Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных концепций развития ИТС 14
1.1. Цели и задачи ИТС 14
1.2. Зарубежный опыт развитие ИТС 16
1.3. Стандарты и рекомендации в области ИТС 18
1.4. Архитектура ИТС 28
1.4.1. Сетевая архитектура 28
1.4.2. Структура типовой ИТС станции 31
1.4.3. Стек протоколов типовой ИТС станции 32
1.4.4. Технологии взаимодействия 35
1.4.5. Роль VANET в структуре ИТС 40
1.5. Архитектура сетей VANET 41
1.5.1. Состав VANET 41
1.5.2. Методы обмена информацией 42
1.5.3. Топологии VANET 44
1.6. Анализ структуры протокола IEEE 802.11p 45
1.6.1. Физический уровень 45
1.6.2. Канальный уровень 48
1.7. Приложения автомобильных сетей 53
1.7.1. Приложения общего назначения 53
1.7.2. Приложения управления транспортными потоками 54
1.7.3. Приложения безопасности 55
1.8. Цель и задачи исследования 56
1.9. Выводы по главе 1 57
Глава 2. Разработка алгоритма управления ретрансляцией широковещательного трафика 59
2.1. Анализ подходов к построению систем безопасности 59
2.2. Отказоустойчивость сети VANET для передачи приоритетного трафика 65
2.2.1. Анализ причин возникновения отказов 65
2.2.2. Методы повышения отказоустойчивости сети VANET 66
2.2.3. Классификация методов борьбы с перегрузками при широковещательной передаче трафика 69
2.3. Стратегия ограничения широковещательного трафика 73
2.3.1. Дистанция информирования 75
2.3.2. Ограничение дистанции информирования 76
2.3.3. Оценка количества ретрансляций 79
2.4. Алгоритм управления уровнем задержки 80
2.4.1. Ограничение времени жизни и контроль дублирования 83
2.4.2. Выбор подхода к ретрансляции 85
2.4.3. Формирование задержки 88
2.4.4. Инициализация ретрансляции и очистка буфера 90
2.5. Выводы по главе 2 92
Глава 3. Анализ модели агрегированного трафика систем БДД на основе VANET 94
3.1. Методы формирования агрегированного трафика 94
3.2. Анализ модели трафика сети VANET 96
3.2.1. Узел сети VANET как система массового обслуживания 96
3.2.2. Анализ процесса формирования агрегированного трафика в сети без ретрансляций 98
3.2.3. Анализ процесса формирования агрегированного трафика в сети с ограниченной ретрансляцией 100
3.2.4. Модель сети с применением алгоритма на основе SINR 103
3.3. Анализ процесса распределения сообщений безопасности по сети 108
3.3.1. Теория эпидемий 108
3.3.2. Базовая аналитическая модель 110
3.3.3. Модель с применением алгоритма ограничения на основе SINR 112
3.4. Выводы по главе 3 116
Глава 4. Исследование характеристик функционирования сети с применением алгоритма управляемой рассылки широковещательного трафика 117
4.1. Выбор среды моделирования 117
4.1.1. Расширение функциональности NS-2 118
4.1.2. Анализ доступных моделей радиоканала 122
4.1.2.1. Свободное распространение 122
4.1.2.2. Двулучевая модель 123
4.1.2.3. Многолучевая модель Nakagami-m 125
4.2. Подготовка сценария моделирования 127
4.2.1. Подготовка топологической карты зоны моделирования 128
4.2.2. Выбор модели мобильности 129
4.2.3. Алгоритм имитационной модели 131
4.3. Исследование потока широковещательных сообщений 132
4.3.1. Исследование агрегированного потока без ретрансляций 133
4.3.2. Исследование потока после процедуры фильтрации 134
4.3.3. Исследование потока с применением разработанного метода распределения широковещательных сообщений 135
4.3.4. Исследование агрегированного потока в условиях высокой загрузки системы. 136
4.4. Исследование эффективности работы алгоритма управляемого распределения широковещательного трафика 137
4.4.1. Исследование количества транслируемых сообщений 137
4.4.2. Исследование объема коллизий 138
4.5. Исследование переходных процессов распределения широковещательного трафика 139
4.6. Метод повышения эффективности использования канального ресурса 142
4.7. Выводы по главе 4 143
Заключение 146
Список сокращений и условных обозначений 147
Список литературы 150
- Стандарты и рекомендации в области ИТС
- Анализ подходов к построению систем безопасности
- Модель сети с применением алгоритма на основе SINR
- Исследование переходных процессов распределения широковещательного трафика
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Рост городов, вызванный
урбанизацией населения, ведет не только к увеличению площадей и высотности застроек, но и сопутствующему расширению дорожной сети. В совокупности с повышением ценовой доступности автомобилей, данная тенденция непременно приводит к обострению проблем, связанных с увеличением плотности и интенсивности транспортных потоков. Так, в последнее десятилетие не только за рубежом, но и в России, наблюдается бурный рост автомобильного парка. В свою очередь, это приводит к снижению уровня безопасности дорожного движения и, как следствие, к росту числа дорожно-транспортных происшествий. С учетом качества дорожного покрытия и зачастую плохих условий видимости, подобные происшествия все чаще становятся массовыми. Анализируя причины подобных тенденций, не трудно понять, что аварийные ситуации происходят по причине отсутствия возможности заблаговременного информирования водителей о возникшей опасности. Этот факт привел научное сообщество к закономерному выводу о необходимости привлечения сферы информационных технологий на помощь автолюбителям.
