автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы и алгоритмы увеличения эффективности передачи информации в AD HOC сетях с высокоскоростными объектами при использовании направленных антенн

На правах рукописи Л

два»«0

Смирнов Алексей Витальевич

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В АБ НОС СЕТЯХ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАПРАВЛЕННЫХ

АНТЕНН

05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-Зноя 2011

Москва, 2011

и

4859298

Диссертационная работа выполнена телекоммуникационных. систем

исследовательского университета «МИЭТ»

на кафедре Национального

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Баринов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Гагарина Лариса Геннадьевна.

Кандидат технических наук, профессор Сперанский

Валентин Сергеевич

Ведущая организация: ООО Национальный институт радио и телевидения (НИРИТ)

Защита состоится «П » ШХОг^ 2011 года в ]±_ часов ЗО минут на заседании диссертационного совета Д 212.134.02 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

I \

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ. ' Автореферат разослан « /I » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации разрабатываются и исследуются новые методы доступа к беспроводной среде передачи данных на канальном и сетевом уровнях в системах с направленными антеннами и высокоскоростными объектами. Алгоритмы строятся с учётом использования их в беспроводных вариантах сетей стандарта 802. В основе алгоритмов лежат методы наведения направленных антенн, управления мощностью передачи, предотвращения коллизий, поиска узлов и маршрутов. Рассматриваются модификации 802.11 MAC, адаптированные для работы с направленными антеннами, а также протоколы маршрутизации, предназначенные для работы с направленными антеннами. Исследуются пропускная способность мобильной беспроводной сети, задержки при передаче трафика реального времени, доля служебного трафика. Показана высокая эффективность новых методов.

Актуальность работы

Традиционно в беспроводных ad hoc (эпизодических) сетях используются всенаправленные антенны для приёма и передачи информации. Использование таких антенн приводит к низкой эффективности систем из-за интерференции сигналов от разных абонентов. Для достижения большей эффективности передачи информации используется пространственное разнесение с помощью направленных антенн. Благодаря этому значительно уменьшается количество коллизий, увеличивается дальность передачи и появляется возможность управления мощностью. Для увеличения пропускной способности сети используются, например, методы доступа к среде с временным разделением. Но для такой схемы потребуется организации инфраструктуры сети с базовыми станциями, что не всегда возможно. Для организации беспроводной сети с высокоскоростными объектами (например, воздушными судами) и направленными антеннами

необходимо решить несколько проблем, связанных с небольшой длительностью радиовидимости объектов и отслеживанием объектов для наведения направленных антенн. Для решения данных проблем используются различные методы определения положения объектов, в том числе DoA (direction of arrival -определение направления прихода радиоволны) или GPS и протоколы маршрутизации по требованию.

Проблемам организации беспроводной мобильной сети с направленными антеннами посвящено несколько монографий и публикаций. Наибольший вклад в теоретическое развитие этой проблемы внесли Y.A. Nasipuri, J. Sanchez, М. Takai, R. Ramanathan, R. Choudhury. Особенностям разработки протоколов маршрутизации для сетей с высокоскоростными объектами уделено не так много внимания. Наиболее заметны работы таких авторов, как К. Peters, A. Jabbar, М. Iordanakis, С. Perkins. Однако известные алгоритмы и методы не описывают самоорганизующейся системы, учитывающей направленные антенны и высокие скорости перемещения объектов. В доступной литературе описывается единственная система для организации беспроводной сети с объектами, двигающимися со сверхзвуковыми скоростями, работающая по схеме с временным разделением и базовыми станциями.

В настоящее время растёт интерес и потребность для организации сетевого взаимодействия между летательными аппаратами для эффективной передачи различных типов данных: команд, телеметрии, голосовой и видеоинформации. Это обстоятельство подтверждает, что применяемые в беспроводных сетях методы передачи данных должны максимально эффективно использовать пропускную способность для передачи больших объёмов данных и данных, чувствительных к задержке.

В диссертационной работе изучается проблема передачи данных в беспроводных сетях с использованием направленных антенн и с большими скоростями перемещения объектов.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов управления мобильной эпизодической сетью с высокоскоростными абонентами для организации более эффективного взаимодействия между ними, что подразумевает:

— увеличение вероятности доставки сообщений с учетом возможного выхода абонента из зоны радиоприема;

— снижение потерь пакетов при передаче в сети;

— сокращение времени установления связи между абонентами;

— увеличение пропускной способности каналов связи;

— снижение энергетических затрат при передаче пакетов в расчете на бит информации.

Поставленная цель достигается за счет:

— использования направленных антенн (наряду со всенаправленными) у абонентов сети; разработки методов и алгоритмов одновременного использования в сети разных антенн;

— разработки модифицированных алгоритмов на МЛС подуровне, реализующих работу сети с направленными антеннами;

— разработки протоколов и прикладных программ для уровня маршрутизации, обеспечивающих эффективное функционирование эпизодической сети из высокоскоростных абонентов;

— практической реализации предложенных алгоритмов и методов на базе стандарта 802.11.

