Применение хоппинга для повышения эффективности использования пучка дискретных каналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Шевнина, Ирина Евгеньевна

• Шевнина, Ирина Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевнина, Ирина Евгеньевна

Введение.

1 Оценка потенциального эффекта от введения алгоритмов построения приоритетных логических каналов и управления хоппингом. Постановка задач исследования.

2 Разработка методик определения параметров канала для удовлетворения заданных требований.

2.1 Разработка методики определения параметров канала с независимым характером доступности слотов для удовлетворения заданных требований.

2.2 Разработка методики определения параметров канала с удовлетворения характером доступности слотов для удовлетворения заданных требований.

3 Использование регулярного хоппинга для построения логических каналов с заданными характеристиками.

3.1 Классификация видов хоппинга.

3.2 Вычисление параметров логического канала, образованного регулярным хоппингом в пучке каналов с независимым характером доступности слотов. Стафоппинг.

33 Вычисление параметров логического канала, образованного регулярным хоппингом в пучке каналов с группирующимся характером доступности слотов.

3.3.1 Вычисление параметров логического канала, образованного параллельным использованием исходных каналов пучка.

3.3.2 Вычисление параметров логического канала, образованного регулярным последовательным хоппингом.

3.3.3 Вычисление параметров логического канала, образованного регулярным параллельным хоппингом.

3.3.4 Вычисление параметров логического канала, при параллельном хоппинге с чередованием.

3.4 Вычисление вероятностей кратных ошибок при параллельной передаче по нескольким дискретным каналам, описываемым простой марковской цепью.

4 Использование нерегулярного хоппинга для построения приоритетных логических каналов и минимизации коэффициента потерь блоков.

4.1 Прогнозирование доступности слота по результатам предыдущих попыток в каналах с группирующимися ошибками.

4.2 Классификация алгоритмов нерегулярного хоппинга.

4.3 Моделирование алгоритмов построения приоритетных логических каналов и управления хоппингом.

4.4 Алгоритмы обработки канальных массивов.

4.5 Анализ результатов моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение хоппинга для повышения эффективности использования пучка дискретных каналов»

Актуальность работы: В настоящее время большое внимание уделяется проблеме обеспечения качества передачи информации. Одним из путей ее решения является разработка методов, повышающих эффективность использования ресурсов имеющихся каналов. Традиционно для этих целей применяют адаптивные системы. Известны различные классы адаптивных систем, многие их которых широко используются в системах передачи. Вопросами анализа адаптивных систем занимались М.Н. Арипов, Э.Л. Блох, H.H. Буга, Л.Ф. Жигулин, Л.П. Коричнев, О.В. Попов, Л.А. Растригин, Ю.Г. Ростовцев, Б.Я. Советов, А.И. Фалько, В.А. Шапцев, В.П. Шувалов, M. Zorzi и другие.

Рост возможностей элементной базы позволил перейти к реализации концепции построения интеллектуальных систем связи, способных изменять свои внутренние параметры, адаптируясь не только к уже произошедшим изменениям условий передачи, но и предсказывать эти изменения, что сокращает время реакции. Основные постулаты концепции, получившей название «Когнитивного радио», были сформулированы J. Mitola III в 1999 году. Развитие данной идеологии получило продолжение в работах G. Q. Maguire Jr, В. A. Fette, Senhua Huang, Xin Liu, Zhi Ding.

Для оценки текущих условий передачи и прогнозирования их изменения в будущем на различных уровнях системы могут использоваться различные параметры. На уровне канала передачи данных наименее затратной является оценка состояния канала путем анализа качества приема блоков или занятости канального слота первичным абонентом, имеющим высший приоритет.

Как показывает анализ работы систем, первичные абоненты не используют весь временной ресурс выделенных каналов: существуют периоды активности первичного абонента и паузы, которые могут использоваться для передачи менее приоритетного трафика вторичных абонентов. В этой связи для повышения эффективности использования канального ресурса была предложена концепция гибкого доступа (opportunistic access). Вопросам гибкого доступа посвящены работы: Xin Liu, Bhaskar Krishnamachari, Hua Liu R. Knopp, P. Humblet, Q. Zhao, L. Tong, A. Swami, S. Huang.