Так, в начале XXI века, в рамках концепции Интернета Вещей (ИВ), зародилось новое направление развития, целью которого стало создание инфокоммуникационной структуры, которая позволила бы обеспечить участников дорожного движения не только информацией, связанной с безопасностью, но и дополнительными видами информационных услуг. Данное направление получило название Интеллектуальные Транспортные Системы (ИТС). Одним из важнейших компонентов ИТС, отвечающим за формирование сетевой структуры, являются автомобильные самоорганизующиеся сети VANET (Vehicular Ad Hoc Networks), для построения которых был разработан специальный стандарт IEEE 802.11p. Специфика данного класса сетей, обусловленная высокой динамикой изменения их состава и структуры, привела к формированию широкого спектра научно-исследовательских задач.
В условиях высоких требований к задержкам, которые не должны
превышать 10 мс, для основных групп сообщений от приложений, связанных с
безопасностью дорожного движения (БДД), ключевой задачей большинства
исследований стала оптимизация использования сетевого ресурса.
Возникающие при этом сложности, вызваны комплексом влияющих факторов, связанных со структурой окружения, в пределах которого развертывается система. Особенно ярко, данные факторы проявляются в условиях городской среды с высотной застройкой и интенсивными транспортными потоками. Несмотря на наличие целого ряда научных исследований в данной области, задача разработки оптимизированных методов информационного обмена остается актуальной.
Наряду с более привычной архитектурой коммуникаций, когда
мобильные узлы взаимодействуют со стационарной инфраструктурой,
отличительной особенностью самоорганизующихся сетей является
возможность формирования одноранговой сети. Подобный подход к реализации систем обладает как рядом достоинств, к которым относятся экономические показатели, скорость и простота внедрения услуг, так и
недостатков, связанных со сложностью выполнения требований к надежности доставки и задержкам.
В основу данной диссертации, заложены исследования, посвященные
методам организации процесса широковещательного обмена
информационными сообщениями в сетях VANET в целях систем БДД. Данный способ взаимодействия является базовым для автомобильных сетей и требует наиболее детального анализа и проработки в разрезе выполнения ключевых задач ИТС.
Степень разработанности темы. На текущий момент существует немалое количество работ, посвященных исследованию проблем организации систем БДД на основе сетей VANET. Среди авторов можно встретить как отечественных, так и зарубежных ученых: А.Е. Кучерявый, Е.А. Кучерявый, Р.В. Киричек, В.А. Григольев, М.Torrent-Moreno, M.Chitra, О. К. Tonguz, N. Wisitpongphan, F.J.Ros, P.M.Ruiz, I.Stojmenovic, R.Chen, W.Jin, A.Regan, R.S.Schwartz, A.Hamann, L.Zhou, G.Cui, H.Liu, Z.Wu, D.Luo и многих других.
Среди опубликованных работ можно найти как посвященные общим принципам организации сетей VANET, так и непосредственно методам распространения информационных сообщений через сетевую структуру. Несмотря на большое количество подходов к оптимизации процесса распределения широковещательного трафика, не трудно заметить, что все они сконцентрированы либо вокруг данных от систем позиционирования, либо вокруг служебной информации, создающей дополнительную нагрузку на сеть. Небольшое количество исследований, не относящихся к этой группе, опираются на двулучевую модель распространения сигнала, что упрощает процесс разработки алгоритмов, но не отвечает условиям реалистичности в условиях городской среды.
