Методы и алгоритмы увеличения эффективности передачи информации в AD HOC сетях с высокоскоростными объектами при использовании направленных антенн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Смирнов, Алексей Витальевич

• Смирнов, Алексей Витальевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Смирнов, Алексей Витальевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы увеличения эффективности передачи информации в AD HOC сетях с высокоскоростными объектами при использовании направленных антенн»

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.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Смирнов, Алексей Витальевич

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.