Управление самоорганизующимися пакетными радиосетями на основе радиостанций с направленными антеннами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.13, кандидат технических наук Фокин, Григорий Алексеевич

• Фокин, Григорий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фокин, Григорий Алексеевич

Условные обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Принципы построения самоорганизующихся пакетных радиосетей

1.1. Определение пакетных радиосетей.

1.2. Классификация пакетных радиосетей.

1.3. Протоколы многостанционного доступа пользователей пакетных радиосетей.

1.4. Особенности функционирования самоорганизующихся радиосетей.

1.4.1. Определение самоорганизующихся пакетных радиосетей.

1.4.2. Протоколы канального уровня.

1.4.3. Протоколы сетевого уровня.

1.5. Особенности управления топологией самоорганизующихся радиосетей.

1.5.1. Определение управления топологией самоорганизующихся радиосетей.

1.5.2. Реализация управления топологией в стандарте 802. lis.

1.5.3. Особенности управления мощностью передачи в самоорганизующихся радиосетях.

1.6. Особенности использования направленных антенн в системах радиосвязи.

1.7. Особенности функционирования самоорганизующихся радиосетей на основе радиостанций с направленными антеннами.

1.8. Анализ существующих алгоритмов установления и ведения связи в самоорганизующихся пакетных радиосетях на основе радиостанций с направленными антеннами.

1.9. Постановка задач исследования.

Глава 2. Математическая модель режимов работы радиостанции с направленной антенной

2.1. Постановка задачи.

2.2. Коэффициент направленного действия круговой антенной решетки.

2.3. Коэффициент усиления круговой антенной решетки.

2.4. Математическая модель режимов работы радиостанции с направленной антенной.

2.4.1. Сеанс направленной передачи и направленного приема.

3.4.2. Сеанс направленной передачи и ненаправленного приема.

2.5. Оценка коэффициентов усиления круговой антенной решетки радиостанции в составе самоорганизующейся радиосети.

Выводы.

Глава 3. Оценка связности радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети

3.1. Постановка задачи.

3.2. Математическая модель радиоканала.

3.3. Оценка связности радиостанций.

3.3.1. Вероятность изоляции радиостанции.

3.4.3. Вероятность связности радиостанций.

3.4. Оценка требуемой дальности радиосвязи.

3.5. Оценка требуемой плотности радиостанций.

3.6. Методика оценки связности радиостанций с направленными антеннами 97 Выводы.

Глава 4. Оценка пропускной способности радиостанции самоорганизующейся пакетной радиосети

4.1. Постановка задачи.

4.2. Влияние неопределенности территориального распределения радиостанций на уровень внутрисистемных помех.

4.3. Влияние уровня внутрисистемных помех на вероятность успешного pa- 109 диоприема радиостанции сети.

4.4. Методика оценки пропускной способности радиостанций с направлен- 113 ными антеннами.

Выводы.

Глава 5. Реализация алгоритма управления радиостанцией с направленной антенной в составе самоорганизующейся пакетной радиосети

5.1. Постановка задачи.

5.2. Алгоритм установления и ведения связи радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности.

5.3. Имитационная модель самоорганизующейся пакетной радиосети на основе радиостанций с направленными антеннами.

5.4. Оценка показателей функционирования самоорганизующейся пакетной радиосети на основе радиостанций с направленными антеннами.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление самоорганизующимися пакетными радиосетями на основе радиостанций с направленными антеннами»

Исследование самоорганизующихся радиосетей начались еще в 80-е годы с появлением проекта DARPA PRNET (Defense Advanced Research Project Agency Packet Radio Net-works), предполагавшего создание сетей радиосвязи с коммутацией пакетов военного назначения. Отличительными особенности самоорганизующихся радиосетей являются распределенное (децентрализованное) функционирование, отсутствие фиксированной связной инфраструктуры, высокая живучесть сети за счет ретрансляции и обеспечения нескольких маршрутов доставки информации к адресату.

