Разработка аналитических методов оценки производительности беспроводных локальных сетей на базе протокола IEEE 802.11 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Баранов, Александр Владимирович

• Баранов, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баранов, Александр Владимирович

Введение.

1 Обзор протоколов беспроводных сетей. Описание семейства протоколов IEEE 802.11. Аналитические методы исследования. Постановка задач диссертации.

1.1 Беспроводные сети и их протоколы.

1.2 Семейство протоколов IEEE 802.11, архитектура, спецификации MAC и физического уровней.

1.2.1 Семейство протоколов IEEE 802.11.

1.2.2 Архитектура стандарта IEEE 802.

1.2.3 Уровень управления доступом к среде (МАС-уровень) протокола IEEE 802.11.

1.2.4 Физический (PHY) уровень протокола IEEE 802.

1.3 Обзор методов аналитического исследования беспроводных сетей на базе протокола IEEE 802.11 и постановка задач.

2 Оценка производительности локальных сетей при идеальном канале и произвольной нагрузке.

2.1 Марковская модель поведения сети однородных станций.

2.2 Оценка показателей производительности.

2.3 Случай неоднородных станций.

3 Моделирование локальных сетей с учетом влияния помех.

3.1 Модификация Марковской модели.

3.2 Оценка производительности в условиях помех.

4 Анализ взаимозависимости поведения станций локальной сети.

4.1 Описание иерархической модели.

4.2 Оценка среднего времени задержки и вероятности отказа.

4.3 Учет искажения пакетов из-за помех.

4.4 Обобщение модели.

4.5 Определение вероятностей для модели насыщенной сети.

5 Численные результаты.

5.1 Сравнение результатов численного и имитационного моделирования.

5.2 Оптимизации Ю^/СТЗ-предела для сети из однородных станций.

5.3 Оценка влияния помех на характеристики работы сети.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка аналитических методов оценки производительности беспроводных локальных сетей на базе протокола IEEE 802.11»

Актуальность темы диссертации.

В настоящее время беспроводные сетевые технологии заняли прочное место в нашей жизни. Область их применения простирается от взаимодействия бытовых устройств на дистанции меньше метра (телефон и телефонная гарнитура и т.п.) до построения городских и региональных сетей, в которых расстояния между устройствами могут достигать десятков километров.

Введение новых, прогрессивных методов кодирования, модуляции и передачи информации дало беспроводным технологиям уникальные преимущества по сравнению с «обычными» проводными. Это и гибкость архитектуры и простота подключения, используемая в, так называемых, сетях типа «hot-spot», и отсутствие необходимости прокладывать медный или оптоволоконный кабель. Последнее преимущество особенно актуально для Российской Федерации, где есть удаленные и сельские регионы с невысокой плотностью населения и дорогостоящая прокладка кабеля экономически не выгодна. В то же время от решения проблемы «информационного неравенства» зависит информационная безопасность страны.

Изначально отсутствие общепринятых стандартов, и как следствие этого, несовместимость между собой оборудования различных производителей препятствовали широкому распространению беспроводных устройств. К настоящему времени эта проблема в целом решена. Разработан ряд международных стандартов, протоколов и рекомендаций (Bluetooth, DECT, IEEE 802.11 и т.д.), которые специфицируют физический уровень и МАС-уровень (уровень доступа к среде передачи) беспроводных сетей и обеспечивают эффективное управление доступом к беспроводной среде. Протокол IEEE 802.11, разработанный институтом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) и утвержденный как международный стандарт в 1997 г., получил наибольшую популярность среди разработчиков беспроводных локальных сетей.