С учетом вышеописанного, очевидно, что область организации информационного обмена в сетях VANET, требует проведения дополнительных исследований, а тема диссертации является актуальной.
Цель работы и задачи исследования.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании моделей и методов управления распределением широковещательного трафика в беспроводных самоорганизующихся сетях VANET в интересах систем БДД. Поставленная цель достигается за счет решения следующих основных задач:
анализ концепции Интеллектуальных транспортных систем (ИТС);
определение роли VANET в структуре ИТС и основных архитектурных решений для построения систем БДД;
классификация и исследование методов повышения отказоустойчивости систем БДД;
разработка модели представления узла автомобильной сети как системы массового обслуживания;
разработка метода анализа вероятностно-временных характеристик трафика приложений, связанных с БДД;
разработка реалистичной для условий городской среды, имитационной модели процесса распределения трафика приложений, связанных с БДД на основе сетей VANET;
- анализ методов повышения эффективности использования сетевых
ресурсов систем БДД на основе сетей VANET.
Предмет исследования. Методы и алгоритмы распределения широковещательного трафика.
Объект исследования. Процесс информационного обмена в самоорганизующихся сетях стандарта IEEE 802.11p в интересах систем обеспечения БДД.
Методология и методы исследования. Решение поставленных в работе задач достигается применением методов теории телетрафика (ТТ), теории массового обслуживания (ТМО), теории множеств (ТМ). Численная оценка полученных результатов, осуществляется методами имитационного моделирования.
Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:
предложен метод распределения широковещательного трафика приложений, связанных с БДД, на основе параметрического алгоритма, ограничивающего количество ретранслирующих узлов, опираясь на значение SINR. В отличие от существовавших ранее, предложенный метод характеризуется отсутствием требований к наличию навигационных данных от внешних систем, принимает решение о ретрансляции на основе значения SINR, подавляет возможность повторной инициации процесса пересылки сообщений;
предложена модель оценки вероятностно-временных характеристик информационных потоков от приложений, связанных с БДД в сетях VANET, для описания которой впервые применена теория эпидемий;
предложен метод повышения эффективности использования сетевых ресурсов систем БДД на основе VANET. В рамках данного метода, предложена новая расширенная, по сравнению с существующей классификацией в стандарте SAE J2735 (DSRC), классификация широковещательных сообщений от приложений, связанных с БДД.
Теоретическая и практическая значимость исследования. Теоретическая значимость диссертации состоит, прежде всего, в расширении класса методов распределения широковещательного трафика для сетей VANET. Так же, теоретическую ценность представляет установленная зависимость численности задействованных в процессе распределения сообщений по сети узлов от времени, в условиях ограничения трафика дублированных сообщений на основе предложенного алгоритма. Важными достижениями, расширяющими область применения ТТ, и ТМО, являются представление узла сети VANET как системы массового обслуживания (СМО), а так же кластера сети в виде сети массового обслуживания.
Практическая значимость работы состоит в возможности реализации предложенного алгоритма в виде программного кода, модифицирующего функционал узлов сети, в части подхода к ретрансляции широковещательного трафика. Кроме этого, полученные результаты могут применяться для планирования и расчета предельных характеристик сетей VANET.
Результаты диссертационной работы внедрены в работах в рамках
Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014-2020 годы» (Соглашение № 14.604.21.0165, уникальный
идентификатор проекта RFMEFI 60417 X 0165), при разработке проекта
рекомендации на ИК20 МСЭ-Т Y.IoT-ITS-framework «Framework of cooperative
Intelligent Transport Systems based on the Internet of Things» (предложена модель
коммуникаций V2V), при выполнении ОКР «Программно-аппаратный
комплекс мониторинга сети передачи данных» в ЛО ЦНИИС, а так же
используются в учебном процессе кафедры «Сетей связи и передачи данных»
Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им.
проф. М.А. Бонч-Бруевича (СПбГУТ) при чтении лекций и проведении
практических занятий по дисциплинам «Всепроникающие сенсорные сети» для
магистров по направлению подготовки 11.04.02 - Инфокоммуникационные
технологии и системы связи, профиль «Интернет Вещей и
самоорганизующиеся сети» и «Самоорганизующиеся сети» для бакалавров по направлению подготовки 11.03.02 - Инфокоммуникационные технологии и системы связи, профиль "Инфокоммуникационные системы и технологии".
