Исследование вероятностно-временных характеристик протоколов управления множественным доступом в беспроводных компьютерных сетях WiMAX

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы. Стандарт IEEE 802.16e-2005 (WiMAX) - это стандарт городских (MAN) и территориальных (WAN) сетей 4G мобильного беспроводного широкополосного доступа, описывающий протоколы физического уровня и подуровня управления доступом к среде (MAC - Medium Access Control). В качестве основного механизма управления множественным доступом к беспроводной среде стандартом предусматривается контролируемый доступ с резервированием (reservation) ресурсов беспроводной среды (MAC-R) в суперкадрах фиксированного/предопределенного формата (RFS).

Современные технологии беспроводного широкополосного доступа (ШПД) развиваются по пути конвергенции услуг передачи данных, телефонии, телевидения и т.п. Интеграция различных типов информации в одной системе, с неодинаковыми требованиями к скорости передачи данных и времени задержки, обуславливает необходимость обеспечения соответствующих механизмов управления качеством обслуживания (QoS - Quality of Service).

Новые технологии требуют разработки адекватных методов анализа, учитывающих реалистические условия функционирования сети и внутреннюю структуру протокола управления множественным доступом в среду. Важнейшие результаты в области теории множественного доступа были получены А. Б. Мархасиным, В. А. Михайловым, С. И. Самойленко, Г. Г. Стецюра, Б.С. Цыбаковым, N. Abramson, L. Kleinrock, S. S. Lam, F.A. Tobagi, L.G. Roberts, I. Rubin и др.

Системы класса WiMAX описываются многомерными моделями распределенных в пространстве очередей, с приоритетным обслуживанием неоднородных потоков нагрузки. Следует отметить, что задачи анализа вероятностно-временных характеристик (ВВХ) таких сложных мультисервисных систем, как правило, имеют аналитические решения лишь при сильных упрощающих допущениях, не позволяющих учесть такие важные характериситики реальных сетей, как вероятности ошибок, неоднородности входных нагрузок, реальные входные потери, повторные потоки переспросов, время распространения сигналов в беспроводной среде, системные параметры протоколов MAC, дисциплины обслуживания и т.п. Например, известны решения задач анализа протоколов WiMAX с помощью моделей Марковских цепей (А.В. Винель, А.И. Ляхов, А.М. Тюрликов, G. Bianchi, K. Chen, A. Doha, H. Hassanein, М. Lott, Q. Ni, Y. Zhang, Y. Zhou и др.), в которых не удалось в полной мере оценить эффективность работы MAC-протоколов в реальных условиях функционирования из-за упрощающих ограничений.

В монографии В. Вишневского и О. Семеновой авторы с помощью метода преобразований Лапласа-Стилтьеса (ПЛС) получили решение задачи анализа ВВХ для протоколов управления доступом к беспроводной среде вида MAC-P, действующих на основе механизм опроса (polling). В работах Мархасина А. Б. были исследованы ВВХ WiMAX-образного MAC-протокола для гибридных сетей DVB-RCS/WiMAX с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок. Метод баланса интенсивностей нагрузок, а также имитационное моделирование позволяют снять перечисленные выше упрощающие допущения и получить ВВХ MAC-протокола WiMAX с более полным учетом реальных условий функционирования.

Наиболее существенные результаты имитационного моделирования в программных средах NS-2, OpNet, QualNet были представлены в работах M. Bardazzi, C. Cicconetti, A. Erta, R. Fantacci, J. Gуmez, O. Gusak, L. Lenzini, D. Tarchi и др. Такой метод оценки ВВХ позволяет получить достаточно точные результаты, однако имитационные модели не приспособлены для поиска закономерностей и оптимальных решений и их применение более эффективно для экспериментальной проверки и уточнений аналитических методов.

В диссертационной работе предложена методика расчета вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX на основе метода баланса интенсивностей нагрузок, позволяющая учесть реальные условия функционирования сети (ненасыщенные очереди, время распространения, помехи в радиоканале) и внутренние параметры протокола (длительности суперкадров, размеры запросов полосы, емкости очередей, количество повторных переспросов и т.д.).