Объект и предмет исследования

Объект исследования - мобильные беспроводные сети передачи данных, голоса, видео. Предмет исследования - поиск методов эффективной передачи данных в беспроводных сетях с направленными антеннами и высокоскоростными объектами.

Методы исследования

В работе использовались методы теории телетрафика, теории распространения радиоволн и событийного моделирования. При разработке программ, моделировании и проведении численных расчётов использовались следующие языки программирования и программные продукты: С/С++, OPNETModeler и MATLAB.

Научная новизна

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

1. Модификация вектора сетевого резервирования из стандарта 802.11 и использование его на уровне маршрутизации позволяет уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза по сравнению со стандартом 802.11 ;

2. Разработка алгоритмов управления мощностью на основе BER позволяет сократить энергопотребление передатчика до 80%;

3. Разработка метода прогнозирования местоположения узлов на уровне маршрутизации на основе разных моделей мобильности даёт возможность сократить объем служебного трафика в 2 раза.

Практическая значимость результатов работы

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.

1. Разработанные в диссертации алгоритмы и методы позволяют повысить эффективность взаимодействия между высокоскоростными абонентами эпизодической сети, а именно: уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза, сократить объем служебного трафика

в 2 раза, сократить энергопотребление передатчика до 80%;

2. Разработанную на алгоритмическом языке С/С++ программную модель можно использовать при проектировании беспроводных сетей с направленными антеннами и высокоскоростными объектами, а также в учебном процессе в курсах по мобильным сетям;

3. Предложенные подходы можно эффективно использовать для построения сетей по стандартам 802.11, 802.15 и 802.16

Достоверность результатов

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена результатами компьютерного моделирования в среде OPNETModeler, а также экспериментально.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре телекоммуникационных систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» при чтении курсов лекций по дисциплинам «Компьютерные сети» и «Системы связи с подвижными объектами», а также в ОКР в ОАО «Радиотехнический институт имени академика A.JI. Минца».

Положения, выносимые на защиту

1. Разработаны методы и алгоритмы одновременного использования в сети направленных и всенаправленных антенн, которые позволили увеличить эффективность работы сети.

2. Разработка алгоритмов управления мощностью на основе BER позволяет сократить энергопотребление передатчика до 80%;

3. Модификация вектора сетевого резервирования из стандарта 802.11 и использование его на уровне маршрутизации. Показано, что это позволяет уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза по сравнению со стандартом 802.11.

4. Разработка метода прогнозирования местоположения узлов на уровне маршрутизации на основе разных моделей мобильности даёт возможность сократить объём служебного трафика в 2 раза.

Личный вклад автора

Все основные результаты диссертационной работы получены лично автором диссертации.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на научных семинарах кафедры телекоммуникационных систем Национального

исследовательского университета «МИЭТ» и научно-технических конференциях:

— Международная школа-конференция по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» с участием молодых ученых, аспирантов и студентов стран-членов СНГ, Зеленоград, 2006г.

— Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей, Зеленоград, 2006 г.

— Всероссийская молодежная конференция «Электроника -2007», Зеленоград, 2007 г.

— 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Зеленоград, 2011 г.

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах. Из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 5 тезисов в трудах перечисленных выше российских конференций.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Она содержит 146 страниц текста, включая 50 рисунков, 16 таблиц, списка используемой литературы из 113 наименований, 4 приложения, включая 2 акта о внедрении ее результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость рассматриваемых задач, описывается их состояние на современном этапе, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту.

В работе рассматриваются беспроводные мобильные эпизодические сети MANET (Mobile Ad hoc Network). Такие сети быстро развёртываются даже в экстремальных условиях и не требуют наличия телекоммуникационной инфраструктуры.

Для передачи больших объёмов данных в этих сетях, например видеоинформации, необходимо увеличивать пропускную способность сети. Для качественной передачи трафика реального времени необходимо повышать вероятность доставки пакетов и уменьшать задержку за счёт уменьшения коллизий и интерференции. Одним из вариантов решения данных проблем является использование направленных антенн. Однако на данный момент не существует стандартных протоколов доступа к среде (MAC), которые поддерживают работу с направленными антеннами.

При перемещении абонентов сети с достаточно большой скоростью топология сети быстро меняется. Это приводит к частым обрывам связи, особенно если маршрут затрагивает несколько узлов. Для увеличения длительности «жизни» маршрута необходимо разработать способы выбора соседних узлов таким образом, чтобы длительность радиовидимости была максимальной.

Первая глава (Особенности мобильных беспроводных сетей с высокоскоростными объектами) посвящена рассмотрению основных сведений о мобильных беспроводных сетях с высокоскоростными объектами.