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов диссертационной работы подтверждается корректным
применением математических методов исследования, а также совпадением аналитических результатов с результатами имитационного моделирования.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 64-й, 65-й, 66-й, 67-й, 70-й, 71-й научно-технических конференциях посвященных Дню радио (2009, 2010, 2011, 2012, 2015 и 2016 годы соответственно), на Научной сессия ГУАП в 2009 году, а также на заседаниях кафедры «Сетей связи и передачи данных» СПб ГУТ.
Публикации. Материалы, отражающие основные результаты
диссертационной работы, опубликованы в сборниках научно-технических конференций и в журналах отрасли. Всего опубликовано 12 работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает содержание, введение, 4 главы, заключение, список сокращений, список литературы и три приложения. Работа содержит 161 страниц текста (без учета приложений), включая 60 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 126 наименований.
Стандарты и рекомендации в области ИТС
Важнейшим аспектом совместимости любой технологии на национальном, межгосударственном и международном уровнях, является стандартизация состава, интерфейсов взаимодействия, структур данных и систем управления. Касательно ИТС, указанные области стандартизации приобретают дополнительную градацию на городские и магистральные в зависимости от зоны применения. Каждая из этих зон требует собственные подходы к построению и параметры функционирования.
Не меньший интерес представляет регламентирование внедрения технологий ИТС в различных странах. Он неразрывно связан с необходимостью учета таких факторов как:
- специфика распределения радиочастотного спектра;
- особенности существующей инфраструктуры;
- нормативные требования.
Однако высокие темпы развития автомобильной промышленности, продиктовали параллельное возникновение активного интереса к организации ИТС во всем мире. С учетом этого, разработкой стандартов по данному направлению развития информационных технологий с некоторым временным сдвигом занялись сразу несколько организаций. Перечень данных организаций приведен в виде блок-схемы на Рисунке 1.1.
Зарождение стандартизации области ИТС можно считать 1992 год, когда в рамках Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), был создан Технический комитет 204 «Интеллектуальные транспортные системы» (ISO / TC 204 Intelligent transport systems). Задачей данного комитета является стандартизация информационных систем, систем взаимодействия и управления городским и сельским наземным транспортом [56]. В процессе развития внутри комитета было создано 16 рабочих групп, взявшими на себя обязанности по выполнению исследований и стандартизации по направлениям, приведенным в Таблице 1.1.
Европейский комитет по стандартизации (Comite Europeen de Normalisation, CEN). В том же 1992 году к разработке стандартов под ИТС на территории Европы приступил CEN. Для этого в рамках комитета создано 17 рабочих групп, выполняющих исследования и стандартизацию по направлениям, приведенным в Таблице 1.2 [122].
Помимо CEN разработкой стандартов, относящихся к области ИТС, в Европе в последствии занялись и другие участники объединения Европейских Организаций по Стандартизации (European Standardization Organizations, ESO). С целью формирования единого подхода к развертыванию ИТС систем на территории Европы в соответствии с директивой Совета Европы и Европейского Парламента (Directive 2010/40/EU) [3], Европейская Комиссия предъявила требование к участникам ESO о необходимости поддержки разработанного ею фреймворка в рамках мандата (EC M/453) [34]. Данный мандат регламентирует разработку в кратчайшие сроки технических спецификаций и рекоммендаций в области взаимодействия, структуры данных, типов приложений и безопасности. Однако европейский комитет электротехнической стандартизации (European Committee for Electrotechnical Standardization, CENELEC) отказалась принять мандат, вследствие чего прекратил разработку стандартов в данной области. CEN и ETSI приступили к разработке сери стандартов и технических спецификаций с кодом EN [2].
Европейский институт телекоммуникационных стандартов (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) [52]. ETSI после формирования соглашения о совместной работе с CEN в рамках мандата EC M/453 приступила к публикации общих для территории Европы стандартов для объединения различных ИТС (cooperative-ITS, C-ITS), с целью обеспечения взаимодействия модулией различных производителей ТС и RSU. Первый релиз был опубликован в 2014 году. Помимо этого ETSI приступила к работам по снижению интерференции между европейским DSRC оборудованием CEN и ИТС.
