автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Разработка и исследование методов и алгоритмов проектирования и оценки производительности корпоративной беспроводной сети

Введение

1 Состояние и перспективы развития беспроводных сетей.

Постановка задачи исследования

1.1 Беспроводные сети, состояния и перспективы

1.2 Обзор методов математического и машинного (имитационного) моделирования беспроводных сетей

1.3 Постановка задачи исследования

2 Аналитическое моделирование беспроводных сетей стандарта IEEE 802.

2.1 Краткое описание функционирования моделируемой сети

2.2 Определение показателей производительности

2.3 Аналитическая оценка средних времен передачи пакета

2.4 Определение длительности фаз попытки передачи пакета

3 Практическая реализация расчета аналитической модели

3.1 Описание функционирования корпоративной беспроводной сети

3.2 Описание алгоритма расчета сети МО с несколькими классами сообщений и допускающей изменение класса сообщений

3.3 Практическая реализация алгоритма

3.4 Численные результаты аналитического моделирования

4 Оценка показателей производительности беспроводной сети для науки и образования - RADIONET

4.1 Описание и архитектура беспроводной сети RADIONET

4.2 Особенности функционирования беспроводной сети RADIONET

4.3 Методика оценки показателей производительности

5 Выводы

Актуальность темы диссертации. Сети передачи информации и беспроводные сети в частности, широко используются для решения самых разнообразных задач, включая передачу данных, голоса, видеоинформации. Разработка методов расчета параметров функционирования сети передачи информации, с применением методов математического моделирования является актуальной задачей. Использование результатов математического моделирования при проектировании сетей передачи информации позволяет создавать высоконадежные сети, с требуемыми параметрами функционирования и высоким уровнем качества предоставляемых услуг связи.

При создании беспроводных сетей передачи данных наибольшее распространение получили устройства на базе технологии RadioEthernet, ориентированной на обеспечение беспроводного доступа к информационным ресурсам. Из-за трудностей, связанных с отсутствием- стандарта, и как следствие этого, несовместимости между собой оборудования различных производителей, доля использования этих устройств до 1997 г. была незначительна. С появлением в конце 1997 г. стандарта IEEE 802.11 и более поздних его версий началось широкое применение беспроводных технологий при создании телекоммуникационных сетей.

Основными преимуществами беспроводной технологии являются: гибкость архитектуры сети; значительная зона покрытия; сжатые сроки развертывания; низкие затраты на создание беспроводной сети; мобильность (возможность подсоединения подвижных - мобильных абонентов).

Помимо вышеперечисленных преимуществ беспроводные технологии имеют и другие достоинства, а именно: высокую помехоустойчивость за счет расширения спектра сигнала; оптимальное значение показателя эффективность/стоимость; небольшие габаритные размеры, массу и экономное энергопотребление.

Широкое внедрение беспроводных сетей выдвигает в ряд первоочередных задач разработку методов проектирования и оценки производительности беспроводных сетей. Проблемам разработки математических моделей посвящено значительное количество работ. Среди наиболее известных работ, посвященных проблемам разработки математических моделей сетей передачи данных (и беспроводных сетей в частности), следует отметить работы российских ученых: Г.П. Баша-рина, П.П. Бочарова, О.М. Брехова, В.А. Васенина, В.М. Вишневского, P.JI. Добрушина, А.Н. Дудина, B.C. Жданова, Н.А. Кузнецова, В.В. Кульбы, А.И. Ляхова, Р.А. Минлоса, А.В. Печинкина, В.К. Попкова, В.В. Рыкова, С.Н. Степанова и др. Среди зарубежных можно выделить работы таких авторов как G. Balbo, G. Bianchi, S. С. Bruell, М. Conti, L. Fratta, L. Kleinrock, M. Olivetty и др. В работах этих авторов широко используются методы теории сетей и систем массового обслуживания (МО) для исследования сетей передачи данных. Однако в связи с тем, что беспроводные сети появились сравнительно недавно, некоторые вопросы функционирования исследованы недостаточно, в частности, мало исследованы региональные беспроводные сети стандарта IEEE 802.11, функционирующие в централизованном режиме. Требуют рассмотрения проблемы, связанные с повышением производительности работы беспроводной сети, возможностью масштабирования и модернизации. Одной из основных задач является возможность масштабирования беспроводной сети, т.е. возможность увеличения количества пользователей при сохранении высокого уровня качества и надежности функционирования сети.