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) MAC-протоколов резервирования беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с фиксированным форматом суперкадра с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры протокола. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1) Обоснование актуальных задач анализа и моделирования реалистических вероятностно-временных характеристик (ВВХ) мобильных сетей четвертого поколения WiMAX.

2) Разработка реалистической расчетной модели MAC-протокола резервирования для сетей WiMAX четвертого поколения.

3) Развитие метода баланса интенсивностей нагрузок и анализ особенностей решения задач оценки ВВХ сетей стандарта IEEE 802.16.

4) Численные исследования вероятностно-временных характеристик мобильных сетей WiMAX для реалистических условий.

5) Разработка и программная реализация имитационной модели, экспериментальная проверка ВВХ сетей WiMAX, полученных методом баланса интенсивностей нагрузок.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории множественного доступа, теории систем массового обслуживания и теории математической статистики, а также имитационное моделирование.

Научная новизна работы.

1) Впервые разработана методика расчета вероятностно-временных характеристик MAC-протокола сетей WiMAX на основе метода баланса интенсивностей, позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей.

2) Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

3) Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности MAC-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки и параметров форматов суперкадров, задающие законы адаптации форматной структуры суперкадров к переменной нагрузке.

4) Разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16, позволяющая экспериментально исследовать реалистические ВВХ сетей WiMAX.

Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют оценить характеристики производительности мобильных сетей WiMAX четвертого поколения, что может быть использовано при их построении. Проведенные численные исследования и полученные результаты составляют теоретическую основу для адаптации MAC-протоколов сетей WiMAX четвертого поколения к условиям удаленных, труднодоступных и малонаселенных территорий.

Полученные в диссертационной работе результаты используются в учебном процессе Кафедры телекоммуникационных сетей и вычислительных средств ГОУ ВПО «Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики», а также Томским филиалом ОАО «Ростелеком».

Реализация и внедрение результатов работы. Диссертационная работа поддерживалась грантами компании Alcatel-Lucent.

Результаты диссертации внедрены в учебный процесс. Они использовались при чтении курсов лекций на Кафедре телекоммуникационных сетей и вычислительных средств (ТС и ВС) ГОУ ВПО «СибГУТИ» по дисциплине «Основы теории средств связи с подвижными объектами ».

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенным имитационным моделированием, а также согласованностью с данными, имеющимися в отечественной и зарубежной литературе.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференциях: Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2009, 2010 г.), Third International conference in Central Asia on Internet, the next generation of mobile, wireless and optical communications (Uzbekistan, Tashkent, Sept. 26-28, 2007), 11th International workshop and tutorial on Electron Devices and Materials (1-5 July 2008, Erlagol), IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2008" (Novosibirsk, 2008), 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2009 (Алтай, Июль 2009), The IASTED International Conference on Automation, Control, and Information Technology Information and Communication Technology - ACIT-ICT (Novosibirsk, June 15-18, 2010), 11-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2010 (Алтай, Июль 2010), IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2010" (Irkutsk, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК. Результаты отражены в отчетах по грантам и НИР.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1) Методика расчета вероятностно-временных характеристик MAC-протокола стандарта IEEE 802.16, основанная на сведении задачи анализа MAC-протокола WiMAX к известной задаче анализа характеристик протокола контролируемого множественного доступа с фиксированным форматом кадра.

2) Решение и программная реализация численной задачи анализа вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX.

3) Результаты имитационного моделирования протокола управления доступом к беспроводной среде WiMAX.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературных источников, изложенных на 104 страницах, а также приложений на 43 страницах. Работа содержит 34 рисунка и 14 таблиц. В списке использованной литературы 69 наименований.