В дальнейшем, также в 2014 году, ETSI опубликовало еще две спецификации для ИТС, касающихся сервисов. Первая спецификация - это спецификация совместных информационных сервисов (EN 302 637-2) [6]. Она регламентирует способы и технологии информационного взаимодействия класса V2V, V2I, I2V и I2I, являющегося базовым для реализации функционала БДД в ИТС. Помимо этого данная спецификация описывает синтаксис и семантику сообщений, с помощью которых производится взаимодействие между объектами ИТС. Вторая спецификация - это спецификация сервисов децентрализованного информирования окружения (EN 302 637-3) [7]. Основным принципом данного сервиса является организация передачи предупреждений о возникших по близости опасностях или изменения режима движения. Предупреждение передается на ближайший RSU, а далее транслируется всем приближающимся ТС. Получив сообщение, приложение на OBU формирует предложения о возможных способах реакции для водителя. Объединение технических комитетов CEN и ETSI, в совокупности с плотным взаимодействием с крупнейшими игроками автоиндустрии, позволило ускорить разработку единых стандартов для ИТС в Европе. В целях дальнейшего их развития Европейский Союз обеспечил финансирование таких проектов как eCoMove, Drive C2X, and COMeSafety [120, 121], являющихся крупнейшими потребителями стандартов области ИТС. Взаимодействие с производителями инфраструктурного оборудования, для учета их возможностей при создании стандартов, было налажено через функциональные группы ERTICO–ITS Europe, Amsterdam Group, and the Car 2 Car Communication Association. Одновременно, для обеспечения совместимости на международном уровне, было организовано взаимодействие с такими организациями, как ISO, IEEE и SAE [2].
Международный Союз Электросвязи (МСЭ) (International Telecommunication Union, ITU). Наряду с ISO и IEC, МСЭ является признанной организацией по стандартизации. Создание международных стандартов для ИТС в рамках МСЭ организовано за счет создания объединенных оперативных групп с ISO. Подобное взаимодействие позволяет сократить время вывода на мировой рынок наиболее качественных и совместимых продуктов коммуникаций объектов ИТС [52].
Ассоциация по стандартизации при институте инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association, IEEE-SA). IEEE-SA это организация при IEEE, занимающаяся разработкой глобальных стандартов для широкого спектра областей промышленности. Так, одной из областей стандартизации, в которой важная роль принадлежит IEEE, является ИТС. Разработкой стандартов в данной области занимается рабочая группа IEEE 802.11. Начало работ по разработке первых релизов стандарта датируется 2005 годом. На протяжении четырех лет данной рабочей группой было опубликовано 10 релизов стандарта IEEE 802.11p, пока в июле 2010 года большинством голосов не была принята окончательная версия под номером 11. В этом стандарте специфицируется структура и формат данных для канального (MAC) и физического (PHY) уровней, а так же особенности реализации механизма приоритезации различных типов трафика.
Разработанное IEEE семейство стандартов IEEE 1609 получило название Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) . Оно определяет архитектуру, сервисы и интерфейсы взаимодействия вида V2V и V2I для систем БДД [1]. Вместе эти стандарты составляют основу для широкого круга приложений транспортной среды. Среди них такие как: приложения связанные с БДД, приложения автоматизация платежей, приложения навигации, приложения контроля и управления трафиком и многие другие. Всего в семействе WAVE насчитывается семь стандартов:
IEEE 1609.0-2013 - IEEE Guide for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Architecture. Описывает WAVE архитектуру и сервисы, необходимые для взаимодействия многоканальных устройств DSRC/WAVE [21].
IEEE 1609.1-2006 - Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Resource Manager. Специфицирует интерфейсы и сервисы менеджера ресурсов, предоставляемых приложениями WAVE. Данный стандарт определяет структуру и формат потоков данных внутри систем WAVE. Для этих целей в нем определен формат управляющих сообщений и перечень возможных ответов на них, а также формат данных, который должен использоваться приложениями для организации взаимодействия между отдельными компонентами системы. Помимо этого в нем определены форматы запросов и сообщений о статусе [23].
Анализ подходов к построению систем безопасности
Инновационные подходы к повышению безопасности движения ТС на основе информационного обмена между узлами сети обуславливают необходимость создания специализированных систем. Одной из важнейшей проблемы, возникающей при проектировании и развертывании подобных крупномасштабных систем, является нахождение баланса между такими показателями как простота организации, эффективность функционирования и экономическая рентабельность.
