Модели и методы применения нечеткой логики в когнитивных беспроводных системах передачи данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Саид Моджиб Абдулхаким Саиф

• Саид Моджиб Абдулхаким Саиф
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Саид Моджиб Абдулхаким Саиф

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ.

1.1. Текущее состояние беспроводных сетей связи.

1.2. Эволюция технологий построения беспроводных сетей связи.

1.3. Анализ развития стандартов беспроводных сетей передачи данных.

1.4. Особенности построения беспроводных когнитивных сетей и систем.

1.4.1. Когнитивная радиосистема.

1.4.2. Когнитивная беспроводная сеть.

1.4.3. Архитектура беспроводной когнитивной системы.

1.5. Когнитивные беспроводные самоорганизующиеся сети.

1.5.1. Основные проблемы построения мобильных беспроводных самоорганизующихся сетей.

1.6. Нечеткая логика и особенности ее применения в когнитивных беспроводных сетях.

1.6.1. Основные особенности применения нечеткой логики в беспроводных самоорганизующихся сетях.

1.7. Выводы.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ И МЕТОД НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ АДАПТИВНОЙ OFDM МОДУЛЯЦИЕЙ.

2.1.Нечеткая оценка отношения сигнал/шум в беспроводном канале.

2.2.Нечеткая адаптация поднесущих сигналов OFDM.

2.3.Общее моделирование системы нечеткого адаптивного управления

OFDM модуляцией.

2.4. Результаты моделирования.

2.5. Выводы.

ГЛАВА 3. УПРАВЛЕНИЕ МНОЖЕСТВЕНЫМ ДОСТУПОМ В БЕСПРОВОДНЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СЕТЯХ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ.

3.1. Особенности построения протоколов множественного доступа в беспроводных самоорганизующихся сетях.

3.2.Модель системы нечеткого управления множественным доступом.

3.3.Структура системы нечеткого управления множественным доступом.

3.4.Результаты моделирования.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ МАРШРУТИЗАЦИИ В

Ф БЕСПРОВОДНЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СЕТЯХ С

ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ.

4.1. Классификация и анализ протоколов маршрутизации.

4.2. Обеспечение качества обслуживания С>о8.

4.3. Разработка предлагаемого метода маршрутизации для БСС-сети.

4.4. Модель сети с нечеткими данными о состоянии радиолиний.

4.5. Применение аппарата нечеткой логики для решения задач маршрутизации.

4.6. Разработка блока принятия решения (нечеткого контроллера) и ф результаты моделирования.

4.7. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы применения нечеткой логики в когнитивных беспроводных системах передачи данных»

Актуальность темы. В последнее время развитие беспроводных сетевых технологий идет в направлениях: увеличения скорости передачи данных, повышения степени мобильности пользователей, расширения количества представляемых услуг, улучшения степени использования радиочастотного спектра и степени интеллектуальности сетевого и абонентского оборудования.

В этих условиях начал проявляться рад противоречий в области беспроводных сетевых технологий, наиболее острыми из которых являются:

- противоречие между увеличивающимся спросом на услуги беспроводных сетей связи (на рабочие частоты) и природными ограничениями частотных ресурсов,

- противоречие между расширением спектра представляемых беспроводными сетями услуг, увеличением требований к их качеству и использованием традиционных (устаревших) технологий управления.

Одним из эффективных методов разрешения перечисленных противоречий является применение в беспроводных телекоммуникационных системах элементов искусственного интеллекта.

Таким образом, разработка технологий построения интеллектуального (когнитивного) радио и когнитивных беспроводных сетей, являются технологическим императивом времени. Функции искусственного интеллекта в перспективных беспроводных системах и сетях могут быть реализованы разными способами.

Одним из современных подходов к реализации функций искусственного интеллекта в когнитивных беспроводных системах сетей является применение нечеткой логики и нечетких процессоров.

В этой связи диссертационная работа, направленная на исследование вопросов применения нечеткой логики в перспективных беспроводных когнитивных системах, является актуальной.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в разработке технологии построения когнитивных беспроводных систем передачи данных (КБСПД) на основе применения нечеткой логики и нечетких контроллеров.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Исследование основных направлений развития беспроводных систем и сетей передачи данных.

2. Разработка модели и метода нечеткого управления адаптивной ОРБМ-модуляцией.

3. Разработка модели и метода нечеткого управления множественным доступом в КБСПД.

4. Разработка метода и алгоритма маршрутизации при нечетких исходных данных о состоянии сети.

Методы исследования. В настоящей работе использованы методы теории вероятностей, теории алгебры логики, теории нечетких множеств, теории массового обслуживания и теории графов. Для численного анализа используется пакет прикладного программирования МАТЪАВ 7.4.