В тактических сетях с высокоскоростными объектами очень важна проблема связности в совокупности с особенностями беспроводного канала. Организация сети связи в такой высоко динамичной среде сопряжена с рядом проблем.

Использование направленных антенн в ad hoc сетях может обеспечить некоторые преимущества над всенаправленными. Направленные антенны могут фокусировать энергию в определённом направлении, увеличивая при этом пространственное разнесение и дальность передачи. Для эффективного использования таких антенн необходимо разработать соответствующий MAC протокол.

При использовании всенаправленных антенн угловое положение соседних узлов не является важным параметром. При использовании же направленных антенн угловое положение соседних узлов является критичным по нескольким причинам. Во-первых, при формировании луча передатчиком узел должен иметь информацию о направлении передачи. Во-вторых, при увеличении пространственного разнесения за счёт одновременной работы нескольких передатчиков в непосредственной близости приёмника важно учитывать, чтобы сформированные лучи не влияли друг на друга, либо их влияние было сведено к минимуму. В-третьих, направленная антенна обладает большим усилением, по сравнению со всенаправленной, а, соответственно, и большим радиусом действия. Помимо

уменьшения количества прыжков (в сети с ретрансляцией) при передаче это может привести к интерференции на приёмниках узлов, которые находятся дальше узла назначения. Для решения данной проблемы используются методы управления мощностью. В-четвёртых, у направленной антенны помимо главного лепестка существуют побочные боковые лепестки, которые при передаче могут вызывать интерференцию на соседних узлах.

Во второй главе (Построение алгоритмов для повышения эффективности использования направленных антенн в беспроводных сетях) осуществлён выбор методов для адаптации MAC протокола для работы с направленными антеннами.

При использовании всенаправленной передачи RTS/CTS служебных сообщений в беспроводной сети ёмкость сети существенно уменьшается, так как большая часть узлов (скрытых терминалов) должна откладывать свою передачу, пока передают два соседних узла S и R (рис. 1а). Существует схема, представляющая компромисс между пространственным разнесением и предотвращением коллизий (рис. 16), когда RTS сообщение передаётся с помощью направленной антенны. В третьей схеме (рис. 1в) пространственное разнесение максимально, однако низкая эффективность предотвращения коллизий приводит к увеличению повторных передач.

Рисунок 1. Примеры взаимодействия узлов с использованием направленных антенн для RTS/CTS сообщений

Помимо этого при направленной передаче RTS/CTS сообщений возникает не только классическая для ad hoc сетей проблема скрытого терминала из-за непринятых RTS/CTS

сообщений («глухота»), но и проблема скрытого терминала из-за асимметрии в усилении антенн.

Для решения большинства из этих проблем на данный момент используется «направленный» MAC (Directional MAC) с модифицированным вектором сетевого резервирования (NAV) по стандарту 802.11. Предполагается, что узел знает местоположение всех соседних узлов (точные координаты или направление), запоминает, какие из соседних узлов в данный момент передают информацию, чтобы, в свою очередь, не начинать передачу в том же направлении. Недостаток такого подхода заключается в том, что протокол маршрутизации не связан с протоколом канального уровня, поэтому не может предложить альтернативный маршрут, если в данный момент узел следующей пересылки занят, в результате теряются пакеты из-за переполнения буфера передатчика.

Для того чтобы уменьшить количество потерянных пакетов в данной работе предлагается перенести DNA V (Directional NA V), содержащий текущие передачи соседних узлов, из MAC уровня на уровень маршрутизации. Это обеспечит поиск альтернативного маршрута, если узел следующей пересылки на данный момент занят. При использовании такого подхода с направленными антеннами с углами основного лепестка диаграммы направленности, например, в 30 и 60 градусов значительно уменьшается количество потерянных пакетов (рис. 2).

Для уменьшения интерференции в узлах, которые расположены дальше узла назначения, в известных работах используется контроль мощности на основе измерения отношения сигнал-шум (SNR, signal to noise ratio). Однако такой подход не позволяет определить качество принимаемых данных. В данной работе предлагается использовать BER (Bit Error Rate) вместо традиционного отношения сигнал-шум.. BER в данном случае вычисляется для различных типов данных (обычные данные, голос). Текущее значение BER отправляется в АСК пакетах передатчику для последующей корректировки мощности.

Количество узлов

Рисунок 2. Уменьшение потерь пакетов при использовании модифицированного MAC с направленными антеннами

На рисунке 3 представлена схема предлагаемой модификации MAC уровня. Разработанные блоки показаны пунктиром.

Алгоритм работы выглядит следующим образом:

1. Приём пакета

a) Если пакет с данными {DATA), то вычисляется

BER для данного типа данных и данного адреса источника и сохраняется;

b) Если квитанция (АСК), то из неё берётся значение

BER и сохраняется для данного узла назначения и типа данных;

c) Схема приёма RTS/CTS сообщений не меняется;

d) Если пакет предназначен не для данного узла, то

он передаётся в модуль DNA V.