Простота организации включает в себя возможность внедрения нового решения в существующую техническую инфраструктуру. Преследуемой целью при этом является создание однородной, полнодоступной информационной структуры. Это предполагает оснащение всех ТС, средствами телекоммуникационного взаимодействия. Однако, учитывая текущие реалии, массовая установка дополнительного оборудования на ТС, с одновременным развертыванием стационарной инфраструктуры формирует весьма непростую задачу для проектирования.
Оценка эффективности функционирования системы, как и для большинства систем на основе сетевых структур, производится по двум показателям: отказоустойчивость и работоспособность в целом. Эти два показателя зависят от множества влияющих факторов и отличаются лишь степенью исполнения системой своего основного функционала. Повышение эффективности функционирования может быть достигнуто за счет применения различных архитектурных и технических решений.
Основной функционал сетей VANET заключается в предотвращении дорожных инцидентов и связан с необходимостью своевременного и надежного обмена сообщениями, несущими информацию о статусе узлов сети. Однако особенности данного типа сетей, такие как высока плотность расположения и высокая скорость перемещения узлов, накладывают ряд ограничений на использование стандартных решений, применяемых в стационарных или малоподвижных самоорганизующихся сетях.
В процессе анализа подходов к построению систем безопасности стоит учитывать, что сетевой инфраструктура плотно завязана на топологию дорожных покрытий. Эта особенность позволяет применять дополнительные технические решения при построении системы и должна учитываться в процессе исследования её характеристик.
Существующие подходы к построению систем безопасности на базе стандарта IEEE 802.11p/WAVE, можно классифицировать представленным на Рисунке 2.1 образом.
Использование RSU и стационарной инфраструктуры позволяет избавиться от необходимости многошаговой ретрансляции сообщений, что существенно сокращает суммарный сетевой трафик. Помимо этого, после однократного принятия сообщения о нештатной ситуации на дороге, элементы стационарной инфраструктуры могут полностью перенимать функцию дальнейшего распространения предупреждающей информации. В этом случае оповещения об опасности всех узлов, расположенных в непосредственной близости, может быть реализовано как посредством рассылки соответствующих сообщений с RSU, так и выводом предупреждающих сообщений на информационные табло. При полной блокировке проезда, стационарная система управления может изменить сигнальные схемы светофоров, обеспечив, таким образом, объезд блокированного участка дороги. Пример системы, реализующей подобный функционал, приведен на Рисунке 2.2.
Подобный подход является весьма эффективным и функциональным, но обладает огромными недостатками в виде скорости и стоимости развертывания системы. Избавиться от приведенных недостатков можно путем использования одноранговой самоорганизующейся сетевой структуры, создаваемой исключительно из OBU. При этом снижение вероятности коллизий в процессе распространения сообщений по сети, может быть достигнуто рядом технических или алгоритмических решений.
Так, одним из подходов, описанным в [109, 104], является использование направленных антенн. Это позволяет изменить форму зоны слышимости сигнала, вытянув ее вдоль дорожного полотна, как это показано на Рисунке 2.3. Благодаря сокращению зоны слышимости сигнала, снижается взаимовлияние узлов, движущихся как попутно по параллельным дорогам, так и в противоположных направлениях. Вероятность возникновения коллизии в процессе передачи сообщений при этом значительно снижается.
Зауженная диаграмма направленности при данном подходе, является как достоинством, так и существенным недостатком. В случае ДТП, транспортное средство может изменить свое положение относительно проезжей части. Вследствии этого, сообщения от бортовых систем непосредственных участников ДТП могут не достигнуть других участников дорожного движения, что существенно снижает целевую функциональность системы безопасности в целом.
Другим способом снижения негативного взаимовлияния узлов, приведенном на Рисунке 2.4, является управление мощностью сигнала передающей части [45, 66, 88, 61, 94, 68]. При ее уменьшении, зона слышимости сигнала сокращается, что приводит к снижению числа узлов, конкурирующих за доступ к среде передачи. Однако, в рамках mesh-сети в целом, данный подход так же имеет и негативные последствия. Занижение зоны слышимости приводит к росту эффекта кластеризации сети [65, 78, 106, 85, 50]. Передача сообщений безопасности между изолированными участками становится невозможной. Такой подход так же снижает эффективность функционирования системы безопасности.