В настоящей работе разработаны методы и алгоритмы для расчета, исследования и проектирования региональных беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11, функционирующих в централизованном режиме. Рассмотрены вопросы оценки параметров региональных корпоративных сетей, функционирующих в централизованном режиме. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией были применены при построении беспроводной сети RADIONET, предназначенной для высокоскоростного подключения организаций науки, культуры и образования к сети Интернет.

Цель работы. Целью диссертации является разработка математических моделей и методов, позволяющих исследовать показатели производительности беспроводной сети, а также создание на их основе программного комплекса проектирования и анализа функционирования беспроводных сетей.

Методы исследования. Проведенные в работе исследования и разработки основаны на использовании теории вероятностей, теории систем массового обслуживания, методов системного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. Основные новые научные результаты.

1. Сделан обзор и представлена сравнительная характеристика протоколов беспроводных сетей семейства IEEE 802.11*, а также методов оценки их параметров. Проведен анализ архитектуры беспроводных сетей. Рассмотрены особенности проектирования и развертывания беспроводных сетей.

2. Разработана математическая модель стохастической сети МО, допускающей изменение класса сообщений при обслуживании, адекватно описывающая функционирование беспроводной сети.

3. Разработаны вычислительные алгоритмы для расчета стационарных вероятностей состояний сети, нормализующей константы и других параметров модели.

4. В соответствие с разработанными алгоритмами создан программный комплекс для расчета основных параметров функционирования беспроводной сети: пропускной способности, среднего времени ожидания, средней длины очереди в узлах сети и т.д.

5. На основе проведенных исследований выбраны и обоснованы параметры функционирования беспроводной сети, работающей в централизованном режиме. Полученные результаты использовались при проектировании и развитии сети RADIONET.

Практическая ценность. Созданная математическая модель и разработанный на ее основе программный комплекс позволяют анализировать параметры функционирования беспроводных региональных сетей стандарта IEEE 802.11, а также снижают сроки и затраты на их проектирование.

Практическая реализация. Разработанные и программно реализованные математические модели и алгоритмы использовались при проектировании и создании сегментов беспроводной сети RADIONET, опорной беспроводной сети г. Обнинска, беспроводной корпоративной сети ОАО АК "Якутскэнерго" и ряда других региональных беспроводных сетей.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на совещаниях и конференциях, в том числе международных: Distributed Computer Communication Network (DCCN) в 1996 и 1999 гг., а также на семинарах в Институте проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН и Московском государственном институте электроники и математики.

Публикации. По материалам и основному содержанию работы имеется научно-техническая статья и два доклада в трудах международных конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 112 страницах, иллюстрируется 7 рисунками, состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 55 наименований и 4 приложений на 35 страницах.

5 Выводы

В диссертационной работе получено решение актуальной научной проблемы, имеющей важное практическое значение - разработке методов, моделей и алгоритмов для исследования и проектирования региональных беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11, функционирующих в централизованном режиме. Разработанный и обоснованный в диссертации комплекс новых моделей и алгоритмов является основой реализованного математического и программного обеспечения для расчета основных параметров функционирования беспроводных сетей. Внедрение и использование разработанного программного обеспечения позволяет увеличить производительность работы беспроводной сети, повысить качество предоставляемых услуг связи, а также проводить мониторинг функционирования беспроводных сетей. В диссертации получены следующие основные теоретические и практические результаты:

• дан обзор и сравнительная характеристика протоколов IEEE 802.11*, описывающих функционирование беспроводных сетей, а также методов оценки их параметров. Проведен анализ архитектуры беспроводных сетей. Рассмотрены особенности проектирования и развертывания беспроводных сетей;

• на основе обзора математических методов показана необходимость разработки новых алгоритмов решения, учитывающих характерные черты и особенности функционирования региональных беспроводных сетей в централизованном режиме, обладающих приемлемой для практических целей вычислительной сложностью; разработана аналитическая модель беспроводной сети стандарта IEEE 802.11. Приведены основные соотношения для расчета характеристик сети; проведена аналитическая оценка средних времен передачи пакета для случая сети большой размерности. Для корпоративной беспроводной сети масштаба города (случай средней размерности) получены точные значения параметров функционирования; разработаны вычислительные алгоритмы для расчета стационарных вероятностей состояний сети, нормализующей константы и других параметров модели; разработаны и описаны алгоритмы, применяющиеся для расчета параметров функционирования корпоративной беспроводной сети масштаба города; в соответствие с разработанными алгоритмами создан программный комплекс для расчета основных параметров функционирования беспроводной сети (пропускной способности, среднего времени ожидания, средней длины очереди в узлах сети и т.д.);

• на основе проведенных исследований выбраны и обоснованы параметры функционирования беспроводной сети, работающей в централизованном режиме;

• полученные численные результаты, позволяющие с достаточной точностью оценить основные параметры функционирования беспроводной сети, были использованы при построении ряда беспроводных сетей (в частности беспроводной сети RADIONET, опорной беспроводной сети г. Обнинска, беспроводной корпоративной сети ОАО АК "Якутскэнерго").