В связи со всем вышесказанным, актуальной является задача дальнейшей разработки фундаментальной теории в области передачи информации вообще,и разработки аналитических методов моделирования сетей, построенных с использованием протокола IEEE 802.11, в частности. Интенсивные работы в этом направлении ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. Проблемам разработки математических моделей сетей передачи данных посвящено значительное количество работ. Среди наиболее известных работ, посвященных этим проблемам, следует отметить работы российских и зарубежных ученых: Г.П. Башарина, П.П. Бочарова, О.М. Брехова, В.А. Васенина, В.М. Вишневского, P.JI. Добрушина, А.Н. Дудина, B.C. Жданова, H.A. Кузнецова, В.В. Кульбы, P.A. Минлоса, A.B. Печинкина, В.К. Попкова, В.В. Рыкова, С.Н. Степанова, G. Balbo, S.C. Bruell, L. Fratta, L. Kleinrock, M. Olivetty и др. Среди аналитических работ, посвященных исследованию протокола IEEE 802.11 и оценке производительности построенных на его базе беспроводных сетей, наиболее значимыми являются работы В.М. Вишневского, А.И. Ляхова, G. Bianchi, F. Cali, M. Conti, E. Gregory, J. Weinmiller.

К сожалению, особенности локальных беспроводных сетей при оценке их производительности до сих пор недостаточно полно учтены. Полученные результаты оказываются неприменимы в условиях нормальной нагрузки, когда очереди станций периодически оказываются пустыми, ввиду существенного завышения оценок среднего времени обслуживания пакетов, и в условиях помех и искажений передаваемых пакетов. Таким образом, остаются не полностью исследованными следующие особенности функционирования локальных сетей под управлением протокола IEEE 802.11:

1) станция локальной беспроводной сети после передачи пакета и при отсутствии пакета в очереди также переходит в состояние задержки;

2) возможность немедленной передачи пакета, пришедшего в пустую очередь, при отсутствии передач других станций;

3) возможность неудачной передачи из-за помех и искажения пакета;

4) взаимосвязанность поведения станций беспроводной сети.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка системы аналитических методов для исследования и моделирования локальных беспроводных сетей на базе протокола IEEE 802.11 при произвольном режиме нагрузки, оценки производительности беспроводных сетей и оптимизации параметров их функционирования.

Методы исследования.

В диссертационной работе используются методы теории вероятности, вычислительной математики, теории сетей связи, теории телетрафика и имитационного моделирования.

Научная новизна работы.

Существенно новыми результатами диссертации являются:

- аналитическая модель локальных беспроводных сетей, функционирующих на базе протокола IEEE 802.11, позволяющая оценить их производительность при произвольном режиме нагрузки, детально учитывающая все основные особенности протокола;

- расширения данной аналитической модели с целью учета влияния радиопомех и анализа беспроводных сетей с неоднородными станциями;

- аналитическая модель учета взаимозависимости поведения станций локальных беспроводных сетей с протоколом IEEE 802.11;

- алгоритмы оптимизации параметров протокола.

Практическая ценность и реализация результатов.

Результаты работы используются для оценки основных показателей производительности беспроводной локальной сети и оптимизации механизма передачи пакетов. В частности, на основе разработанных методов аналитического моделирования сетей с протоколом IEEE 802.11 может быть разработана система автоматической или полуавтоматической настройки параметров протокола, позволяющая достигать оптимальных показателей производительности с учетом: конфигурации сети; интенсивности поступающего трафика;

- распределения пакетов; интенсивности радиопомех и других факторов, влияющих на функционирование сети.

Основные теоретические положения и практические результаты работы были использованы при построении, выборе конфигурации и настройке параметров беспроводной сети архитектуры «хот-спот», функционирующей под управлением протокола IEEE 802.11 в Центре реабилитации Медицинского центра Управления делами Президента Российской Федерации.

Использование результатов диссертации позволило значительно снизить сроки проектирования и реализации беспроводной сети передачи информации и положительно сказалось на эффективности ее функционирования и эксплуатации.

Реализация результатов работы подтверждена соответствующим актом.

