Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия наблюдается увеличение числа телекоммуникационных сетей локального и регионального (городского) масштаба, где применение беспроводных технологий связи обеспечивает гибкость топологии сети, включая поддержку мобильных абонентов, быстроту проектирования и низкие затраты на реализацию. Бесспорными лидерами на рынке технологий, использующих каналы множественного доступа, являются протокол региональных (городских) сетей IEEE 802.16 и протокол локальных сетей IEEE 802.11. Активный процесс международной стандартизации, производства беспроводного оборудования и развертывания сетей передачи информации традиционно выводит на передний план задачи так называемого физического уровня. Как следствие, на порядки возрастает скорость работы оборудования, а также значительно усложняется его структура. Возникает ситуация, в которой алгоритм управления доступом к среде зачастую представляет собой «узкое место» всей системы связи и существенно снижает ее потенциальную производительность.
Отмеченный в последнее время рост количества беспроводных сетей, а также числа их абонентов, появление новых высокоскоростных технологий передачи данных и все большее ужесточение требований к качеству обслуживания абонентов, вызванное конкуренцией производителей телекоммуникационного оборудования, ставят перед исследователями принципиально новые задачи. При этом классические труды в области теории управления множественным доступом ire учитывают изменившейся специфики множественного доступа применительно к современным региональным (городским) централизованным беспроводным сетям, особенно в условиях критичной для них высокой загрузки. Кроме того, на сегодняшний день сравнительно мало изучены особенности одновременной работы региональных (городских) и локальных сетей передачи информации, которая характерна для современной спектрально напряженной городской инфраструктуры. Частичному восполнению данных пробелов и посвящена настоящая диссертационная работа.
В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является исследование и оптимизация алгоритмов случайного множественного доступа для повышения эффективности передачи информации в централизованных телекоммуникационных сетях при высокой загрузке, а также разработка новых алгоритмов с учетом требований, предъявляемых к качеству обслуживания абонентов.
Основные положения данной работы сформулированы, в основном, на примере протокола региональной (городской) сети IEEE 802.16. Тем не менее, большинство полученных результатов может быть использовано и в других централизованных сетях передачи информации, таких как Универсальная система мобильной связи (universal mobile telecommunications system, UMTS) и новый протокол передачи данных для сетей мобильной связи Long term evolution (LTE).
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи.
Провести анализ алгоритма разрешения конфликтов в сети передачи информации с большим числом абонентов.
Выяснить предельную эффективность стандартного алгоритма резервирования в централизованной сети при высокой загрузке.
Исследовать зависимость общей задержки передачи сообщения от параметров алгоритма резервирования.
Разработать новый алгоритм резервирования ресурса канала связи в централизованной системе передачи информации для повышения уровня качества обслуживания абонентов.
Провести анализ одновременной работы протоколов региональной (городской) и локальной сети.
Теоретическую основу исследования составили классические труды таких отечественных и зарубежных ученых, как Дж. Месси, Ф. Келли, Л. Клейнрок, С. Лэм, Дж. Капетанакис и И. Рабин, а также современные работы таких ученых и исследователей, как Дж. Бианки, Л. Голдберг, Г. Гианнакис, В. М. Вишневский и А. И. Ляхов.
Методы исследования. При получении основных результатов диссертационной работы использовались общие методы системного анализа, методы теории вероятностей, теории случайных процессов, в частности регенерирующих и марковских процессов, теории систем массового обслуживания, численные методы, а также методы имитационного моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Проведен обобщенный анализ производительности алгоритма резервирования в централизованной системе связи, позволяющий получить значения его предельной эффективности.
Построена модель для оценки общей задержки в централизованной сети передачи информации, учитывающая как задержку резервирования, так и задержку обслуживания сообщений.
Выполнен расчет скорости алгоритмов из класса древовидных алгоритмов случайного множественного доступа со свойством последовательного погашения интерференции, а также предложен эффективный алгоритм из данного класса для резервирования ресурса канала в централизованной системе связи.
Исследован режим одновременного функционирования протоколов региональной (городской) и локальной сети передачи информации и предложен алгоритм координирования их совместной работы.
Практическая ценность диссертационной работы. В данной диссертационной работе произведены анализ и оптимизация конкурентных механизмов резервирования в протоколе IEEE 802.16 с точки зрения качества обслуживания абонентов и получены значения их предельной эффективности в условиях высокой загрузки. Построена модель
для расчета общей задержки в централизованной сети передачи информации, которая позволяет оценить соответствующую величшгу в сети IEEE 802.16 и может быть использована при ее проектировании и реализации. Предложен новый алгоритм резервирования ресурса канала связи со свойством последовательного погашения интерференции, обладающий более высокой эффективностью по сравнению со стандартным алгоритмом. Разработан новый алгоритм координирования сетей IEEE 802.16 и IEEE 802.11, позволяющий обеспечить одновременную работу двухлротокольной абонентской станции в обеих сетях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах в период с 2006 по 2008 гг.: на научных сессиях ГУАП; на форуме «Information Systems. Problems, Perspectives, Innovation Approaches»; на семинаре «On Distributed Computer and Communication Networks»; на 11-м симпозиуме «On Problems of Redundancy in Information and Control Systems»; па 54-й конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications»; на семинаре «On Multiple Access Communications»; на 8-й конференции «On Next Generation Teletraffic and Wired/Wireless Advanced Networking»; па 15-й конференции «On Analytical and Stochastic Modeling Techniques and Applications»; на 11-м симпозиуме «On Wireless Personal Multimedia Communications».
Внедрение результатов. Теоретические и практические результаты работы применяются в учебном процессе кафедры безопасности информационных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения (ГУАП). Результаты работы используются на практике в ЗАО «Интел А/О».
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в 19 печатных работах. Из них 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах, утвержденных в перечне ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту.
Обобщенный анализ производительности алгоритма разрешения конфликтов в сети передачи информации.
Оценка общей задержки передачи в централизованной системе связи с конкурентным резервированием.
Расчет скорости для класса алгоритмов случайного множественного доступа со свойством последовательного погашения интерференции и алгоритм резервирования из данного класса.
Алгоритм координирования совместной работы протоколов региональной (городской) и локальной сети передачи информации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка цитированных источников и приложения. Работа содержит 155 страниц основного машинописного текста, 40 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.