Современные тенденции совершенствования самоорганизующихся радиосетей заключаются в следующем. С точки зрения физического уровня, по сравнению с известными отечественными и зарубежными системами-прототипами, функционирование вновь разрабатываемых радиосетей подобного класса предполагается в более высокочастотном диапазоне, с существенно увеличенной шириной рабочей полосы частот, многопозиционными сигнальными конструкциями и адаптивными многочастотными схемами передачи. Последние две тенденции развития на физическом уровне связаны с развитием цифровых сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных схем. С точки зрения канального уровня, совершенствование протоколов доступа к среде передачи идет по двум путям: разработка новых протоколов с элементами случайного доступа для работы радиостанций в общем радиоканале и разработка новых протоколов децентрализованного разделения каналов в доменах частоты, времени и/йли кода. Последний подход, однако, как правило, требует внешней (спутниковой) синхронизации, и, следовательно, менее предпочтителен. С точки зрения сетевого уровня, совершенствование протоколов маршрутизации идет по двум путям: разработка новых таблично-ориентированных и новых зондовых методов, а также комбинаций их механизмов работы.

Известными недостатками работы существующих систем-прототипов самоорганизующихся радиосетей является невозможность обеспечения современных требований к качеству обслуживания вследствие необходимости ретрансляций, непостоянства пропускной способности радиоканала, ее зависимости от расстояния между подвижными радиостанциями, мощности передачи, количества соседних узлов и уровня создаваемого ими трафика и т.д.

В последнее время в открытых зарубежных научных источниках большое внимание уделяется вопросам применения адаптивных антенных систем радиостанциями самоорганизующихся сетей. Объясняется это тем, что относительно недорогие антенные решетки с числом элементов не более 10 и интеллектуальным блоком управления диаграммой направленности позволяют повысить пропускную способность радиосети примерно на порядок по сравнению с обычными всенаправленными штыревыми антеннами. Что касается относительно недорогой реализуемости интеллектуального блока управления диаграммой направленности, то это тоже стало возможно с развитием цифровых сигнальных процессоров и программируемых логических интегральных схем. В зарубежной научной литературе это направление получило название Smart-антенн.

С точки зрения качества обслуживания, очевидными преимуществами использования адаптивных антенных систем в самоорганизующихся радиосетях является, во-первых: увеличенная дальность радиосвязи за счет усиления на передающей и принимающей стороне, что позволяет сократить число ретрансляций, и, таким образом, повысить пропускную способность и уменьшить задержку передачи информации от источника до адресата; во-вторых: существенное уменьшение внутрисистемных помех за счет адаптивно формируемых диаграмм направленности, что позволяет в разы увеличить пространственное уплотнение одновременных сеансов радиосвязи, и, таким образом, повысить пропускную способность.

С точки зрения военного применения, использование адаптивных антенных систем позволяет уменьшить мощность передачи радиостанций сети, уменьшив, тем самым, вероятность обнаружения средствами радиоразведки и повысить эффективность работы в условиях преднамеренных помех за счет формирования провалов диаграммы направленности в направлениях их углов прихода.

Для практической реализации вышеназванных преимуществ необходим новый подход к построению радиосистемы в целом. В зарубежных научных источниках этот подход получил название сквозного проектирования. Он заключается в том, что протоколы трех нижних уровней модели взаимодействия открытых систем - физический, канальный и сетевой, должны быть тесно взаимоувязаны между собой, что, в конечном счете, означает единый протокол установления, поддержания и ведения связи. На сегодняшний день существуют лишь модификации одного из трех протоколов, поэтому задача поиска и обоснования соответствующих инженерно-технических решений представляется чрезвычайно актуальной и необходимой.

Объектом исследования является пакетная сеть с децентрализованным управлением, построенная на распределенных по территории радиостанциях СВЧ диапазона.

Предметом исследования являются вопросы функционирования радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.

Научной задачей является разработка методик оценки связности, пропускной способности и алгоритма управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны самоорганизующейся пакетной радиосети.

Целью данной работы является повышение связности и пропускной способности самоорганизующихся пакетных радиосетей.

Для достижения цели необходимо решение следующих основных задач: 1. Систематизация вопросов функционирования самоорганизующихся пакетных радиосетей и разработка принципов функционирования радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе сети.

2. Разработка математической модели режимов работы радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.

3. Разработка методики оценки связности радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.

4. Разработка методики оценки пропускной способности радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.

5. Разработка алгоритма управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.