2. Отправка пакета

а) Если пакет с данными, формируется служебное сообщение для модуля наведения антенны. В сообщении содержатся координаты узла назначения, текущее и пороговое значение BER;

b) Если пакете квитанцией, формируется служебное

сообщение для модуля наведения антенны. В квитанцию добавляется текущее значение ВЕЯ,

c) Если ЯТЗ/СТБ сообщение, формируется служебное

сообщение для модуля наведения антенны. 3. Функционирование модуля наведения антенны

a) Пакет с данными отправляется направленной

антенной, если известны координаты узла назначения, в противном случае всенаправленной. При использовании направленной антенны, мощность передачи вычисляется исходя из значения ВЕЯ\

b) Квитанции отправляются направленной антенной;

ЯТЗ/СТБ сообщения отправляются либо направленной, либо всенаправленной антенной исходя из количества активных соседних передач.

Рисунок 3. Схема модифицированного алгоритма на МАС

подуровне 14

На рисунке 4 представлены результаты сравнения предложенного метода для двух направленных антенн с диаграммами направленности 30° и 60° и стандартного протокола на базе 802.1при передаче голосового трафика. Результаты показывают, что для разных диаграмм направленности выигрыш в пропускной способности может составлять не менее 3-х раз.

использовании предложенных методов

На рисунке 5 показано, что предложенные нами методы управления мощностью позволяют сократить мощность передатчика не менее чем в 1,5 раза при использовании направленных антенн.

За счёт использования ВШУ на уровне маршрутизации, уменьшения потерь пакетов и повторных передач уменьшается совокупная задержка передачи из конца в конец (рис. 6).

Основные идеи подхода, предложенного в данной работе, также можно использовать в сетях, устройства которых работают по стандартам 802.15.4 и 802.16. Помимо этого ведутся работы в рамках стандарта 802.11/?.

„х 10

7.5

S 7

I

=t 6.5

* с

Ч 5

4.5

-е- S02.I lg

к Предложенный метод (30) -Предложенный метод (60)

10 15 20 25 Количество узлов

30

Рисунок 5. Уменьшение энергии на бит передатчика при использовании направленных антенн

Рисунок 6. Уменьшение задержки при использовании направленных антенн

В третьей главе (Построение протокола маршрутизации для эффективной передачи данных между высокоскоростными объектами) описан эффективный протокол маршрутизации для сетей с высокоскоростными объектами на базе протокола OLSR.

Беспроводные MANET сети, как правило, не имеют базовых станций. Поэтому ключевой проблемой маршрутизации в таких сетях является то, что маршруты по времени будут слишком

короткими, особенно если узлы перемещаются со скоростями около 300 км/ч (и выше). При использовании всенаправленных антенн время радиовидимости при этом может составлять всего 15-20 секунд.

Существует несколько подходов использования информации о местоположении узлов для маршрутизации. Первый метод заключается в передаче пакета следующему узлу, который находится ближе к месту назначения. Второй подход заключается в том, что источник передаёт пакеты узлу, который расположен как можно ближе к линии, соединяющей источник и назначение. В третьем подходе алгоритм представляет сеть в виде графа и разбивает её на несколько частей. Пакеты в такой сети перемещаются по границам этих частей. Перечисленные подходы не исключают петель в сети, а также не всегда возможна успешная прокладка маршрута до места назначения. .

Из-за быстрого изменения топологии сети существенно увеличивается количество служебного трафика для поддержки таблицы маршрутизации в актуальном состоянии. Это особенно важно для протоколов непрерывной маршрутизации. Протоколы маршрутизации по требованию генерируют меньше служебного трафика, но при передаче часто возникает задержка из-за поиска нового маршрута.

Одним из вариантов уменьшения служебного трафика является поиск маршрутов по требованию. Используя технику отслеживания узлов существенно сокращается служебный трафик. Для прямолинейного равномерного движения узла, зная его первоначальные координаты и скорость, можно легко предсказать его дальнейшее местоположение. Поэтому узлу нет необходимости часто обмениваться служебным трафиком с соседями. Однако при изменении курса или скорости узел должен отправить соответствующую информацию.

Предлагается модифицировать стандартный протокол маршрутизации. За основу взят протокол непрерывной маршрутизации ОЬБЯ, так как данный протокол: • Не требует централизованного управления;

• Поддерживает топологию сети в актуальном состоянии, что существенно уменьшает задержку при передаче трафика, а также позволяет использовать цифровые карты местности для поиска более эффективных, маршрутов;

• Использует UDP/IP набор протоколов, поэтому его легко реализовать и модифицировать;

• Поддерживает несколько сетевых интерфейсов, соответственно может выступать в качестве шлюза между сетями - воздушными, наземными или внешними,, например, интернет.