Подход с использованием специализированных алгоритмов, управляющих процессом ретрансляции сообщений, предоставляет возможность динамического изменения параметров или режима работы узлов самоорганизующейся сети [79, 103, 76]. При этом создание дорогостоящей стационарной инфраструктуры не требуется. Решение о необходимости изменения параметров передатчиков или дальнейшей ретрансляции сообщений принимается каждым узлом самостоятельно, в зависимости от собираемой им информации об окружающей обстановке.
Все рассмотренные подходы имеют цель создания единой среды информационного обмена. Однако наиболее перспективными как с экономической точки зрения, так и с точки зрения простоты внедрения, выглядят системы, построенные по принципу одноранговой mesh-сети. Современные тенденции развития автомобилестроения, когда модули беспроводного взаимодействия устанавливаются прямо на заводах-производителях, напрямую поддерживают именно этот сценарий организации систем безопасности в ITS. С учетом скорости обновления автопарка в развивающихся странах, активно поддерживаемой государственными программами, объем охвата автомобилей средствами телекоммуникаций в пределах 3-5 лет, может достигнуть 70-90% [112]. При таком сценарии развития наибольшие усилия следует прилагать к исследованиям способов распространения приоритетного трафика в режиме ad-hoc.
Модель сети с применением алгоритма на основе SINR
Рост плотности узлов, а также применения режима многошаговых ретрансляций в целях достижения требуемой дистанции информирования, приводит к резкому увеличению суммарного потока передаваемых сообщений. В связи с этим возникает потребность применения специализированных алгоритмов просеивания потока, ограничивающих количество узлов, задействованных в процессе ретрансляции дублирующих сообщений.
С учетом предложенного в Главе 2 алгоритма принятия решений о ретрансляции, следует детальней рассмотреть принцип работы модифицированной под него модели узла, приведенной на Рисунке 3.3.
Как было описано ранее, суммарный поток поступает на входы всех узлов, где с учетом приведенной на Рисунке 3.3 структуры, проходит фильтрацию по TTLmax. При этом стоит учесть, что фильтрация не подразумевает использование обслуживающего прибора основной СМО в структуре узла. Поэтому с точки зрения нагрузки на основной обслуживающий прибор, данный поток не оказывает никакого воздействия. Как результат, больший интерес представляет поток на выходе подсистемы фильтрации.
Далее, фильтрованный поток поступает на вход некоторой промежуточной СМО, которая в соответствии с определенным стохастическим алгоритмом либо отбрасывает сообщение, либо передает в основную очередь на обслуживание. Подобный процесс обработки называется просеиванием входящего потока [43, 119, 113, 115]. Анализ систем методом просеянного потока позволяет получить представление о характеристиках потока, поступающего в основную очередь обслуживания и, впоследствии, на выход основной СМО.
Рассмотрим процесс обслуживания потока сообщений узлом i нашей сети. Для этого изобразим две временных оси, на первой из которых отметим моменты поступления сообщений входящего потока. На вторую ось проецируется просеянный поток сообщений, как это представлено на Рисунке 3.7.
Зафиксируем некоторый момент времени T. Входной поток П, образован сообщениями, поступившими в систему на промежутке времени t0 t T с интервалом времени между событиями . Пусть каждое событие входного потока с вероятностью p = S(t) будет передано для дальнейшего обслуживания в основную очередь узла, образуя таким образом поток Пp. При этом обозначим интервал времени между событиями просеянного потока как p . Вероятность того, что сообщение не будет просеяно и на момент времени T, прекратит свое обслуживание в системе, обозначим как q = Soft). Очевидно, что для любого t T справедливо равенство
Далее, выполним анализ полученной системы на основе предельной теоремы для редеющих потоков [114]. Для чего обозначим операцию стохастического прореживания входящего потока как Rp{П}. В этом случае можно записать
Не трудно понять, что с учетом задачи оптимизации процесса распределения широковещательного трафика, и того, что kz»kem, основное влияние на загрузку узла будет оказывать суммарный входящий поток от соседних узлов. Таким образом, применение различных механизмов его фильтрации, задающий вероятность просеивания потока S(t), будет основополагающим фактором, влияющим на загрузку буфера основной СМО.
Поскольку входящий поток в основную очередь узла является простейшим, то мы можем применить теорему Бурка [44], говорящую, что в стационарном режиме промежутки времени между уходящими требованиями в системе M/M/1, распределены по показательному закону, так же как и промежутки между входящими требованиями, причем с одним и тем же параметром .