1. Изучение состояния проблемы анализа и оптимизации вероятностно-временных характеристик MAC-протокола сетей WiMAX, рассматриваются существующие в настоящее время методы ее решения, модели анализа ВВХ, их достоинства и недостатки. На основании анализа существующих решений обосновывается актуальность диссертационного исследования, формулируются цели и задачи

Исследования MAC-протокола WiMAX можно разделить на работы, которые посвящены изучению механизмов контролируемого доступа (резервирование), работы, изучающие технологии свободного доступа, заложенные в стандарте, и те, которые рассматривают оба метода множественного доступа с целью сравнения их эффективности. Кроме того, систематизировать существующие решения данной проблемы можно по методу, лежащему в основе анализа, - одни авторы используют аналитические методы (методы, базирующиеся на моделях Марковских цепей, и метод баланса интенсивностей нагрузок), другие - имитационное моделирование (OPNET, NS-2, С++, QualNet и т.п.).

Большинство аналитических решений, характеризующих эффективность MAC-протокола WiMAX, базирующихся на методологии теории Марковских процессов (работы А.В. Винеля, А.И. Ляхова, A. Doha, H. Hassanein, М. Lott, Q. Ni, Y. Zhang, Y. Zhou), были получены при упрощающем допущении о том, что система работает в режиме насыщения и посвящены исследованию механизмов свободного доступа. Если же удавалось преодолеть допущение о насыщенности очередей, то, как правило, не рассматривалось влияние внешней среды на вероятностно-временные характеристики протокола, не учитывались многие системные параметры протокола.

В результате анализа и систематизации имеющихся решений задачи исследования характеристик эффективности протокола управления множественным доступом, был выявлен ряд нерешенных задач - недостаточно изучено влияние параметров внешней среды на ВВХ стандарта (ошибки при передаче запросов, вызывающие повторные переспросы, время распространение), влияние параметров MAC-протокола (длительность запросов полосы, количество повторных переспросов, размер кадра), механизмов множественного доступа (свободный и контролируемый МД) и т.д.

Таким образом, основной целью данной диссертационной работы стала разработка адекватных реальным условиям функционирования численно-аналитических моделей и анализ вероятностно-временных характеристик (ВВХ) протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения.

2. Модель функционирования WiMAX, включающая в себя механизмы множественного доступа к среде, форматы кадров, пространственно-временные диаграммы MAC-протокола стандарта IEEE 802.16 для схем с временным и частотным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов, с учетом времени распространения и помех в радиоканале, сводящаяся к модели протоколов MAC с фиксированным форматом кадра

Для передачи абонентских данных в восходящем канале в стандарте IEEE 802.16 используется кадр с фиксированным (или предопределенным) форматом. Кадр состоит из служебной и информационной части. В служебных слотах абоненты могут резервировать ресурсы путем передачи соответствующего запроса. Для резервирования полосы используются механизмы контролируемого доступа и свободного. Стандартом предусмотрено несколько размеров кадра, изменяющихся в процессе функционирования системы зависимости от величины входной нагрузки. Как правило, всегда имеет место несовпадение числа слотов данных в выделенном суперкадре с количеством заявок, имеющихся в распределенных локальных очередях.



Рис. 1. Структура восходящего субкадра стандарта IEEE 802.16

На рис. 1 показана структура восходящего субкадра WiMAX. H - число слотов конкурентного доступа, предусмотренных для авторизации абонентов в сети и при небольших нагрузках для низкоприоритетного трафика; N - число слотов опроса, выделяемых активным МС для передачи трафика в реальном времени; J - число информационных слотов в кадре, выделенных для передачи абонентских пакетов.

В данной главе были также предложены пространственно-временные диаграммы MAC-протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра, адаптированные для расчета вероятностно-временных характеристик, учитывающие время распространения сигнала и повторные запросы полосы, вызванные переполнением суперкадра или ошибками при передаче запроса, в режимах TDD и FDD (временное и частотное дуплексирование восходящего и нисходящего каналов, соответственно).