6. Разработка имитационной модели самоорганизующейся пакетной радиосети на основе радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны.

7. Оценка показателей функционирования радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.

При решении поставленных задач были использованы различные методы исследований, в числе которых: методы специальных математических функций, интегрального исчисления, теории антенных решеток, теории вероятностей и имитационного моделирования.

Практическая ценность работы. Результаты оценки связности и пропускной способности позволяют выполнить построение начального приближения самоорганизующейся радиосети, оценить число и параметры радиосредств, необходимые для организации радиосвязи на заданной территории, оценить вероятность успешного радиоприема и, соответственно, пропускную способность радиостанций в условиях воздействия внутрисистемных и преднамеренных помех.

Предложенный алгоритм управления радиостанциями сети может быть реализован в качестве протокола канального уровня, достоинствами которого являются отсутствие необходимости внешней синхронизации, наличия опорного сигнала для адаптивного формирования диаграммы направленности и инвариантность к протоколу маршрутизации.

Публикации и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 11 работах. Основные результаты диссертационного исследования были доложены на 58-й, 59-й, 60-й и 61-й НТК профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (СПб, 2006, 2007, 2008, 2009). Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича.

Диссертация включает введение, пять разделов основного текста, заключение, список используемых источников, одно приложение. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования

Заключение диссертации по теме «Телекоммуникационные системы и компьютерные сети», Фокин, Григорий Алексеевич

Выводы

В данной главе разработан алгоритм управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети. Для оценки пропускной способности радиостанции и времени задержки передачи сообщений, разработана дискретно-временная имитационная модель самоорганизующейся пакетной радиосети в среде Matlab.

Выполненная оценка показателей функционирования радиостанций позволяет сделать вывод об увеличении их пропускной способности в два раза по сравнению со случаем ненаправленных антенн за счет предварительного установления сеанса связи и управления мощностью передачи. Полученные зависимости времени задержки передачи сообщений и характер убывания пропускной способности радиостанций сети показывают изменение состояния СПРс по мере увеличения суммарного передаваемого трафика, что характерно для пакетных радиосетей.

Заключение

В диссертации разработаны в полном объеме все положения, выносимые защиту. В частности:

• Систематизированы вопросы функционирования самоорганизующихся пакетных радиосетей и разработаны принципы функционирования радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети;

• Разработана математическая модель режимов работы радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.

• Разработана методика оценки связности радиостанций самоорганизующейся пакетной радиосети.

• Разработана методика оценки пропускной способности радиостанции самоорганизующейся пакетной радиосети.

• Разработан алгоритм управления радиостанцией с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети

• Разработана имитационная модель самоорганизующейся пакетной радиосети на основе радиостанций с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны.

• Выполнена оценка показателей функционирования радиостанции с адаптивно формируемой диаграммой направленности антенны в составе самоорганизующейся пакетной радиосети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фокин, Григорий Алексеевич, 2009 год

1. Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 485 с.

2. БлэкЮ. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 506 с.

3. Шаров А. Н., Степанец В. А., Комашинский В, И. Сети радиосвязи с пакетной передачей информации. / Под ред. А. Н. Шарова. СПб.: ВАС, 1994.216 с.

4. Бунин С. Г., Войтер А. П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. К.: Техника, 1989. 223 с.

5. Мархаснн А. Б. Архитектура радиосетей передачи данных. Новосибирск: Наука, 1984. 144 с.

6. Барашков П. Н., Родимов А. П., Ткаченко К. А., Чуднов А. М. Модель системы связи с управляемыми структурами в конфликтных условиях. Л.: ВАС, 1986. 132 с.

7. Шибанов В. С., Лычагин Н. И., Серегин А. В. Средства автоматизации управления в системах связи. М.: Радио и связь, 1990. 232 с.

8. Kleinrock L., Tobagi F. Packet Switching in Radio Channels: Part 1, Part 2 // IEEE Trans. Commun. Vol. Com-23. 1975. № 12. P. 1400-1433.

9. Takagi H., Kleinrock L. Throughput Analysis for Persistent CSMA Systems // IEEE Trans. Commun. Vol. Com-33. 1985. № 7. P. 627-638.10. http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html.

