles, California 90024

59. Leonard Kleinrock and John Silvester, OPTIMUM TRANSMISSION RADII FOR PACKET RADIO NETWORKS, Department of Computer Science University of California at Los Angeles Los Angeles, California 90024

60. M. Ghavami, L. B. Michael, R. Kohno .Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering. 2004

61. Maria Isabel, A. S. Neto .Wireless Networks for Developing World.2004

62. Martin Sauter. Communication Systems for the Mobile.Information Society. Nortel Networks, Germany. 2006.

63. Michele Garetto, Theodoras Salonidis, and Edward W. Knightly, "Modeling per-flow throughput and capturing starvation in CSMA multi-hop wireless networks," To appear in INFOCOM 2006.

64. Mohammad Ilyas. THE HANDBOOK OF AD HOC WIRELESS NETWORKS. Florida. 2003

65. Nathan J. Muller.Wireless A to Z. 2003.

66. P. Bahl, A. Adya, J. Padhye, and A. Wolman, "Reconsidering Wireless Systems with Multiple Radios," ACM Computer Communications Review, vol. 34, no. 5, pp. 39-46, October 2004.

67. P. Gupta andP.R. Kumar, "The Capacity of Wireless Networks." IEEE Transactions on Information Theory, vol. 46, no. 2, pp. 388-404, March 2000

68. Paul Goransson and Raymond Greenlaw. Secure Roaming In 802.11 Networks. Elsevier Inc 2007

69. Rajamani Ganesh, Kaveh Pahlavan.WIRELESS NETWORK DEPLOYMENTS. Moscow 2002

70. S. Jagadeesan, B.S. Manoj, and C. Siva Ram Murthy, "Interleaved Carrier Sense Multiple Access: An Efficient MAC Protocol for Ad hoc Wireless Networks," Proceedings of IEEE ICC 2003, pp. 1124-1128, May 2003

71. Savo Glisic, John Wiley. Advanced Wireless Communications 4G Technologies. University of Oulu, Finland. 2004

72. SYED AHSON, MOHAMMAD ILYAS . WiMAX Applications. 2008

73. SYED AHSON, MOHAMMAD ILYAS. WiMAX Technologies, Performance Analysis, and QoS. 2008

74. Taylor & Francis Group,"WIRELESS MESH NETWORKING" ,2007

75. Vijay K. Garg .WIRELESS COMMUNICATIONS AND NETWORKING. 2007.