Q. Zhao, B. Krishnamachari, K. Liu рассматривали вопросы повышения эффективности использования пучка из двух каналов вторичными абонентами, применяя для управления гибким доступом циклический алгоритм смены каналов. Philip A. Chou, Z. Miao рассмотрели вопросы передачи MPEGпотоков, имеющих внутренний приоритет блоков, по пучку каналов, описываемых цепями Маркова.

Как поражение блоков, так и занятость канальных слотов первичными абонентами в большинстве случаев имеет группирующийся характер. Группирование позволяет с определенной точностью прогнозировать доступность слотов для передачи в ближайшем будущем. В этой связи представляется актуальным разработка алгоритмов, обеспечивающих прогноз доступности слотов каналов пучка, а также алгоритмов оперативного ранжирования каналов по качеству и динамического выделения слотов для передачи блоков с учетом приоритетов, использующих результаты прогноза.

Цель работы: Разработка методов, методик и алгоритмов эффективного использования ресурсов пучка каналов для удовлетворения заданных требований к качеству передачи данных с разным приоритетом потоков.

Методы» исследования: В диссертации представлены результаты исследований, полученные с помощью аппарата теории вероятностей, теории марковских цепей, имитационного и математического моделирования.

Научная новизна:

1. Разработаны методики определения параметров канала, обеспечивающего заданное качество обслуживания (среднюю производительность, допустимый коэффициент потерь блоков и максимальное количество переспросов блока) для двух моделей доступности слотов канала (биномиальная модель и модель Гилберта).

2. В классе марковских цепей разработаны модели для оценки параметров результирующих логических каналов, образованных парой физических каналов посредством трех видов регулярного неравномерного хоппинга (последовательным хоппингом, параллельным хоппингом и параллельным хоппингом с чередованием канальных слотов).

3. Предложены три алгоритма построения приоритетного логического канала, основанные: 1 - на учете параметров модели Гилберта, описывающей доступность слотов физических каналов пучка; 2 — на средней статистике доступности слотов физических каналов; 3 - на анализе текущей доступности слотов пучка каналов. Предложенные алгоритмы управления нерегулярным хоппингом позволяют увеличить до 50 % вероятность доступности слотов приоритетного логического канала (ПЛК) по сравнению с лучшим физическим каналом пучка и обеспечить уменьшение потерь доступных слотов пучка для передачи неприоритетного трафика по сравнению с параллельным использованием физических каналов в ПЛК, в предположении, что доступность слотов физических каналов пучка описывается марковской цепью.

4. Предложены три алгоритма управления нерегулярным хоппингом, позволяющие снизить коэффициент потерь блоков при передаче потока блоков с ограничением допустимого числа повторных передач по пучку каналов. В предположении, что доступность слотов физических каналов пучка описывается марковской цепью, данные алгоритмы позволяют уменьшить потери блоков до 20 раз в зависимости от допустимого числа повторных передач, числа каналов в пучке и их параметров.

Практическая ценность работы и внедрение ее результатов: Предложенные методы и алгоритмы построения логических каналов позволяют формировать каналы, обеспечивающие удовлетворение требований к качеству обслуживания и увеличить эффективность использования имеющегося ресурса пучка каналов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке системных решений в ЗАО «Национальный институт радио и инфокоммуника-ционных технологий» и используются в учебном процессе в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» на кафедре передачи дискретных сообщений и метрологии и подтверждены актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:

1. Международном семинаре «Электронные приборы и материалы», EDM. - Эрлагол, 2008.

2. X международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей». — Новосибирск, 2008.

3. XXV международной конференции Российской академии естественных наук (РАЕН) «Мобильный бизнес: перспективы развития и проблемы реализации систем мобильной связи в России и за рубежом». - Ньян-Чанг, 2009.

4. Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций». - Новосибирск, 2008, 2009, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. В их числе: 3 статьи - в научных периодических журналах (из них 2 — в журналах, рекомендованных ВАК), 8 докладов - в материалах научных конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и трех приложений. Содержит 133 страницы, 2 таблицы, 86 рисунков. Список литературы состоит из 72 наименования.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Шевнина, Ирина Евгеньевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные задачи исследования.

1. Разработана методика определения параметров канала с независимым характером доступности слотов для удовлетворения заданных требований на качество обслуживания по средней производительности источника, допустимому коэффициентом потерь блоков и максимальному количеству переспросов блока.