Рис. 2. Пространственно-временная диаграмма стандарта IEEE 802.16 для схемы с частотным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов

На рис. 2 показана схема для передачи запросов для режима FDD, построенная в соответствии с особенностями MAC-протокола стандарта IEEE 802.16e-2005. Команды-запросы, отклики (команды-распределения либо отказы) и реакции на них (повторные запросы либо передачи пакетов) сдвинуты во времени на определенное число кадров, зависящее от соотношения времени распространения сигналов «вверх-вниз» TRTD и длительности кадров TSFR. Интеракции «неуспешный запрос» - «новый запрос», а также «успешный запрос» - «передача пакета» - «неподтверждение/подтверждение приема» - «новый запрос» сдвинуты на фиксированное число m кадров, которое было определено выражением:

,

где E(x) - целая часть x. Поэтому в качестве модели очереди мобильной станции (парциальной очереди) в случае системы с бесконечной емкостью очереди принимается m-канальная система M/M/m (с так называемым «окном повторения», равным m).

3. Адаптация и сведение задачи анализа вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX к известной задаче анализа ВВХ протокола управления множественным доступом к беспроводной среде с фиксированным форматом кадра на основе чиленно-аналитического метода баланса интенсивностей нагрузок с учетом функционирования сети в реальных условиях и внутренней структуры протокола управления множественным доступом

Параметры MAC-протокола WiMAX выражаются через переменные этой задачи. беспроводной дуплексирование частотный

Главная идея метода баланса интенсивностей нагрузок заключается в сведении модели единой многомерной очереди к эквивалентной сумме линейно независимых, т.е. парциальных, очередей с помощью эквивалентных законов распределения времени обслуживания в парциальных очередях. Такое сведение единой многомерной очереди к сумме эквивалентных парциальных очередей, или нахождение эквивалентных распределений, выполняется с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок.

Метод включает три этапа решения задачи. На первом этапе определяются в параметрической форме интенсивности нагрузок в сечениях сети, от входов до выходов распределенных очередей, соответственно вероятностному графу процедур (рис. 3) приоритетного обслуживания и передачи запросов, совместно с пространственно-временной диаграммой (рис. 2) поясняющему алгоритм работы MAC-протокола WiMAX с фиксированным форматом кадра.



Рис. 3. Вероятностный граф работы MAC-протокола резервирования WiMAX с фиксированным форматом кадра и распределенным управлением качества обслуживания QoS. Общий случай

На рис. 3. представлен вероятностный граф, отображающий общий случай функционирования MAC-протокола резервирования с фиксированным форматом кадра, учитывающий вероятности вытеснения запроса по приоритету из локальной и общей очереди, входные потери, связанные с ограниченной емкостью буфера, ошибки, возникающие при передаче запросов, пакетов, квитанций, переполнение суперкадра, конечное число возможных повторных передач. На входы i-х распределенных очередей поступают заявки (пакеты) k-х классов (в данной диссертационной работе не рассматривается случай приоритетного трафика) с интенсивностями нагрузок

,

где - фиксированная длительность пакета; - интенсивность поступления на входы i-х распределенных очередей заявок k-х классов приоритета;

- число различных классов на сети (число приоритетов).

Суммарная входная интенсивность нагрузки сети:

.

В рассматриваемом случае интенсивность нагрузок в сечениях сети удобней выразить функцией от входной нагрузки G через промежуточный параметр Q - виртуальную интенсивность нагрузки, т.е., через суммарную интенсивность первичного потока и всех повторных запросов/заявок в относительных единицах - Эрлангах. В соответствии с вероятностным графом на рис. 3:

· Парциальная виртуальная интенсивность нагрузки (в данном случае - входной трафик запросов на обслуживание) ik-ой парциальной очереди:

,

· Парциальная интенсивность нагрузки в канале ik-ой парциальной очереди:

,

· Парциальная производительность (трафик успешно переданных пакетов):

,

где - коэффициент смешанных переспросов,

,

- максимально допустимое число попыток передачи (переспросов, или ARQ) пакета данных k-го класса обслуживания в i-й очереди.