1. Авен О. И., Турин Н. Н., Коган Я. А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. // Наука. 1982.

2. Баканов А. С., Вишневский В. М., Ляхов А. И. Метод оценки показателей производительности беспроводных сетей с централизованным управлением. // АиТ. 2000 №4. стр.97-105.

3. Богуславский J1. Б., Ляхов А. И. Моделирование многосерверных локальных сетей. // АиТ. 1998 №8. стр.109-123.

4. Бочаров П. П. Сеть массового обслуживания с сигналами со случайной задержкой. // АиТ. 2002 №9. стр.85-96.

5. Бочаров П. П., Печинкин А. В. Теория массового обслуживания. -М.: Изд-во Рос. ун-та дружбы народов. -1995.

6. Бочаров П. П., Тхирау X., Фонг Н. X. Анализ конечной очереди с марковским потоком и произвольным обслуживанием, зависящим от числа заявок в системе. // АиТ. 1998 №10. стр.64-75.

7. Вентцель Е. С., Овчаров JI. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. // Наука. 1991.

8. Вишневский В. М. Принципы построения системы автоматизации проектирования сетей ЭВМ. // Автоматизированные системымассового обслуживания/Ин-т проблем управления. 1982 стр.6870.

9. Вишневский В. М., Бочаров П. П. G-сети: развитие теории мультипликативных сетей // Автоматика и телемеханика. 2003. - № 5,.

10. Вишневский В. М., Дмитриев В. П., Жданов В. С. Основы передачи информации в вычислительных системах и сетях. Учебное пособие. М.: МГИЕМ, 1998. 162 с.

11. Вишневский В. М., Воробьев В. М. Архитектура IP-сети для качественной пакетной телефонии // Электросвязь. -2000. 10. стр. 14-15.

12. Вишневский В. М., Ляхов А. И. Оценка пропускной способности локальной беспроводной сети при высокой нагрузке и помехах. // АиТ. 2001 №8. стр.81-96.

13. Вишневский В. М., Ляхов А. И. Оценка производительности беспроводной сети в условиях помех. // АиТ. 2000 №12. стр.87103.

14. Вишневский В. М., Ляхов А. И., Терещенко Б. Н. Моделирование беспроводных сетей с децентрализованным управлением. // АиТ. 1999 т. стр.88-99.

15. Вишневский В. М., Талалай А. И. Автоматизация проектирования сетей связи ЭВМ автоматизированных систем массового обслуживания. // Автоматизированные системы массового обслуживания/Ин-т проблем управления. 1984 стр.14-21.

16. Дудин А. Н., Клименок В. И. Системы массового обслуживания с коррелированными потоками. Мн.: Изд-во Белорус, ун-та, 2000.

17. Дудин А. Н., Клименок В. И., Царенков Г. В. Расчет характеристик однолинейной системы обслуживания с групповым марковским потоком, полумарковским обслуживанием и конечным буфером. // АиТ. 2002 №8. стр.87-101.

18. Ершов М. А., Кузнецов Н. А. Теоретические основы построения цифровой сети с интеграцией служб. -М.: ИППИ РАН, 1995.

19. Жожикашвили В. А., Вишневский В. М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ. // Радио и связь. 1988.

20. Крыленко А. В. Сети с несколькими типами заявок, двумя дисциплинами и обходами узлов заявками. // АиТ. 2000 №10. стр.95-106.

21. Крыленко А. В., Малинковский Ю. В. Сети массового обслуживания с мгновенно обслуживаемыми заявками. II. Модели снесколькими типами заявок. // АиТ. 1998 №2. стр.62-71.

22. Кузнецов Н. А., Вишневский В. М., Гоев А. И., Дмитриев В. П. Беспроводные оптоэлектронные системы передачи информации // ВКСС connect. -2001. №5. стр. 19-23.

23. Лагутин В. С. Оценка характеристик совместной передачи речевых сообщений и данных цифровыми каналами широкополосных сетей связи. // АиТ. 1999 №11. стр.30-39.

24. Лазарев В. Г. Интеллектуальные цифровые сети. -М.: Финансы и статистика, 1996.

25. Ляхов А. И. Асимптотический анализ моделей иерархических локальных сетей с многопроцессорными серверами. // АиТ. 1999 №12. стр.82-93.