2. Разработана методика определения параметров канала с группирующимся характером доступности слотов, описываемым марковской цепью с двумя состояниями для удовлетворения заданных требований по средней производительности источника, допустимому коэффициентом потерь блоков и максимальному количеству переспросов блока.

3. Проведено сравнение основных характеристик каналов с независимым и группирующимся характером доступности слотов при одинаковых средних вероятностях доступности слотов.

4. Получены выражения для определения средней вероятности ошибки и коэффициента потерь блоков в результирующих каналах, образованных различными видами регулярного неравномерного хоппинга при независимом характере доступности слотов исходных каналов пучка.

5. Разработана методика определения соотношения длин слотов хоппинга для удовлетворения заданных требований к качеству обслуживания в пучке из двух каналов с независимым характером доступности слотов.

6. Разработаны математические модели для вычисления параметров результирующих каналов, образованных параллельным использованием двух и трёх каналов с группирующимся характером доступности слотов.

7. Разработаны математические модели для вычисления параметров результирующих каналов, образованных различными видами регулярного неравномерного хоппинга в пучке из двух каналов с группирующимся характером доступности слотов, в частности: при регулярном неравномерном последовательном хоппинге; при регулярном неравномерном параллельном хоппинге; при регулярном неравномерном параллельном хоппинге с чередованием канальных слотов.

8. Получены выражения для коэффициентов прогноза качества передачи блока на основании анализа результата последнего известного принятого блока и задержки квитанции.

9. Предложены алгоритмы создания приоритетного логического канала на базе пучка с коэффициентом недоступности слота не большим, чем у исходных каналов.

10. Предложены алгоритмы управления нерегулярным хоппингом, позволяющие в несколько раз снизить коэффициент потерь блоков из-за превышения допустимого числа повторных передач по сравнению с неуправляемой передачей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шевнина, Ирина Евгеньевна, 2011 год

1. R. Knopp and P. Humblet "1.formation capacity and power control in single cell multi-user communications" in Proc. Intl Conf. Comm. (Seattle, WA), pp. 331-335, June.

2. J. Mitola III and G. Q. Maguire Jr., "Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal," IEEE Pers. Commun., vol. 6, no. 4, Aug. 1999. pp. 13-185: B'. A. Fette, Ed., Cognitive Radio Technology, Elsevier, 2006.

3. Senhua Huang, Xin Liu, and Zhi Ding. "On Optimal Control for Opportunistic Spectrum Access of Cognitive Radio Networks"

4. L. Lai, H. E. Gamal, H. Jiang, and H. V. Poor. (2007) Cognitive mediunr access: Exploration; exploitation and competition. Online. Available: http://arxiv.org/abs/0710.1385

5. Q. Zhao, В. Krishnamachari, К. Liu. On myopic sensing for multichannel opportunistic access: structure, optimality, and performance // IEEE Wireless Commun., vol. 7, no. 12, Dec. 2008. pp. 5431-5440

6. S.Guha, K. Munagala, S. Sarkar Jointly optimal transmission and probing strategies for multichannel wireless systems., Proc. Of Conference on Information Sciences and Systems (CISS), March, 2006.

7. К. Liu, Q. Zhao Channel Probing for Opportunistic Access with multichannel sensing // IEEE Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers., October. 2008.

8. Le Gall, Didier, "MPEG: A Video Compression Standard for Multimedia Applications," Communications of the ACM, vol. 3, no. 4, April 1991, pp. 46-58.

9. Финк JI. M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советское радио, - 1970. — 728 с.

10. Гилберт Э. Н. Пропускная способность канала с пакетами ошибок. «Кибернетический сборник», - 1964. — №9.

11. Zorzi М., Rao R.R'. and Milstein L. В. On the accuracy of first-order Markov model for data transmission on fading channelsWIn ICUPC, November 1995.

12. Zorzi M:, Rao R. R. and Milstein L. B. A Markov model for block errors on fading channelsWIn PIMRC, 1996.

13. Zorzi M. and Rao R. R. On the Statistics of block errors in bursty channels // IEEE Transaction on Communications, June, 1997.