- вероятность переполнения карда, которая определяется как

Кроме того, с помощью вероятностного графа определяются вероятности различных событий, происходящих в сети - вероятность переполнения i-ой локальной очереди k-го класса обслуживания , вероятность успешной передачи адресованных запросов , определяемая на множестве станций, вероятность безошибочной передачи пакета «вверх-вниз», вероятность безошибочной передачи квитанции , прерывания обслуживания заявки k-го класса в i-ой очереди при поступлении заявки более высокого приоритета и т.д.

На втором этапе вычисляются циклы обслуживания заявок в i-ых локальных очередях k-ых классов . Циклы обслуживания заявок в приоритетных очередях определяются как периоды времени, которые начинаются в моменты поступления запросов k-ых классов на обслуживание и заканчиваются в моменты освобождения каналов для обработки новых запросов того же k-ого класса приоритета.

Понятие «цикл обслуживания» является обобщением термина «время обслуживания». На рис.3 видно, что цикл обслуживания складывается из последовательности большого числа случайных редких событий (переспросов, конфликтов, искажений и т.п.), т.е. выполняются условия сходимости к предельным распределениям. Распределение длительностей циклов обслуживания при слабых ограничениях сходятся в пределе к экспоненциальному распределению. Таким образом, в моделях эквивалентных парциальных очередей законы распределения цикла обслуживания принимаются как экспоненциальные.

Для определения цикла обслуживания удобно использовать пространственно-временную диаграмму MAC-протокола резервирования с фиксированным форматом кадра (рис. 2).

Пусть - средняя длительность цикла обслуживания запроса k-ого приоритета i-ого абонента в общей очереди принятых к обслуживанию пакетов. В соответствии с вероятностным графом (рис. 3) и пространственно-временной диаграммой (рис. 2) протокола резервирования с фиксированным форматом кадра можно получить:

,

где - среднее время, занимаемое в парциальной очереди на успешную передачу запроса, - расчетное (расчетное время отсчитывается до момента окончания цикла обслуживания, т.е. до начала очередного суперкадра, в отличие от физического времени, которое отсчитывается до момента окончания приема пакета) время, занимаемое в парциальной очереди на передачу пакета (в целых суперкадрах, измеряется в ОЕВ.

На третьем этапе из полученных характеристик очередей в параметрической форме исключается промежуточный параметр. Для этого составляется уравнение баланса интенсивностей нагрузок и решается численным методом относительно промежуточного параметра Q - виртуальной интенсивности нагрузки - уравнение баланса виртуальных интенсивностей парциальных нагрузок:

,

Далее с помощью известных соотношений для моделей систем массового обслуживания вида M/M/m и M/M/1/nk получаются вероятностно-временные и качественные (QoS) характеристики очередей в функции от входной нагрузки и системных параметров MAC-протоколов WiMAX с фиксированным форматом кадра. Значения коэффициентов использования локальных очередей находятся на основании средних длительностей циклов обслуживания:

.

Рис. 4

Для численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок в данной диссертационной работе был предложен и программно реализован метод вычисления корней на основе графических критериев их оценки.

4. Исследование реалистических характеристик задержки, производительности и пропускной способности MAC-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки

Было изучено влияние системных параметров протокола (размер запроса полосы, размер и количество пакетов абонентских данных, количество повторных передач и т. д.) на ВВХ системы WiMAX. Был проведен сравнительный анализ характеристик при использовании различных методов множественного доступа - контролируемый доступ (опрос) и свободный доступ (Aloha).

На рис. 4 показаны характеристики времени задержки в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении размеров суперкадров, с помощью которых были выявлены законы адаптации форматной структуры кадров к переменной нагрузке.

Очевидно, что увеличение числа информационных тактов приводит к возрастанию времени начальной задержки (за счет увеличения длительности суперкадра WiMAX). Возрастает и пропускная способность, за счет изменения соотношения количества служебных и информационных тактов. В данном случае полагается, что помех в канале нет, и пропускная способность достигается за счет увеличения вероятности переполнения кадра при увеличении входной нагрузки и нехватке слотов для передачи всех данных, имеющихся у абонентов.