В первую очередь для данного протокола необходимо реализовать поддержку координат узлов. Для этого модифицированы служебные пакеты «.Hello» и «ГС» (рис. 7). Новые поля - собственные (own) координаты, скорость и курс -занимают по 4 байта каждое, обеспечивая возможность расчёта с использованием чисел с плавающей запятой. Собственное местоположение передаётся только соседним узлам в «Hello» сообщениях. В «7U» сообщениях передаётся местоположение только тех соседей (Neighbor), у которых скорость или курс изменились.

Размер служебного сообщения в итоге увеличился в 2,5-4 раза, в зависимости от количества соседей узла. Однако за счёт реализации поддержки отслеживания узлов объем служебного трафика сократился. На рисунке 8 приведена зависимость служебного трафика от количества узлов при скорости их перемещения до 100 м/с по сравнению с самыми известными и распространёнными протоколами маршрутизации в ad hoc сетях*.

Ashtiani H., Pour H.M., Nikpour M. A Survey of MANET Routing Protocols in Large-Scale and Ordinary Networks // Global Journal of Computer Science and Technology, - 2010, - vol. 10, pp. 14-27

Reserved

1»|"1

Link Code I Reserved

_.-^

Hime [Willingness

Own Latitude

Link Message Size

Ov/n Longitude

Омт АШШе

Own Speed

Own Course

Neighbor Interface Address

Neighbor Latitude

Neighbor Longitude

Neighbor Altitude

Neighbor Speed | Neighbor Course

ANSN

Reserved

Advertised Neighbor Main Address

More Fields\

Neighbor Latitude Neighbor Longitude

Neighbor Altitude

Advertised Neighbor Main Address

Change Type|

Neighbor Latitude

Neighbor Longitude

_Neighbor Altitude

Neighbor Speed | Neighbor Course

Neighbor Speed 7.' 'У^^ог Course

Рисунок 7. Пример изменения служебных сообщений 0157?

"S 0.5

Предлагаемый метод -e-AODV —DSR —0— OLSR -е-CRP

30 35

Количество узлов

Рисунок 8. Сокращение служебного трафика в предлагаемых

методах

При быстро меняющейся топологии сети маршруты передачи данных быстро устаревают. Поиск новых маршрутов или поддержание старых в этом случае требует дополнительного служебного трафика. Для увеличения жизни маршрута, а следовательно, уменьшения служебного трафика, необходимо изменить критерий выбора узла следующей пересылки. Если данный узел будет выбирать соседний узел, который дольше по

сравнению с другими соседями будет находиться в зоне радиовидимости, то и весь маршрут будет существовать дольше.

В результате модифицированный протокол маршрутизации содержит модуль DNAV, перенесённый из MAC уровня, модуль слежения для расчёта текущего местоположения узлов, имеет возможность принимать информацию от внешних источников о собственном местоположении.

На рисунке 9 показана зависимость пропускной способности сети от скорости перемещения объектов для 20 объектов для разных протоколов маршрутизации.

Путём моделирования с использованием программы OPNET Modeler было показано, что использование предложенных методов увеличивает пропускную способность в 1,5 раза, а количество доставленных пакетов в 2 раза.

20 углов

Рисунок 9. Зависимость пропускной способности сети от скорости перемещения объектов

В четвёртой главе . (Экспериментальная проверка эффективности новых методик и подходов) представлены экспериментальные исследования повышения пропускной способности беспроводной сети при использовании направленных антенн.

В опытах использовалось серийное оборудование, что немного затрудняло реализацию разработанных протоколов в полном объеме. На практике удалось проверить несколько новых предложений и решений. Показано, что управление мощностью является одним из основных инструментов управления передачей данных в сети.

Получены результаты экспериментальных исследований сети в режиме точка-точка. Удалось провести исследование по передаче видео реального времени со скоростью потока до 5 Мбит/с и разрешением 1024x768 с использованием управления мощностью и направленных и всенаправленных антенн.

В таблице 1 представлены основные параметры движения абонента. Артефакты появляются на короткое время при резком начале движения абонента либо при быстрой смене курса, при этом отмечается потеря нескольких видеокадров. В условиях прямой видимости задержка не превышала 5 мс, качество видео хорошее без артефактов, без потерь пакетов. Однако в условиях непрямой видимости задержка увеличивалась до 7-10 мс, качество видео ухудшилось незначительно, количество артефактов небольшое, потери пакетов составили не больше 5%.

Таблица 1. Параметры движения абонента

Пройденное расстояние 65 км

Время в пути 40 мин

Изменение курса 15 раз

Максимальная скорость 270 км/ч

Макс, удаление от базовой станции 17.5 км

На рисунке 10 показаны экспериментальные значения задержки и потерь пакетов в сети с высокоскоростными объектами при передаче видеоинформации в зависимости от расстояния между абонентом и базовой станцией. Измеряемые параметры начинают существенно расти только в условиях непрямой видимости.