10. W.J. Jubin and J. D. Tornow, "The DARPA Packet Radio Network Protocols," Proceedings of the IEEE, Vol. 75, No. 1, pp. 21-32, Jan. 1987.

11. IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks -Specific requirements, IEEE Std 802.11™-2007.13. http://wvyw.ieee802.Org/l5/pub/TGl.html.

12. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. СПб.: Питер, 2008. - 958 с.

13. L. Bao and J.J. Garcia-Luna-Aceves, "Transmission scheduling in ad hoc networks with directional antennas," in Proc. ACM MobiCom, 2002.

14. H. Singh and S. Singh, "A MAC protocol based on adaptive beamforrning for ad hoc networks," in Proc. IEEE PIMRC, 2003.

15. Вишневский В. M., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Москва: Техносфера, 2005. - 592 с.

16. Hebnat R. Ad-Hoc Network: Fundamental properties and network topologies // Springer, 2006.

17. С. E. Perkins and P. Bhagwat. Highly dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for mobile computers, ACM Computer Communication Review, Vol. 24, No.4, (ACM SIGCOMM'94) Oct. 1994, pp.234244.

18. P. Jacquet, P. Muhlethaler, and A. Qayyum, Optimized Link State Routing Protocol, IETF MANET, Internet draft, 1998.

19. D. Johnson, D. A. Maltz, Dynamic source routing in ad hoc wireless networks, in Mobile Computing (T. Imielinski and H. Korth, eds.), Kluwer Acad. Publ., 1996.

20. C.E. Perkins and E.M. Royer. Ad hoc on demand Distance Vector routing, mobile computing systems and applications, 1999. Proceedings. WMCSA '99. Second IEEE Workshop on, 1999, p90 pi00.

21. IEEE. Standard 802.16e-2005, Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems.

22. IEEE, "Draft amendment: ESS mesh networking," IEEE P802.11s Draft 1.00, November 2006.

23. J. C. Liberti and T. S. Rappaport, "Smart Antennas for Wireless Communications: IS-95 and Third Generation CDMA Applications," Prentice Hall, April 1999.

24. L. C. Godara, Applications of antenna arrays to mobile communications, i. performance improvement, feasibility, and system considerations, Proc. the IEEE, vol. 85, no. 7, pp. 103-160, 1997.

25. J. H. Winters, Smart antennas for wireless systems, IEEE Personal Communications, vol.5, no. 1, pp. 237, 1998.

26. C. A. Balanis, Antenna Theory. Wiley, 2nd ed., 1997.

27. Фокин, Г.А. Оценка пропускной способности радиостанции территори-ально-распределенной сети радиосвязи с направленными антеннами // Труды учебных заведений связи / ГОУВПО СПбГУТ. СПб, 2008. - № 179 -С.6-12.

28. Фокин, Г.А. Особенности функционирования территориально-распределенных самоорганизующихся сетей радиосвязи с адаптивными антенными системами. // T-Comm Телекоммуникации и транспорт. -2009. — №1. С.20-22. (из перечня изданий, рекомендуемых ВАК).

29. R. R. Choudhury, X. Yang, R. Ramanathan, and N. Vaidya, Using Directional Antennas for Medium Access Control in Ad Hoc Networks // in Proceedings of ACM MOBICOM, Atlanta, Georgia, September 2002.

30. Y. В. Ко and N. Н. Vaidya, Medium Access Control Protocols Using Directional Antennas in Ad Hoc Networks," in Proceedings of IEEE INFOCOM, March 2000.

31. Z Huang, C.-C. Shen, C. Srisathapornphat and C. Jaikaeo, "A busy-tone based directional MAC protocol for ad hoc networks," in Proc. IEEE Milcom, 2002.

32. M. Takai, J. Martin, A. Ren and R. Bagrodia, "Directional virtual carrier sensing for directional antennas in mobile ad hoc networks," in Proc. ACM Mo-biHoc, 2002.

33. H.Harada, R.Prasad Simulation and software radio for mobile communications // Artech House, 2002.

34. Фелъд Я. К, Бененсон Л. С. Основы теории антенн: учебное пособие для вузов 2-у изд., перераб. - М.: Дрофа, 2007. - 491 с.