Научная новизна. Наиболее существенными новыми научными результатами, принадлежащими лично автору, являются:

1. Предложена модифицированная многоуровневая модель построения когнитивных беспроводных систем передачи данных, особенностью которой является введение плоскости искусственного интеллекта, поддерживающего когнитивные функции на всех уровнях архитектуры.

2. Предложен метод нечеткого адаптивного управления ОБОМ-модуляцией.

3. Предложны новые модель и метод нечеткого управления множественным доступом в КБСПД.

4. Разработана новая модель и предложен новый метод маршрутизации при нечетких исходных данных о состоянии радиолиний беспроводной сети. 8

Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могут найти применение при разработке и построении перспективных когнитивных беспроводных систем и сетей передачи данных. Некоторые результаты диссертационной работы могут использоваться в СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при чтении лекций по ряду дисциплин. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на 64-й и 66-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов СПбГУ, на 62-й и 63-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ, на XII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика «РИ-2010», на VII Санкт-Петербургской международной конференции «Информационная безопасность регионов России «ИБРР-2011», а также на заседаниях кафедры обработки и передачи дискретных сообщений СПбГУТ в 2009, 2010, 2011 и 2012 годах. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в материалах научно-технических конференций, форумов и в журналах отрасли.

Публикации. По материалам диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (71 источник). Общий объём работы составляет 134 страницы текста, включая 46 рис. и 8 табл.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Саид Моджиб Абдулхаким Саиф

4.7. Выводы

В данной главе был предложен модифицированный метод маршрутизации для БСС-сети, базирующийся на аппарате нечеткой логики.

Основными достоинствами метода являются:

125

• Возможность поиска множества маршрутов при поступлении запроса приложения установить сессию.

• Возможность учета одновременно 5 параметров состояния узлов и каналов связи при выборе оптимального маршрута из множества найденных.

• Возможность оптимизации разработанного протокола маршрутизации через настраиваемые параметры для заданного сценария работы сети, например, с целью повышения показателей качества обслуживания и непрерывности обслуживания абонентов.

• Повышение отказоустойчивости при сбое на маршруте передачи данных за счет двух резервных маршрутов.

Была разработана общая структура контроллера нечеткой логики, определены входные и выходные параметры. В процессе анализа различных параметров оценки маршрутов был определен набор параметров, которые могут быть использованы на практике: доступная пропускная способность, задержка передачи пакета, загруженность пакетных буферов, джиттер, количество промежуточных узлов.

Можно отметить, что предлагаемый протокол маршрутизации является универсальным решением для всех сценариев работы беспроводных самоорганизующихся сетей в том смысле, что он позволяет оптимизировать свои параметры для функционирования в каждом выбранном сценарии с целью повышения показателей качества обслуживания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и исследованы модели и методы применения нечеткой логики в КБСПД. Основные результаты данной работы сводятся к следующим положениям:

1. Беспроводные сети передачи данных развиваются в направлении построения перспективных когнитивных сетей передачи данных, в которых предусматривается широкое использование элементов искусственного интеллекта на всех уровнях архитектуры.

2. Применение нечеткого контроллера на основе нечеткой логики на физическом уровне позволяет повысить качество адаптивного управления OFDM модуляцией.

3. Применение нечеткого контроллера на уровне звена данных подуровне MAC) позволяет эффективно использовать полосу пропускания и поддерживать высокое качество обслуживания.

4. Применение нечетких вычислений на сетевом уровне повысить устойчивость работы сети в целом.

5. Применение нечеткой логики является одной из перспективных технологий для построения когнитивных беспроводных сетей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Саид Моджиб Абдулхаким Саиф, 2012 год

1. Гладун А.Я. Когнитивные сети и онтологический анализ в повышении адаптивности и качества обслуживания в гетерогенной беспроводной среде / А .Я. Гладун, Ю.В. Рогушина // Материалы международной научно-технической конференции OST1.-2012. С.493-500

2. Комашинский В. От телекоммуникационной к когнитивной инфокоммуникационной системе / В. Комашинский, Н. Мардер, А. Парамонов //. Технологии и средства связи №4, 2011. С.67-75.

3. Комашинский В. И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации./ В. И. Комашинский, А. В. Максимов // СПБ.: Изд-во Лема, 2006. 238с.

4. Койнов А. Решение SDR для аппаратуры WiMAX / А. Койнов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, №2, 2007. С76-80.

5. Mitola J. Cognitive radio: making software radios more personal / J. Mitola, G. Q. Maguire // Personal Communications, IEEE. 1999. Vol. 6. P.13-18.

6. Балонин H.A. Беспроводные персональные сети на основе ZigBee / H.А. Балонин, М.Б. Сергеев // учебное пособие. СПб: ГУАП, 2012. - 58 с.