О 5 10 15 20

Расстояние до места сбора телеметрии, км

Рисунок 10. Зависимость задержки и потерь пакетов от расстояния до места сбора телеметрии

В заключении подведены итоги работы, сформулированы основные выводы, а также приведены сведения о практической апробации результатов диссертационной работы в виде их внедрения в промышленные разработки и в учебный процесс.

В приложении приведены примеры моделирующих программ на языках С/С++ и OPNET Modeler, акты внедрения и методика тестирования результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе рассмотрено решение научной задачи, заключающейся в разработке методов и алгоритмов управления эпизодической сетью с высокоскоростными абонентами для организации более эффективного взаимодействия между ними. В частности получены следующие результаты:

1. Разработаны методы и алгоритмы одновременного использования в сети направленных и всенаправленных антенн, которые позволили увеличить эффективность работы сети по таким параметрам как: пропускная способность, задержка из конца в конец, количество

служебного трафика, потери пакетов и мощность передатчика.

2. Разработаны модифицированные алгоритмы на MAC подуровне, реализующие работу сети с направленными антеннами. Использование модифицированного вектора сетевого резервирования из стандарта 802.11 на уровне маршрутизации позволяет уменьшить количество потерянных, пакетов в 1,5-2 раза; увеличить пропускную способность в 2 раза. Показано, что использование направленных антенн позволяет снизить мощность передатчика без ущерба работе сети.

3. Разработаны модифицированные алгоритмы для уровня маршрутизации, обеспечивающие эффективное функционирование эпизодической сети из высокоскоростных абонентов. Внесение в алгоритм работы уровня маршрутизации прогнозирования местоположения узлов на основе известных моделей мобильности даёт возможность сократить объем служебного трафика в 2 раза.

4. Реализованы предложенные алгоритмы и методы на базе стандарта 802.11. Путём моделирования с использованием программы OPNET Modeler показано, что предложенные методы и алгоритмы имеют преимущества перед стандартными протоколами.

5. Проведено экспериментальное исследование для беспроводных сетей стандарта 802. Исследованы особенности передачи видео реального времени между высокоскоростным абонентом и центральным узлом с использованием направленных антенн. Подтверждена эффективность использования направленных антенн и контроля мощности. Разработано ПО для управления мобильными абонентами.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Barinov V., Smirnov A., Migalin D. Modified Protocol for Data Transmission in Ad-Hoc Networks with High Speed Objects Using Directional Antennas // 9th East-West Design & Test Symposium (EWDTS 2011), - 2011, - pp. 150-153

2 Концевич П.Д., Смирнов A.B. Использование пространственного разнесения абонентов в беспроводных мобильных эпизодических сетях // 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011». - М.: МИЭТ, 2011. - с.228

3. Бахтин А. А., Попов Л. А., Смирнов А. В. Эффективность реализации межуровневого взаимодействия для протокола быстрой маршрутизации в беспроводных ad-hoc сетях // Вестник Московского авиационного института -М., 2009. - №5.-т. 16. - с. 159-165

4. Баринов В.В., Смирнов A.B. Эффективность

моделирования информационно-телекоммуникационных

сетей // Электросвязь - М„ 2009. - №3. - с. 26-29.

5. Бахтин A.A., Смирнов A.B., Ломовская K.M. Оценка производительности коммуникационного оборудования // Исследования в области проектирования цифровых систем связи: Сборник научных трудов / Под ред. В.В. Баринова. - М.: МИЭТ, 2007. - с.64-72

6. Смирнов A.B. Разработка алгоритма маршрутизации для мобильной сети многостанционного доступа с иерархической структурой // Всероссийская молодежная конференция «Электроника - 2007». Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2007,- с.27

7 Бахтин A.A., Смирнов A.B. Проблемы построения мобильного WiMAX // Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей. Материалы школы-конференции. - М.: МИЭТ, 2006. - с. 50-51

8. Абабков М.Б., Смирнов A.B., Бахтин A.A. 1С построению сети профессиональной мобильной радиосвязи на базе стандарта 802.1 бе // Методы проектирования и защиты мобильных систем связи: Сборник научных трудов / Под ред. В.В. Баринова. - М.: МИЭТ, 2006. - с.3-11

9. Бахтин A.A., Смирнов A.B., Абабков М.Б. Моделирование трафика и планирование беспроводной сети с помощью пакета OPNET // Методы проектирования и защиты мобильных систем связи: Сборник научных трудов / Под ред. В.В. Баринова. -М.: МИЭТ, 2006. - с. 12-26

10. Бахтин A.A., Смирнов A.B. Построение сетей ПМР на базе мобильного WiMAX // Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» -М.: МТУ СИ, 2006.-с. 175

11. Смирнов A.B. Анализ протоколов маршрутизации для беспроводной сети, реализованной по стандарту 802.15.4 // Международная школа-конференция по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» с участием молодых ученых, аспирантов и студентов стран-членов СНГ. Тезисы докладов. - М ■ МИЭТ, 2005. - с.64

Подписано в печать

Заказ № № ■ Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Формат 60x84 1/16.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ МОБИЛЬНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ.