Апробация результатов работы:

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

- Международном семинаре «Информационные сети, системы и технологии» (ИССиТ-2004, Москва)

Международная научно-техническая конференция «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (НМП-2004, Владимир)

Международном семинаре «Distributed Computer and Communication Network (DCCN-2005)», София, Болгария

- Семинарах ИППИ РАН.

Основные публикации по теме диссертации.

По теме диссертации опубликовано 4 научных работы (из них 1 статья в ведущем научном журнале - [2] объемом 15 страниц; 3 - тезисы докладов на ведущих международных конференциях - [1], [3], [9] общим объемом 20 страниц). В совместных публикациях вклад соискателя состоит в разработке основных методов, построении моделей и получении численных результатов исследований.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 50 наименований. Работа изложена на 101 странице и содержит 21 рисунок и 1 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Баранов, Александр Владимирович

Заключение

В данной диссертации разработаны аналитические методы для исследования и моделирования локальных беспроводных сетей на базе протокола IEEE 802.11 при произвольном режиме нагрузки, оценки производительности этих беспроводных сетей и оптимизации параметров их функционирования. В частности:

1) Разработана аналитическая модель локальных беспроводных сетей, функционирующих на базе протокола IEEE 802.11, позволяющая оценить их производительность при произвольном режиме нагрузки, детально учитывающая все основные особенности протокола при идеальном канале.

2) Разработаны расширения данной аналитической модели с целью учета влияния радиопомех и анализа беспроводных сетей с неоднородными станциями.

3) Разработана аналитическая модель учета взаимозависимости поведения станций локальных беспроводных сетей на базе протокола IEEE 802.11.

4) Проведена сравнительная численная оценка производительности локальной сети с протоколом IEEE 802.11b с помощью разработанных аналитических методов и имитационного моделирования на языке GPSS, которая показала высокую точность и эффективность аналитических моделей.

5) На основе разработанных аналитических моделей проведена оценка основных показателей производительности беспроводных локальных сетей и проанализирована эффективность работы различных механизмов протокола IEEE 802.11.

6) Получены алгоритмы оптимизации таких параметров протокола, как порог RTS/CTS, определяющий вид механизма передачи пакетов, и предельное количество повторных передач пакетов. Эти алгоритмы являются основой для создания системы автоматической или полуавтоматической настройки параметров протокола, позволяющей достигать оптимальных показателей производительности с учетом: конфигурации сети; интенсивности поступающего трафика; распределения пакетов; интенсивности радиопомех и других факторов, влияющих на функционирование сети.

Основные теоретические положения и практические результаты работы были использованы при построении, выборе конфигурации и настройке параметров беспроводной сети архитектуры «хот-спот», что позволило значительно снизить сроки проектирования и реализации этой сети и положительно сказалось на эффективности ее функционирования и эксплуатации. Реализация результатов работы подтверждена соответствующим актом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баранов, Александр Владимирович, 2005 год

1. Баранов A.B., Ляхов А.И. «Оценка производительности протокола IEEE 802.11 в режиме нормальной нагрузки» // Тр. V Международного Семинара «Информационные сети, системы и технологии» (ИССиТ-2004), Москва, 2004, с. 121-125

2. Баранов A.B., Ляхов А.И. «Оценка производительности беспроводных локальных сетей с протоколом IEEE 802.11 при произвольной нагрузке» // Автоматика и телемеханика, 2005, №7, с. 87-101

3. Баранов A.B., Ляхов А.И., Мацнев Д.Н. «Методы оценки производительности протокола IEEE 802.11» // Материалы III Международной научно-технической конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники» (НМП-2004), Владимир, 2004, с.56-60

4. Вишневский В.М. «Теоретические основы проектирования компьютерных сетей» // М.: Техносфера, 2003. -512с.

5. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. «Широкополосные беспроводные сети передачи информации» // М.: Техносфера, 2005. -592с.