Показано, что для того чтобы WiMAX мог обеспечить динамическое управление распределением ресурсов полосы и дифференцированными показателями качества обслуживания QoS необходима адаптация формата кадра (плавное увеличение числа информационных тактов) к изменению интенсивности входной нагрузки.

Предусмотренные стандартом IEEE 802.16e-2005 в режиме WirelessMAN-OFDM форматы кадра (2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс) обеспечивают удовлетворительную задержку во всем рабочем диапазоне нагрузок, однако не являются оптимальными.

Рис. 5

В результате исследования влияния системных параметров MAC-протокола WiMAX на его вероятностно-временные характеристики было установлено:

· Увеличение размера запроса полосы приводит к увеличению начальной задержки и снижению пропускной способности.

· Увеличение длительности информационной части суперкадра приводит к увеличению начальной задержки и возрастанию пропускной способности.

· Снижение пропускной способности при увеличении числа повторных передач, за счет увеличения потока виртуальной нагрузки и соответственно возрастания вероятности переполнения суперкадра.

· При малых нагрузках и низких требованиях к качеству обслуживания использование механизмов свободного доступа более эффективно, чем использование циклического опроса.

В данной главе было также исследовано влияние параметров внешней среды (помехи, время распространения сигнала «вверх-вниз») на вероятностно-временные характеристики MAC-протокола стандарта IEEE 802.16e-2005.

На рис. 5 представлены характеристики времени задержки в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении значений времени распространения, которое в данном случае задается параметром m - окно повторения запросов (m=3 (); m=5 (); m=7 (); m=9 ()).

Исходные данные: режим дуплексирования восходящего и нисходящего каналов - FDD; число МС - 128; величина относительных затрат на управление МД (запросы полосы) - 0.02; длительность пакета абонентских данных - одна относительная единица времени; без ошибок.

Рис. 6

Было установлено, что увеличение времени распространения не приводит к деградации характеристик времени задержки (уменьшению пропускной способности). Графики задержки лишь смещаются на величину транспортного запаздывания друг относительно друга. Это говорит об устойчивости MAC-протокола резервирования WiMAX к увеличению расстояния между приемопередатчиками БС и МС и позволяет строить эффективные сети беспроводного широкополосного доступа на удаленных и труднодоступных территориях.

Исследование влияния качества канала связи на характеристики MAC-протокола WiMAX показало, что ухудшение радиоусловий приводит к увеличению начальной задержки и к уменьшению пропускной способности.

На рис. 6 представлены характеристики времени задержки в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении значения вероятности безошибочной передачи запроса (). Можно отметить увеличение начальной задержки и уменьшение пропускной способности при ухудшении радиоусловий. Ошибки приводят к увеличению интенсивности виртуальной нагрузки, за счет увеличения числа повторных передач, переполнение суперкадра наступает при меньших значениях входной нагрузки, а, значит, снижается производительность системы.

5. Имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16e-2005, позволяющая исследовать реалистические ВВХ MAC-протокола резервирования сетей WiMAX с фиксированным форматом кадра, учитывающая форматы кадров, вероятность их переполнения, емкость локальных очередей, число повторных передач в случае переполнения, время распространения

С помощью данной модели была осуществлена оценка достоверности аналитических результатов, полученных численно-аналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок.

На рис. 7 представлены характеристики времени задержки пакетов MAC-протокола WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки при изменении размеров суперкадров (J=32; 36; 40). Исходные данные: режим дуплексирования восходящего и нисходящего каналов - FDD; число МС (N) - 128; величина относительных затрат на управление МД (запросы полосы) - 0.02; длительность пакета абонентских данных - одна относительная единица времени; без ошибок; время распространения мало (меньше длительности суперкадра).