14. Garcia-Frias J., Villasenor J. D., Turbos Decoding of Gilbert-Elliot channels, IEEE Communications, Vol. 50, No. 3, March 2002, pp. 357-363.

15. Эллиот. Оценка частости ошибок при использовании кодов в каналах с пакетными помехами. В сб. переводов: "Статистика ошибок при передаче цифровой информации". М., "Мир", 1966.

16. Мс Culough R.H. The binary regenerative channel. BSTJ. 1968, vol. 47, №8.

17. Смит, Боуэн, Джойс. Оценка качества телефонных линий с точки зрения передачи цифровой информации. В сб. переводов: "Статистика ошибок при передаче цифровой информации". М., "Мир", 1966:

18. Петрович В.И. Вероятностная модель ошибок при передаче данных. Тезисы докладов конференций. Ч. I. Минск, октябрь 1966.

19. Fritchman B.D. A Binary Channel Characterization Using Partitioned Markov Chains. IEEE Trans. On Information Theory, 1967, vol. IT-13, N 2.

20. Swoboda J. Ein statistischen Modell fur die Fehler bei binarer Datenübertragung auf Fernsprechkanälen. Arch. Elektr. Ubertrag. 1969, N 6.

21. Müller K. Simulation büschelartiger Strorimpulse "Nachrichtechn. Z.", 1968, 21, N 11, 688-692, IV.

22. Bennet W. R., Froelich F. S. Some Results on the Effectiveness of Error Control Procedures in Digital Transmission. IRE Trans., 1961, CS-9, № 1.

23. Попов О. В., Турин В. Я. О законе распределения вероятностей различного числа ошибок в комбинации. «Электросвязь», 1967, № 5.

24. Амосов А.А., Колпаков В.В. О разложении двоичного канала связи на биноминальные компоненты. Третья конференция по теории передачи и кодирования информации. Изд. ФАН, УзССР, Ташкент, 1967.

25. Бергер и Мандельброт. Модель группирования ошибок при передаче данных по телефонным линиям. В сб. переводов: «Статистика ошибок при передаче цифровой информации». М., «Мир», 1966.

26. Дувакин А.П. Об одной модели потока ошибок в каналах передачи цифровой информации. Четвёртая всесоюзная конференция^ по теории передачи и кодирования информации, секция II, Москва, 1969.

27. Блох Э.Л., Попов О.В., Турин В.Я. Модели источников ошибок в каналах передачи цифровой информации.-М.: Связь, 1971. -312 с.

28. Коржик В. И. Распределение ошибок в канале с релеевскими замираниями. Труды 2-й всесоюзной конференции по теории кодирования. Баку, 1965.

29. Коричнёв Л.П., Королёв В.Д. Статистический контроль каналов связи. М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.1. На уровне элементов

30. Yee J.R., Weldon E.J., Evaluation of the performance of error-correcting codes on a Gilbert channel // IEEE Transactions on Communications, August, 1995.

31. Ebert J.P., Willig A. A Gilbert-Elliot Bit Error Model and the Efficient Use in Packet Level Simulation // TKN Technical Report Series, March, 1999.

32. Garcia-Frias J., Villasenor J. D., Turbo Decoding of Gilbert-Elliot channels // IEEE Transactions on Communications, March, 2002.

33. Zorzi M., Rao R.R. and and Milstein L.B. Error Statistics in Data Transmission over fading Channels // IEEE Transactions on Communications, November, 1998.

34. Zorzi M. and Rao R.R. Lateness Probability of a Retransmission Scheme for Error Control on a Two-State Markov Channel // IEEE Transactions on Communications, October, 1999.

35. Jinghu Chen, R.M. Tanner, A Hybrid Coding Scheme for the Gilbert-Elliot Channel // IEEE Transactions on Communications, 2006.1. На уровне блоков

36. Abhinav Roongta, Jang-Wook Moon, J.M. Shea, Reliability-Based Hybrid ARQ as an Adaptive Response to Jamming // IEEE Transactions on Communications, May, 2005.

37. M. R. Hueda, C.E. Rodriguez, On the relationship between the block error and channel-state Markov Models in transmissions over slow-fading channels // IEEE Transactions on Communications, August, 2004.

38. Seong-Ryong Kang, D. Loguinov, Modeling Best-Effort and FEC Streaming of Scalable Video in Lossy Network Channels // IEEE/ACM Transactions on Networking, February, 2007.