7. Виншневский В. Энциклопедия WiMAX путь к 4G / В. М. Вишневский, С. Л. Портной, И. В. Шахнович //—М.: Техносфера, 2009. 472с.

8. Гепко И.А. Бондаренко А.В. Современные беспроводные сети: состояние и перспективы развития / И.А. Гепко, В.Ф. Олейник, Ю.Д. Чайка //- К.: «ЕКМО», 2009. -672с.

9. Ю.Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. Москва: Техносфера, 2006. 288 с.

10. Кучерявый А. Е. Сети связи общего пользования: тенденции развития и методов расчета / А.Е. Кучерявый, А.И. Парамонов, Е.А. Кучерявый. -М.: ФГУП ЦНИИС, 2008. 296 с.

11. Кучерявый А. Е. Самоорганизующиеся сети и новые услуги / А. Е. Кучерявый // Электросвязь, № 1 2009. С. 19-23.

12. З.Вишневский В. М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации / В. М. Вишневский, А. И. Ляхов, С. JI. Портной, И. В. Шахнович. -М.: Техносфера, 2005. 592с.

13. Вишневский В. М. Технология сотовой связи LTE почти 4G / В. М. Вишневский, А. Красилов, И. В. Шахнович //.Первая миля, № 2 2009. С.2-13.

14. Cha S. L. Spectral Efficiency of WRAN Spectrum Overlay in the TV White Space / S. 1. Cha, W. K. Sang, K. Chang-Joo, K. Sung-Chul, and L. Jaiyong // ETRI Journal, Volume 30, Number 6, December 2008. P.871-873.

15. Mitola J. Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications / Mobile Multimedia Communications // (MoMuC '99) 1999 IEEE International Workshop. 1999. P. 3-10.

16. Haykin S. Cognitive radio: brain-empowered wireless communication. Selected Areas in Communications, IEEE Journal. 2005. Vol. 23. P. 201220.

17. Начала работу первая сотовая сеть на основе интеллектуальной радиосвязи. http://venture-biz.ru/tekhnologii-innovatsii/105-cognitive-radio?format=:pdf

18. Станкевич JI. А. Когнитивные системы и агенты / Л. А. Станкевич, С.

19. B. Серебряков // Труды СПИИРАН. Вып. 3, т. 1. СПб.: Наука, 2006.1. C.71-87.

20. Balamuralidhar P. A context driven architecture for cognitive nodes / P. Balamuralidhar and R. Prasad // Wireless Personal Communications 45 (2008), P.423—434.

21. Thomas R.W. Cognitive Networks. http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-07172007-150149/unrestricted/Thomas CognitiveNetworksDiss4.pdf

22. Thomas R.W. Cognitive Networks / R.W. Thomas, L.A. DaSilva, A.B. MacKenzie // Proc. IEEE DySPAN 2005, Nov. 2005, pp. 352-60.

23. Баранов В.П. Синтез микропрограммных автоматов. М.: Нолидж, 1997.-376 с.

24. Ramming С. Cognitive networks. Proceedings of DARPATech Symposium, March 2004. pp.9-11.

25. Stefano B. Mobile Ad Hoc Networking / B. Stefano, C. Marco // IEEE-John Wiley, 2004.

26. Миночкин А.И. Управление качеством обслуживания в мобильных радиосетях / А.И. Миночкин, В.А. Романюк // Зв'язок. № 8, 2005. С. 17-24.

27. Chlamtac I. Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges / I. Chlamtac, M. Conti, J. Jennifer, N. Liu // Ad Hoc Networks №1, 2003. PI 3-64.

28. Романюк В. Мобильные радиосети- перспективы беспроводных технологий //сети телекоммуникации, декабрь 2003, С.62-68.

29. Миночкин А.И. Управление энергоресурсом мобильных радиосетей / А.И. Миночкин, В.А Романюк // Зв'язок. 2004. - № 8. - С. 50-53.

30. Jung Е. S. A Power. Control MAC Protocol for Ad Hoc Networks // In Proceeding MOBICOM'02, September, 2002. P. 23-28.

31. Миночкин А.И. Методы множественного доступа в мобильных радиосетях / А.И. Миночкин, В.А Романюк // материал технической информации, Зв'язок. № 2, 2004. - С.46-50.

32. Баер П. Введение в нечеткую логику и системы нечеткого управления / П. Баер, С. Новак, Р. Винклер // http://softlab.od.ua/algo/neuro/fuzzv-intro/

33. Бураков М.В. Механизм адаптации нечёткого регулятора. Известия академии наук // Теория и системы управления №1, 1998, - с. 84-87.

34. Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствам MATLAB -М.: Горячая линия Телеком, 2007. - 288 с.

35. Тэрано Т. Прикладные нечеткие системы / Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно // М.: Мир, 1993. - 368 с.