Рис. 7. Зависимость времени задержки от интенсивности входной нагрузки при изменении: а) размера запроса полосы (c =0.02; 0.035; 0.05); б) числа информационных тактов (J=32; 36; 40)

Символами на рис. 7 показаны точки имитационного моделирования. Точные значения задержки аналитического и имитационного моделирования, а также доверительные оценки результатов моделирования приведены в таблицах П.1-10 данного диссертационного исследования.

Можно отметить, что среднеквадратическое отклонение при росте нагрузок от 0.1 до 0.75 Эрланг изменяется от 1-3% до 7-12%, что свидетельствует о высокой точности и достоверности полученных результатов.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой автором поставлена и решена актуальная задача разработки численно-аналитических моделей и анализа вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей WiMAX четвертого поколения с учетом реальных условий функционирования и внутренней структуры стандарта. Решение данной задачи имеет важное теоретическое и практическое значение для исследования протоколов управления множественным доступом к беспроводной среде WiMAX с целью повышения их эффективности.

Основные результаты и рекомендации сводятся к следующему:

1. Выполнено сведение задачи анализа MAC-протокола WiMAX к известной задаче анализа вероятностно-временных характеристик протокола множественного доступа к беспроводной среде с фиксированным форматом кадра с помощью метода баланса интенсивностей нагрузок.

2. Разработана реалистическая расчетная модель MAC-протокола WiMAX, учитывающая внутренние особенности стандарта и воздействие факторов внешней среды, включающая в себя механизмы множественного доступа, форматы кадров, пространственно-временные диаграммы стандарта IEEE 802.16 для схем с частотным и временным дуплексированием восходящего и нисходящего каналов, вероятностный граф, отражающий возможные состояния системы, интенсивности нагрузки в сечениях сети и вероятности переходов из одного состояния в другое.

3. Разработана методика расчета и численного решения задачи анализа вероятностно-временных характеристик MAC-протокола сетей WiMAX, позволяющая учесть условия внешней среды и внутренней структуры сетей.

4. Предложен и программно реализован метод численного решения уравнения баланса интенсивностей нагрузок на основе графических критериев оценки корней уравнения баланса.

5. Впервые получены реалистические характеристики задержки и пропускной способности MAC-протоколов сетей WiMAX в функции от интенсивности входной нагрузки, демонстрирующие влияние параметров внешней среды и внутренней структуры протокола на эффективность системы:

5.1. Показана необходимость адаптации формата кадра к изменению интенсивности входной нагрузки для обеспечения динамического управления распределением ресурсов полосы и дифференцированными показателями качества обслуживания QoS.

5.2. Установлено, что увеличение времени распространения не приводит к деградации характеристик времени задержки, что демонстрирует устойчивость MAC-протокола резервирования WiMAX к увеличению расстояния между приемопередатчиками БС и МС.

5.3. Выявлено, что увеличение размера запроса полосы с 3 до 6 байт приводит к увеличению начальной задержки и снижению пропускной способности на 4%.

5.4. Установлено, что при малых нагрузках и низких требованиях к качеству обслуживания использование механизмов свободного доступа более эффективно, чем использование резервирования, однако увеличение нагрузки и требований к QoS требует использования механизмов контролируемого доступа.

5.5. Исследовано влияние помех в канале связи на характеристики MAC-протокола WiMAX, в результате чего было установлено, что ухудшение радиоусловий приводит к увеличению начальной задержки и к уменьшению пропускной способности. При вероятности ошибки передачи запроса равной 0.05 пропускная способность снижается на 8%.

6. Разработана и программно реализована имитационная модель протокола уровня множественного доступа стандарта IEEE 802.16, позволяющая исследовать реалистические вероятностно-временные характеристики сетей WiMAX, учитывающая форматы кадров и вероятность их переполнения, емкость локальных очередей, число повторных передач в случае переполнения, время распространения.

7. С помощью имитационного моделирования была продемонстрирована достоверность аналитических результатов, полученных численно-аналитическим методом баланса интенсивностей нагрузок. Среднеквадратическое отклонение при росте нагрузок от 0.1 до 0.75 Эрланг изменяется от 1-3% до 7-13%.