39. Hou C.H., Chang J.F. and Chen D.Y. Sharing of ARQ slots in Gilbert-Elliot Channels // IEEE Transactions on Communications, December, 2004.

40. Зеленцов Б.П. Матричные модели надёжности систем: инженерные методы расчёта. Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1991. 112с.

41. Казаков В.А. Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи. М.: Сов.радио, 1973. 232с.

42. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 576 с.

43. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и её инженерные приложения. Учеб. Пособие для втузов. 2-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2000. -383с.

44. Виноградов И. М. Основы теории чисел. М.-Л.:Гостехиздат, 1952.-180 с.

45. Передача дискретных сообщений: Учебник для вузов/ под редакцией Шувалова В1 П. М.: Радио и связь, - 1990. - 464 с.

46. Клейко Д!.В., Лямин Н.В. Уточнение математической модели хоппинга двух дискретных каналов с группирующимися ошибками // Международная научно-практическая конференция «Современная наука: теория и практика». Ставрополь, 2010. - С. 118-122.

47. Лямин Н.В., Клейко Д.В. Адаптация модели равномерного хоппинг-процесса к разным длинам слотов // VIII Всероссийская научная конференция «Информационные технологии системный анализ и управление». Таганрог, 2010. - С.

48. Лямин Н.В., Клейко Д.В. Методика оценки параметров результирующего канала при неравномерном хоппинге // Молодой ученый. Чита, 2010. № 12. С. 27 - 30.

49. Лямин Н.В., Клейко Д.В. Моделирование неравномерного хоппинга на базе Марковских цепей с поглощающими состояниями // III

50. Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий». — Новосибирск, 2011. С.

51. Мелентьев О.Г. Методика вычисления точных значений вероятностей состояний для дискретного канала, описываемого моделью Гилберта. //Труды учебных заведений связи /СПбГУТ. СПб, 2005.-172.-С.73-78.

52. Мелентьев О.Г., Беляк А.Н. Оптимизация алгоритма вычисления вероятностей поражения блока в дискретных каналах с двумя состояниями. Информатика и проблемы телекоммуникаций. Материалы РНТК. Новосибирск. 2007г. С.49-53.

53. Мелентьев О.Г. Расчёт параметров результирующего дискретного канала при использовании хоппинга. Электросвязь.-2005.-№11, С. 37-38.

54. Мелентьев О.Г. Оценка параметров дискретного канала при совместном использовании хоппинга и перемежения. Электросвязь.-2006.-№12. С.22-23

55. Мелентьев О.Г. Теоретические аспекты передачи данных по каналам с группирующимися- ошибками /под редакцией профессора В.П. Шувалова М.: Горячая линия -Телеком, 2007. -253с.:ил.

56. Карпылев M.JL, Шевнина И.Е. Простой алгоритм управления хоппингом для выбора лучшего канала. Материалы Российской НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Т. 1, 2008. - с. 257 - 258.

57. Shevnina I. Calculation probability of n errors by parallel transmission in several discrete channels. International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM 2008.

58. Мелентьев О.Г., Шевнина И.Е. Вычисление параметров результирующих каналов при идеальном алгоритме управления хоппингом. -Материалы X международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей», 2008. с. 167 - 174.

59. Шевнина И.Е. Прогнозирование качества приёма слота по результатам предыдущих попыток в каналах с группирующимися ошибками. Материалы X международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей», 2008. - с. 143 -145.

60. Мелентьев О.Г., Шевнина PI.E. Соотношения параметров модели Гилберта и простой марковской цепи // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2008, № 8, с. 243 246.

61. Мелентьев О.Г., Шевнина И.Е. Оценка эффективности управления хоппингом при передаче по каналам с группирующимися ошибками // Вестник СибГУТИ. 2008, № 2, с. 28 30.

62. Шевнина И.Е. Алгоритм построения приоритетного логического канала с прогнозированием качества приёма слотов Материалы Российской НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций». Т. 1, 2009. - с. 223 - 224.

63. Мелентьев О.Г., Шевнина И.Е. Сравнение алгоритмов выбора логического канала, с учетом приоритетов // Электросвязь. 2010, № 2, с.50 52