6. Вишневский В.М., Ляхов А.И. «Оценка производительности беспроводной сети в условиях помех» // Автоматика и телемеханика, 2000, № 12, с. 87-103.

7. Вишневский В.М., Ляхов А.И. «Оценка пропускной способности локальной беспроводной сети при высокой нагрузке и помехах» // Автоматика и телемеханика, 2001, № 8, с. 81-96.

8. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Терещенко Б.Н. «Моделирование беспроводных сетей с децентрализованным управлением» // Автоматика и телемеханика, 1999, № 6, с. 88-99.

9. Ляхов А.И., Баранов А.В., Винель А.В. «Оценка взаимозависимости поведения станций в локальных беспроводных сетях с протоколом IEEE 802.11» // Ргос. Distributed Computer and Communication Network (DCCN-2005), Sofia, Bulgaria, 2005, c.95-104

10. Столлингс В. «Беспроводные линии связи и сети» Пер. с англ. // М.: Издательский дом «Вильяме», 2003.

11. Т. Дж. Шрайбер «Моделирование на GPSS» // М.: «Машиностроение», 1980.

12. Anastasi G. and Lenzini L. «QoS Provided by the IEEE 802.11 Wireless LAN to Advanced Data Applications: a Simulation Analysis» // Wireless Networks. 2000. Vol. 6, No. 2. P. 99-108

13. Bianchi G. «IEEE 802.11 Saturation throughput analysis» // IEEE Comm. Lett., 1998, v. 2, p. 318-320.

14. Bianchi G. «Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function» // IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Mar. 2000, v. 18, no. 3, p. 535-547.

15. Bononi L., Conti M., Donatiello L. «Design and Performance Evaluation of Distributed Contention Control (DCC) Mechanism for IEEE 802.11 Wireless Local Area Network» // J. Parallel Distrib. Comput, 2000, v. 60, no. 4.

16. Cali F., Conti M., Gregory E. «Dynamic Tuning of the IEEE 802.11 Protocol to Achieve a Theoretical Throughput Limit» // IEEE/ACM Transactions on Networking. 2000. Vol.8. P.785-799.

17. Carvalho M. M. and Garcia-Luna-Aceves J. J. «Delay analysis of IEEEth80211 in single-hop networks» // Proceedings of 11 IEEE International Conference on Network Protocols (ICNP), Atlanta, USA, November 2003.

18. Chatzimisios P., Vitsas V., Boucouvalas A.C. «Throughput and delay analysis of IEEE 802.11 protocol» // Proceedings of IEEE 5th International Workshop on Network Appliances, October 2002.

19. Chatzimisios P., Vitsas V., Boucouvalas A.C. «IEEE 802.11 Packet Delay -A Finite Retry Limit Analysis» // Proceedings IEEE Global Telecommunications Conference (Globecom), vol. 2,pp. 950-954, 2003.

20. Chatzimisios P., Boucouvalas A.C., and Vitsas V. «Effectiveness of RTS/CTS handshake in IEEE 802.1 la wireless LANs» // Electronics Letters, vol. 40, no. 14, pp. 915-916, July 2004.

21. Chhaya H.S. «Gupta S. Performance modeling of asynchronous data transfer methods of IEEE 802.11 MAC protocol» // Wireless Networks. 1997. V.3. No. 3. P.217-234.

22. Gupta N., Kumar P. R. «A Performance Analysis of the 802.11 Wireless LAN Medium Access Control» // J. Communication in Information and Systems, vol. 3, No. 4, pp. 279-304, September 2004.

23. GPSS World // www.minutemansoftware.com

24. Hadzi-Velkov Z., Spasenovski B. «Saturation throughput delay analysis of IEEE 802.11 DCF in fading channel» // Proceedings of IEEE ICC, vol. 1, May 2003.

25. Ho T.S., Chen K.C. «Performance analysis of IEEE 802.11 CSMA/CA medium access control protocol» // Proc. 7th IEEE Int. Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC'96), Taipei, Taiwan. 1996. P.407-411.