Важным условием применения такого подхода, является стационарный режим работы системы, когда вероятность Pk(t) того, что длинна очереди равна к, не зависит от t. Как нам известно из теории очередей, стационарный режим устанавливается при соблюдении условия к [л, т.е. когда коэффициент использования системы, определяемый как p=k//i 1. При этом вероятность Pk(t) определяется формулой:
С выхода первого узла поток сообщений попадает на вход следующей системы обслуживания, где подвергается той же самой обработке, что и на первом. За счет становления стационарного состояния на последующих узлах, процесс обслуживания повторяется, пока у сообщения TTL не достигнет значения TTLmax, что приведет к прекращению процесса его дальнейшей ретрансляции.
Получив таким образом параметры выходного потока, мы можем снова прибегнуть к методу анализа сети на основе сетей Джексона, описанных в предыдущем разделе.
Однако следует учесть, что у сетей на основе технологии CSMA/CA имеется одна важная особенность, выражающаяся в волатильности дисциплины обслуживания в зависимости от общей загрузки системы. Введение требования о применении многошагового режима распределения широковещательной информации, приводит к повышению загрузки канала трафиком от узлов зоны расширения кластера информационного обмена. Очевидно, что с ростом количества узлов, находящихся в зоне кластера информационного обмена, возрастает и суммарный объем трафика. Это приводит к увеличению вероятности возникновения коллизий, вызывающих повторные срабатывания таймера отсрочки и рост задержек на узлах. Все эти факторы приводят к выходу системы из стационарного режима, что значительно усложняет процесс ее анализа.
Исследование сети с применением алгоритма фильтрации, приведенные в Главе 4, показало, что с ростом числа активных узлов и, как следствие, загрузки канала, суммарный выходной поток приобретает вид гамма распределения. Таким образом, мы получили результат, говорящий о том, что суммарный поток имеет распределение, описываемое функцией
Исследование переходных процессов распределения широковещательного трафика
В данном разделе проводится проверка результатов аналитических суждений, изложенных в п.3.3.
В качестве инициализационных данных основного скрипта моделирования были установлены параметры, приведенные в Таблице 4.1.
Для этого в качестве топологии сценария моделирования, был выбран прямолинейный участок дороги протяженностью 1600 метров, с тремя полосами в каждом направлении. Дистанция между узлами одного направления была установлена равной 5 метров.
Обработка результатов моделирования рассылки 10 000 сообщений производилась скриптами, написанными на языке программирования Perl. В разработанных скриптах модельное время разбивалось на интервалы по 0,5 мс, и на каждом из интервалов подсчитывалась численности узлов в каждом из трех состояний. Поскольку в рамках исследования оценка загрузки канала не производилась, то размер пакетов в расчетах не учитывался. При этом ключевым показателем подлежащим оценке, было выбрано количество узлов, задействованных в процессе ретрансляции пакетов. Данный показатель является одним из наиболее важных, поскольку оказывает непосредственное влияние и на загрузку канала и на задержки при распространении пакетов по сети.
На основе результатов обработки статистики, были построены диаграммы переходных процессов для всех трех состояний узлов. Так, на Рисунке 4.17, приведена столбчатая диаграмма, отображающая распределенную по времени среднюю численность восприимчивых узлов, полученную эмпирически на основе анализа результатов моделирования. Непрерывная огибающая является аналитическим результатом (3.30), полученным ранее. На Рисунке 4.18 и Рисунке 4.19, приведены результаты моделирования для восстановившихся и инфицированных узлов совместно с полученными ранее аналитическими результатами (3.32) и (3.33). Поскольку в сценарии моделирования использовался прямолинейный участок дороги с общей шириной 30 метров, то при выбранных параметрах моделирования, площадь дорожного полотна составляет приблизительно 0,053 от общей площади покрытия радиосигналом. Именно это значение и было выбрано для получения аналитических результатов.
Проверка на согласие полученных аналитических результатов с результатами моделирования по критерию Пирсона для уровня значимости 0.05, подтвердила гипотезу о совпадении эмпирических результатов, с аналитическими. Аналогичный подход к анализу процесса распределения широковещательных сообщений на основе теории эпидемий, может быть применен также в случае использования других алгоритмов ретрансляции сообщений. Впоследствии, полученные аналитические выражения могут быть использованы как удобный инструмент оценка эффективности разрабатываемых алгоритмов.