1.1 Основные определения мобильных эпизодических сетей.

1.2 Модели мобильности узлов в эпизодических сетях.

1.3 Использование направленных антенн в эпизодических сетях.

1.4 Проблемы, обусловленные использованием направленных антенн.

1.4.1 Проблема «скрытого» терминала.

1.4.2 Проблема «глухоты».

1.5 Известные методы доступа к среде в эпизодических сетях с использованием направленных антенн.

1.5.1 Протоколы на основе стандартных RTS/CTS сообщений.

1.5.2 Протоколы на основе специальных импульсов.

1.5.3 Другие протоколы случайного доступа к среде.

1.5.4 Протоколы планируемого доступа к среде.

1.6 Проблемы маршрутизации.

1.6.1 Особенности использования направленных антенн.

1.6.2 Проблемы, обусловленные высокими скоростями перемещения абонентов.

1.7 Известные методы маршрутизации для мобильных эпизодических сетей с высокоскоростными объектами.

1.8 Отличия стандартов 802.11, 802.16 с точки зрения использования в сетях с высокоскоростными объектами.

1.9 Анализ сред моделирования для мобильных эпизодических сетей.

1.10 Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА 2 АДАПТАЦИЯ 802.11 MAC ДЛЯ РАБОТЫ С НАПРАВЛЕННЫМИ АНТЕННАМИ В БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ.

2.1 Выбор методов повышения эффективности работы мобильной эпизодической сети.

2.2 Имитационная модель канального уровня.

2.3 Выводы.

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПРОТОКОЛА МАРШРУТИЗАЦИИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ МЕЖДУ ВЫСОКОСКОРОСТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ.

3.1 Выбор методов маршрутизации.

3.2 Реализация предложенных методов маршрутизации.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВЫХ МЕТОДИК И ПОДХОДОВ.

4.1 Исходные данные для проведения экспериментов.

4.2 Исследование сети WiMAXс предложенными изменениями.

4.3 Проверка качества принимаемых голосовых данных в сложной помеховой обстановке.

4.3.1 Описание испытаний.

4.3.2 Результаты испытаний.

4.4 Реализованное в рамках работы ПО и интерфейс пользователя.

4.5 Выводы.

Актуальность работы

Традиционно в беспроводных ad hoc (эпизодических) сетях используются всенаправленные антенны для приёма и передачи информации. Использование таких антенн приводит к низкой эффективности систем из-за интерференции сигналов от разных абонентов. Для достижения большей эффективности передачи информации используется пространственное разнесение с помощью направленных антенн. Благодаря этому значительно уменьшается количество коллизий, увеличивается дальность и появляется возможность управления мощностью. Для увеличения пропускной способности сети используются, например, методы доступа к среде с временным разделением. Но для такой схемы потребуется организации инфраструктуры сети с базовыми станциями, что не всегда возможно. Для организации беспроводной сети с высокоскоростными объектами (например, воздушными судами) и направленными антеннами необходимо решить несколько проблем, связанных с небольшой длительностью радиовидимости объектов и отслеживанием объектов для наведения направленных антенн. Для разрешения данных проблем используются методы определения положения объектов с помощью АоА (Angle of Arrival, определение направления прихода радиоволны) или GPS (Global Positioning System, глобальная система позиционирования) и протоколы маршрутизации по требованию.

Проблеме организации беспроводной мобильной сети с направленными антеннами посвящено много монографий и публикаций. Наибольший вклад в теоретическое развитие этой проблемы внесли Y.A. Nasipuri, J. Sanchez, М. Takai, R. Ramanathan. R. Choudhnry. Проблеме разработки протоколов маршрутизации для сетей с высокоскоростными объектами уделено не так много внимания. Наиболее заметны работы таких авторов, как К. Peters, A. Jabbar, М. Iordanakis. С. Perkins. Однако известные алгоритмы и методы не описывают готовой самоорганизующейся системы, учитывающей направленные антенны и высокие скорости перемещения объектов. В доступной литературе описывается единственная система для организации беспроводной сети с объектами, двигающимися со сверхзвуковыми скоростями, работающая по схеме с временным разделением и базовыми станциями.

В настоящее время растёт интерес и потребность для организации сетевого взаимодействия между летательными аппаратами для эффективной передачи различных типов данных: команд, телеметрии, голосовой и видеоинформации. Это обстоятельство подчёркивает, что применяемые в беспроводных сетях методы передачи данных должны максимально эффективно использовать пропускную способность для передачи больших объёмов данных и данных, чувствительных к задержке.