Литература

1. Дроздова В.Г., «Имитационное моделирование характеристик MAC-протокола WiMAX с учетом реальных условий», Вестник СибГУТИ, апрель 2011, №1.

2. Дроздова В. Г., «Вероятностно-временные характеристики мобильных и беспроводных сетей стандарта IEEE 802.16», журнал «Телекоммуникации», №4, апрель 2010, с.29-36.

3. A. Markhasin, V. Drozdova, “Performance Analysis of the mobile WiMAX systems”, IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2010", Irkutsk Listvyanka, Russia, July 11-15, 2010, pp.345-349.

4. V. Drozdova, “IEEE 802.16: analysis of probability-time characteristics”, The IASTED International Conference on Automation, Control, and Information Technology Information and Communication Technology - ACIT-ICT 2010, Novosibirsk, June 15-18, 2010, pp.146-150.

5. V. G. Drozdova, “Probability-time characteristics of WiMAX systems”, Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2010 International Conference and Seminar, pp. 220-223.

6. Дроздова В.Г. «Об анализе вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей класса WiMAX с фиксированными форматами кадров», Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2009, с.233-235.

7. Дроздова В.Г., Рукосуев А.Ю. «Анализ характеристик протокола IEEE 802.11 с распределенной координационной функцией», Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2009, с. 235-236.

8. Дроздова В.Г. «Анализ вероятностно-временных характеристик протоколов MAC беспроводных сетей класса WiMAX с фиксированными форматами кадров», 10-я международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM'2009, с. 153-156.

9. Дроздова В.Г., «WiMAX: замечательные характеристики и их пределы», журнал «Инфосфера», Декабрь 2009, №44. стр. 18-20.

10. Дроздова В. Г., «Анализ вероятностно-временных характеристик протокола управления множественным доступом сетей стандарта IEEE 802.16», Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2010, с.217-220.

11. Дроздова В.Г. «Анализ и оптимизация спектральной эффективности сигналов в системах подвижной радиосвязи», Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2007.

12. A. Markhasin, A. Kolpakov, V. Drozdova. “Optimization of the Spectral and Power Efficiency of M-ary channels in wireless and mobile systems”, Third International conference in Central Asia on Internet, the next generation of mobile, wireless and optical communications. Sept. 26-28, 2007, Tashkent, Uzbekistan, Paper № 177, pp. 1-5.

13. Дроздова В. Г., Рукосуев А. Ю. «Сравнительный анализ характеристик протоколов множественного доступа», Российская научно-техническая конференция, «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2008.

14. V. Drozdova. “Analysis and Optimization of the spectral and Power efficiency of M-ary Channels in wireless and mobile systems”, 9th International workshops and tutorials on Electron Devices and Materials, 1-5 July, 2008, Erlagol, p.137-139.

15. A. Markhasin, V. Drozdova, “QoS-Aware multifunctional Radically Distributed MAC for Wireless Large-Scale RRD Areas”, IEEE Region 8 conference "SIBIRCON-2008", p.389-394.

16. Дроздова В. Г., Филимонова Н.А., «Анализ энергозатрат на передачу данных в м-ричном канале со стиранием», Вестник СибГУТИ, сентябрь 2008, №2, стр. 9-13.

17. Белов М. А., Дроздова В. Г., «Имитационное моделирование характеристик MAC-протоколов беспроводных и мобильных сетей», Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2010, с.104-105.

18. Дроздова В., Об эффективности MAC- протокола стандарта IEEE 802.16 (WIMAX), журнал «Мобильные телекоммуникации». №2-3, 2010. с. 56-60.

19. Дроздова В. Г., «Разработка имитационной модели для исследования вероятностно-временных характеристик MAC-протокола WiMAX», Российская научно-техническая конференция, посвященная Дню радио «Информатика и проблемы телекоммуникаций», материалы конференции, том 1, Новосибирск, 2011, с.245-247.

Размещено на Allbest.ru