36. Рутковская, Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пилиньский, J1. Рутковский; пер. И.Д. Рудинского // М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 452 с.

37. Яхъяева Г.Э. Основы информационных технологий -нечеткие множества и нейронные сети // учебное пособие. М.: 2006.-316 с.

38. Борисов В.В. Нечеткие модели и сети / В.В. Борисов, В.В. Круглов, А.С. Федулов// М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 284 с.

39. Sumit G. A Survey of Recent Advances in Fuzzy Logic in Telecommunications Networks and New Challenges/ G. Sumit, R. Qutaiba and C. Aivars // IEEE transactions on fuzzy systems, vol. 6, №. 3, August 1998. P.443—447.

40. Мальцев А.А. Исследование характеристик OFDM-систем радиосвязи с адаптивным отключением поднесущих / А.А. Мальцев, А.Е. Рубцов// Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 5, С.43^9.

41. Armstrong J. Analysis of new and existing methods of reducing intercarrier interference due to carrier frequency offset in OFDM // IEEE Transactions On Communications. -1999. -March. Vol. 47, no. 3.

42. Светлов, M. С. Математическая модель канала передачи данных системы цифрового телерадиовещания / В. В. Киселев, М. С. Светлов // Сб.тр. МНК ATM ТКИ-50. Саратов: СГТУ, 2009. - С. 250-252.

43. Светлов, М. С. Особенности моделирования одночастотных сетей цифрового телерадиовещания стандарта DVB-T / В. В. Киселев, А. А. Львов, М. С. Светлов // Научно-технический журнал "Вестник СГТУ". Саратов: СГТУ, 2010. - №4(51). - С. 145-150.

44. Chow P.S. A practical discrete multi tone transceiver loading algorithm for data transmission over spectrally shaped channels / P.S.Chow, J.M.Cioffi and J.A.C Bingham// IEEE Transactions Communications, vol 38, 1995, pp. 772-775.

45. Cyzlwik A. Adaptive OFDM for wideband radio channels, Global Telecommunications Conference, vol. 1, Nov 1996, pp713-718.

46. J.Faezah, and K.Sabira Adaptive Modulation for OFDM Systems, Vol. 1, No. 2, August 2009.

47. Рубцов A.E., Южанина A.H. Тез. докл. «X Нижегородской сессии молодых ученых». Н. Новгород, май 2005.

48. Cioffi J.M. Lectures on Digital Communications. Stanford University, 2001.

49. Beaulieu N. С Comparison of four SNR estimators for QPSK modulations / N. C. Beaulieu, A. S. Toms and D. R. Pauluzzi // IEEE Communication Letters, vol. 4, No. 2, February 2000, pp.43^15.

50. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи, M.: изд. Горячая линия-Телеком, 2006. -529с.54.0лифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 4-е изд. -СПб:. Питер, 2011. 944с.

51. Романюк В. Мобильные радиосети- перспективы беспроводных технологий//сети телекоммуникации, декабрь 2003, С.62-68.

52. Qusay М. Cognitive Networks: Towards Self-Aware Networks // IEEE-John Wiley, 2007. -368p.

53. Миночкин А.И. Протоколы маршрутизации в мобильных радиосетях / А.И. Миночкин, В.А Романюк //Зв'язок, №1, 2001, с. 31-36.

54. Громовский А.В. Алгоритм маршрутизации EXZRP в интегрированных сетях нового поколения // Комп'ютерш засоби, мереж1 та системи. № 6, 2007, С.111-118.

55. Perkins С. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing / C. Perkins, E. Belding-Royer // Request for Comments: 3561. 2003. - Режим доступа: http://tools.ietf.org/html/rfc3561, свободный.

56. Жуков И. А. Обеспечение заданного уровня качества обслуживания в объединенных сетях / И.А. Жуков, И.А Клименко // Проблеми шформатизацп та управлшня: 36. наук. пр. К.: НАУ, 2005. - Вип. 13.- С.5-14.

57. Моу J., RFC 2328: OSPF Version 2, Network Working Group, April 1998.- Режим доступа: http://tools.ietf.org/html/rfc2328, свободный.

58. Kenneth H. Wireless Extensions to OSPF: Implementation of the Overlapping Relays Proposal// Master thesis, 2nd May 2006. Режим доступа: http://www.quagga.net/docs/masterthesis Kenneth Holter.pdf, свободный

59. Rea S. Multi-metric routing decisions for ad hoc networks using fuzzy logic / S. Rea, D. Pesch // 1st International Symposium on Wireless Communication Systems. 2004. - P. 403- 407.

60. Alandjani G. Fuzzy routing in ad hoc networks / G. Alandjani, E. Johnson // Performance, Computing, and Communications Conference: Conference Proceedings of the 2003 IEEE.