В диссертационной работе изучается проблема передачи данных в беспроводных сетях с использованием направленных антенн и с большими скоростями перемещения объектов.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов управления эпизодической сетью с высокоскоростными абонентами для организации более эффективного взаимодействия между ними, что подразумевает: увеличение вероятности доставки сообщений с учетом возможного выхода абонента из зоны радиоприема; снижение потерь пакетов при передаче в сети; г сокращение времени установления связи между абонентами; увеличение пропускной способности каналов связи; снижение энергетических затрат при передаче пакетов в расчете на бит информации.

Поставленная цель достигается за счет:

- использования, направленных антенн (наряду со всенаправленными) у абонентов сети; разработки методов и алгоритмов одновременного использования в сети разных антенн; разработки модифицированных алгоритмов на MAC подуровне, реализующих работу сети с направленными антеннами; разработки протоколов и прикладных программ для уровня маршрутизации, обеспечивающих эффективное функционирование эпизодической сети из высокоскоростных абонентов;

- практической реализации предложенных алгоритмов и методов на базе самого распространённого в настоящее время мобильного стандарта 802.11.

Научная новизна

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

1. Модификация вектора сетевого резервирования из стандарта 802.11 и использование его на уровне маршрутизации позволяет уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза по сравнению со стандартом 802.11;

2. Разработка алгоритмов управления мощностью на основе ВЕЯ позволяет сократить энергопотребление передатчика до 80%;

3. Разработка метода прогнозирования местоположения узлов на уровне маршрутизации на основе разных моделей мобильности даёт возможность сократить объем служебного трафика в 2 раза.

Практическая значимость работы

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработанные в диссертации алгоритмы и методы позволяют повысить эффективность взаимодействия между высокоскоростными абонентами эпизодической сети, а именно: уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза, сократить объем служебного трафика в 2 раза, сократить энергопотребление передатчика до 80%;

2. Разработанную на алгоритмическом языке С/С++ программную модель можно использовать при проектировании беспроводных сетей с направленными антеннами и высокоскоростными объектами, а также в учебном процессе в цикле курсов по мобильным сетям;

3. Предложенные подходы можно эффективно использовать для построения сетей по стандартам 802.11, 802.15 и 802.16

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на научных семинарах кафедры телекоммуникационных систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» и научно-технических конференциях:

Международная школа-конференция по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» с участием молодых ученых, аспирантов и студентов стран-членов СНГ, Зеленоград, 2006г.

Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей, Зеленоград, 2006 г.

Всероссийская молодежная конференция «Электроника - 2007», Зеленоград, 2007 г.

18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Зеленоград, 2011 г.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Она содержит 146 страниц текста, включая 50 рисунков, 16 таблиц, списка используемой литературы из 113 наименований, 4 приложения, включая 2 акта о внедрении ее результатов.

3.3 Выводы

1. Для сокращения количества служебной информации протоколом маршрутизации предлагается использовать несколько подходов:

• режим приёма всех сетевых пакетов;

• техника отслеживания местоположения узлов.

Использование данных ' подходов позволяет анализировать служебную информацию из заголовков всех пакетов и предсказывать последующее местоположение узлов, не используя дополнительные служебные пакеты. В результате количество служебного трафика уменьшается в среднем в 1.5-2 раза;

2. Предложен критерий выбора узла для ретрансляции. Если данный узел будет выбирать соседний узел, который дольше по сравнению с другими соседями будет находиться в зоне радиовидимости, то и весь маршрут будет существовать дольше;

3. Техника межуровневого взаимодействия позволяет анализировать и контролировать параметры различных уровней, что в свою очередь способствует увеличению эффективности работы сети в целом. Например, взаимодействие модифицированного вектора сетевого размещения с канальным уровнем позволяет сократить задержку доступа к середе и в итоге уменьшить задержку при передаче пакетов из конца в конец до 6 раз.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВЫХ МЕТОДИК И ПОДХОДОВ

4.1 Исходные данные для проведения экспериментов

Представлены результаты экспериментальных исследований сети в режиме точка-точка. Удалось провести исследование по передаче видео реального времени со скоростью потока до 5 Мбит/с и разрешением 1024x768 с использованием управления мощностью и направленных и всенаправленных антенн.

В опытах использовалось промышленное оборудование, что немного затрудняло реализацию разработанных протоколов в полном объеме. На практике удалось проверить несколько предположений и решений. Показано, что управление мощностью является одним из основных инструментов управления передачей данных в сети.

В таблице 4.1 представлены основные параметры движения абонента. Артефакты появляются на короткое время при резком начале движения абонента либо при быстром смене курса, при этом отмечается потеря нескольких видеокадров. В условиях прямой видимости задержка не превышала 5 мс, качество видео хорошее без артефактов. Однако в условиях непрямой видимости задержка увеличивалась до 7-10 мс, качество видео ухудшилось незначительно, количество артефактов небольшое. Также в условиях прямой видимости не отмечалось потерь пакетов, но в условиях непрямой видимости количество потерянных пакетов составило не более 5%. Путевые точки перемещения абонента показаны на рисунке 4.1.