26. IEEE 802.11, The working Group for Wireless LANs // http:// grouper, ieee.org/ groups/802/11/index .html

27. Kong Z., Tsang D. H. K., and Bensaou B. «Adaptive RTS/CTS Mechanism for IEEE 802.11 WLANs to Achieve Optimal Performance» // IEEE ICC, Paris, France, June 2004.

28. Lyakhov A.I., Vishnevsky V.M. «Packet Fragmentation in Wi-Fi Ad Hoc Networks with Correlated Channel Failures» // Proc. 1st IEEE Int. Conf. on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (MASS 2004), Oct. 24-27, 2004, Fort Lauderdale, Florida, USA.

29. Part 2: LAN/MAN Logic Link Control // IEEE Std. 802.2, 1998

30. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications // ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition.

31. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Amendment 4: Further Higher Data Rate in the 2.4 GHz Band // IEEE Std 802.1 lg-2003 (Amendment to IEEE Std 802.11, 1999 Edition).

32. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band // IEEE Std 802.1 la-1999 (Supplement to IEEE Std 802.11, 1999 Edition).

33. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band // IEEE Std 802.1 lb-1999 (Supplement to ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition).

34. Song N., Kwak В., Song J., and Miller L.E. «Enhancement of IEEE 802.11 Distributed Coordination Function with Exponential Increase Exponential Decrease Backoff algorithm» // IEEE VTC 2003-Spring, vol. 4, pp.27752778, April 2003.

35. Tay Y.C. and Chua K.C. «А Capacity Analysis for the IEEE 802.11 MAC protocol» // ACM Wireless Networks, pp. 159-171, No. 7, 2001

36. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I. IEEE 802.11 «Wireless LAN: Saturation Throughput Analysis with Seizing Effect Consideration» // Cluster Computing, Apr. 2002. v. 5, no. 2, p. 133-144.

37. Vishnevsky V.M., Lyakhov A.I. «Estimation of Maximal TCP/IP Traffic Rate over 802.11 Network with Hidden Stations» // Межд. семинар «Applied stochastic models and information processes», Петрозаводск, 8-13 сентября 2002, с. 156-158.

38. Vukovic I. N., Shmavatkul N. «Saturation Throughput Analysis of Different Backoff Algorithms in IEEE 802.11» // Proceedings of IEEE PIMRC, Barcelona, Spain, September 2004.

39. Wang G., Shu Y., Zhang L., Yang O. W. W. «Delay Analysis of the IEEE 802.11 DCF» // Proceedings of IEEE PIMRC. September 2003.

40. Wang Y. and Garcia-Luna-Aceves J. J. «Performance of collision avoidancetiiprotocols in single-channel ad hoc networks» // Proceedings of 10 IEEE International Conference on Network Protocols (ICNP), Paris, France, November 2002.

41. Weinmiller J., Schlager M., Festag A., Wolisz A. «Performance Study of Access Control in Wireless LANs IEEE 802.11 DFWMAC and ETSI RES 10 HIPERLAN» // Mobile Networks and Applications, 1997, v. 2, no. 1, p. 55-76.47. www.wi-fi.com.

42. Wu H., Cheng S., Peng Y., Long K., and Ma J. «IEEE 802.11 Distributed Coordination Function(DCF): Analysis and Enhancement» // IEEE ICC 2002, vol. 1, pp. 605-609, April 2002.

43. Wu H., Cheng S., Peng Y., Long K., and Ma J. «IEEE 802.11 Distributed Coordination Function(DCF): Analysis and Enhancement» // Proceedings IEEE ICC 2002, May 2002.

44. Ziouva E., Antonakopoulos T. «The IEEE 802.11 distributed coordination function in small-scale ad-hoc wireless LANs» // International Journal of Wireless Information Networks, Vol.10, No. 1,2003