26. Печинкин А. В., Рыков В. В. О декомпозиции замкнутых сетей с зависимым обслуживанием // Автоматика и телемеханика. -1999. -№11. стр. 58-69.

27. Семенюта А. И. Метод построения модели обслуживания вызовов на участке ведомственной телекоммуникационной сети. // АиТ. 1999 №7. стр.59-65.

28. Хинчин А. Я. Работы по математической теории массового обслуживания. -М.: Физматгиз, 1963.

29. Шварц М. Сети связи: протоколы моделирование и анализ. -М.: Наука, 1992.

30. I. F Akyildiz et al. Mobility management in current and future communication networks.// IEEE Network Magazine, pp. 39-50. July/August 1998.

31. H. L. Bertoni. Radio Propagation for Modern Wireless Systems. // Prentice Hall, New Jersey. 2000.

32. E. Buracchini. The software radio concept. // IEEE Communication Magazine, pp. 138-143. September 2000.

33. A. Chandra, V. Gummalla, and J. O. Limb,. Wireless medium access control protocols. // IEEE Communications Surveys. Vol. 3. No. 2. Second Quarter 2000.

34. S. Chakrabarti and A. Mishra. A network architecture for global wireless position location services. //Proc. ICC'99. pp. 1779-1783. 1999.

35. Leon W. Couch II. Digital and analog communication systems. // Prentice Hall, New Jersey. 2001.

36. B. P. Crow, I. Widjaja, L. G. Kim, and P. T. Sakai. IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks. // IEEE Communication Magazine. Vol. 35. No. 9. pp. 116-126. September 1997.

37. J. Feigin and K. Pahlavan. Measurement of characteristics of voice over IP in a wireless LAN environment. // IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications (MoMuC'99). pp. 236-240. 1999.

38. V. K. Garg. Wireless Network Evolution: 2G to 3G. // Prentice Hall, New Jersey. 2002.

39. D. J. Goodman. Wireless Personal Communication Systems. // Addison-Wesley. 1997.

40. Simon Haykin. Communication Systems, 4th edition. // John Wiley & Sons, NY. 2000.

41. S. J. Howard and K. Pahlavan. Measurement and analysis of the indoor radio channel in the frequency domain. // IEEE Trans. Instr. Meas., No. 39, pp. 751-755. 1990.

42. R. Kalden, I. Meirick, and M. Meyer. Wireless Internet access based on GPRS. // IEEE Personal Communications. Vol. 7. No. 2. pp. 8-18. April 2000.

43. J. Khan-Josh. HIPERLAN-2 and home networking. // Wireless Home Networking Workshop. Brussels. May 24. 2000.

44. P. Krishnamurthy, K. Pahlavan, and J. Beneat. Radio propagation modeling for indoor geolocation application // Proceedings of

45. EE PIMRC'98. September. 1998.

46. W. C. Y. Lee. Smaller cells for greater perfomance. // IEEE Communications Magazine, pp. 19-23. November. 1991.

47. Joseph Mitola III. Software radio architecture: Object-oriented approaches to wireless systems engineering. // John Wiley k, Sons. 2000.

48. A. J. Motley. Radio coverage in buildings. // Proc. Nat. Comm. Forum. Chicago, pp. 1722-1730. October. 1998.

49. K. Negus, A. Stephens, and J. Lansfield. HomeRF: Wireless networking for the connected home. // IEEE Personal Communication. Feb. 2000.

50. K. Pahlavan, A. Zahedi, and P. Krishnamurthy. Wideband local access: Wireless LAN and wireless ATM. // IEEE Communications Magazine. Vol. 35. No. 11. pp. 34-40. Nov. 1997.

51. T. S. Rappaport. Wireless Communications: Principles and practice. // Prentice Hall, New Jersy. 1995.

52. B. Sarikaya. Packet mode in wireless networks: overview of transition to third generation // IEEE Communication Magazine. Vol. 38. No. 9. pp. 164-172. Sept. 2000.

53. Steven С. Bruell, Gianfranco Balbo. Computation Algorithms for Closed Queueing Networks. // North Holland. 1980.

54. R. D. Tingley, and K. Pahlavan. Space-time measurement of indoor radio propagation. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 50. No. 1. pp. 22-31. Feb. 2001.

55. Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition.

56. A. Zahedi and K. Pahlavan. Capacity of a wireless LAN with voice and data services. // IEEE Trans, on Comm. July. 2000.

57. M. Zhang and T-S. P. Yum. The non-uniform compact pattern allocation algorithm for cellular mobile systems. // IEEE Transactions on Vehicular Technology. Vol. 40. No. 2. pp. 387-391. May. 1991.