35. J. Salz and J.H. Winters, "Effect of Fading Correlation on Adaptive Arrays in Digital Mobile Radio," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 43, no. 4, pp. 1049-1057, Nov. 1994.

36. J. Fuhl, A.F. Molisch and E. Bonek, "Unified Channel Model for Mobile Radio Systems with Smart Antennas," IEE Proceedings on Radar, Sonar and Navigation, vol. 145, no. 1, pp. 32-40, Feb. 1998.

37. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Spacial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations. ETSI TR 125 996 V7.0.0 (2007-06).

38. Кетков Ю. JJ., Кетков А. Ю., Шулъц М.М. Matlab 7: программирование, численные методы. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 752 с.

39. Newman М. Е. J., Strogatz S. Н., Watts D. J. Random graphs with arbitrary degree distributions and their applications // Physical Review E, vol. 64, 026118, July 2001.

40. Erdos P., Renyi A. On the evolution of random graphs // Publications of the Mathematical Institute of the Hungarian Academy of Sciences, vol. 5, pp. 17— 61, 1960.

41. Bollobas B. Random Graphs. Academic Press, 1985.

42. Фокин, Г.А. Пути адаптации сигнала к условиям многолучевого распространения в канале широкополосного беспроводного доступа // Труды учебных заведений связи / ГОУВПО СПбГУТ. СПб, 2007. - № 176. С.204-213.

43. Т. S. Rappaport. Wireless Communications: Principles and Practice. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1996.

44. L. Kleinrock and J. Silvester, "Spatial Reuse in Multihop Packet Radio Networks," Proceedings of the IEEE, 75(1) pp. 156-167 (January 1987).

45. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и про-изведений.4-е изд. — М. Физматгиз, 1963 1100 с.

46. Дубинов А. Е., Дубинова И. Д., Сайков С. К. W-функция Ламберта и ее применение в математических задачах физики: Учеб. Пособие для вузов. -Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2006. С. 160.

47. Сухопутная подвижная радиосвязь: В 2 кн. Кн. 1. Основы теории / И.М. Пышкин, И.И. Дежурный, Р.Т. Пантикян и др. М.: Радио и связь, 1990. -432 с.

48. S. Хи and Т. Saadawi, "Does the IEEE 802.11 MAC Protocol Work Well in Multihop Wireless Ad Hoc Networks?" IEEE Communications Magazine, vol. 39, no. 6, pp. 130-137, June 2001.

49. Takagi Н., Kleinrock L. Optimal Transmission Range for Randomly Distributed Packet Radio Terminals. IEEE Trans, on Comm., 32(3):246-57, 1984.

50. Nelson R., Kleinrock L. The spatial capacity of a slotted ALOHA multihop packet radio network with capture. IEEE Transactions on Communications (ISSN 0090-6778), vol. COM-32, June 1984, p. 684-694.

51. G. Bianchi, "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function," IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 18, pp. 535-547, March 2000.

52. L. Wu, P. Varshney. Performance Analysis of CSMA and BTMA Protocols in Multihop Networks (I). Single Channel Case. Information Sciences, Elsevier Sciences Inc., 120:159-77, 1999.

53. Y, Wang, J. J. Garcia-Luna-Aceves. Performance of Collision Avoidance Protocols in Single-Channel Ad Hoc Networks. In Proc. of IEEE ICNP 2002, Paris, France, Nov. 2002.

54. E.S. Soma and J.A. Silvester, "Optimum transmission ranges in a Direct-Sequence Spread-Spectrum multihop packet radio network ", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. SAC-8, pp. 762-771, June 1990.

55. M Zorzi, S. Pupolin, Outage probability in multiple access packet radio networks in the presence of fading. IEEE transactions on vehicular technolo-gyl994, vol. 43 (1), no3, pp. 604-610.

56. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. Изд.9, испр.2007.63. http://www.isi.edu/nsnam/ns/.64. http://www.scalable-networks.com/products/qualnet/.

57. Фокин, Г.А., Моделирование сетей широкополосного радиодоступа / В.Ю. Бабков. Г.А. Фокин // Мобильные телекоммуникации. 2008. -№1. С.16-19.

58. Сирота А.А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем. М.: Техносфера, 2006. 280с.