Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Особенности мобильных беспроводных сетей с высокоскоростными объектами 8
1.1 Основные определения мобильных эпизодических сетей 8
1.2 Модели мобильности узлов в эпизодических сетях 13
1.3 Использование направленных антенн в эпизодических сетях 20
1.4 Проблемы, обусловленные использованием направленных антенн
1.4.1 Проблема «скрытого» терминала 26
1.4.2 Проблема «глухоты» 29
1.5 Известные методы доступа к среде в эпизодических сетях с использованием направленных антенн 30
1.5.1 Протоколы на основе стандартных R TS/CTS сообщений 31
1.5.2 Протоколы на основе специальных импульсов 38
1.5.3 Другие протоколы случайного доступа к среде 39
1.5.4 Протоколы планируемого доступа к среде 40
1.6 Проблемы маршрутизации 40
1.6.1 Особенности использования направленных антенн 43
1.6.2 Проблемы, обусловленные высокими скоростями перемещения абонентов 1.7 Известные методы маршрутизации для мобильных эпизодических сетей с высокоскоростными объектами 47
1.8 Отличия стандартов 802.11, 802.16 с точки зрения использования в сетях с высокоскоростными объектами 60
1.9 Анализ сред моделирования для мобильных эпизодических сетей 61
1.10 Выводы и постановка задачи 65
ГЛАВА 2 Адаптация 802.11 мас для работы с направленными антеннами в беспроводной сети 67
2.1 Выбор методов повышения эффективности работы мобильной эпизодической сети 67
2.2 Имитационная модель канального уровня
2.3 Выводы 82
ГЛАВА 3 Разработка модифицированного протокола маршрутизации для эффективной передачи данных между высокоскоростными объектами 84
3.1 Выбор методов маршрутизации 84
3.2 Реализация предложенных методов маршрутизации 86
3.3 Выводы 92
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка эффективности новых методик и подходов 93
4.1 Исходные данные для проведения экспериментов 93
4.2 Исследование сети WiMAXc предложенными изменениями 95
4.3 Проверка качества принимаемых голосовых данных в сложной помеховои обстановке
4.3.1 Описание испытаний 99
4.3.2 Результаты испытаний 100
4.4 Реализованное в рамках работы ПО и интерфейс пользователя 102
4.5 Выводы 106
Заключение 107
Список используемых источников
- Модели мобильности узлов в эпизодических сетях
- Имитационная модель канального уровня
- Реализация предложенных методов маршрутизации
- Проверка качества принимаемых голосовых данных в сложной помеховои обстановке
Введение к работе
В диссертации разрабатываются и исследуются новые методы доступа к беспроводной среде передачи данных на канальном и сетевом уровнях в системах с направленными антеннами и высокоскоростными объектами. Алгоритмы строятся с учётом использования их в беспроводных вариантах сетей стандарта 802. В основе алгоритмов лежат методы наведения направленных антенн, управления мощностью передачи, предотвращения коллизий, поиска узлов и маршрутов. Рассматриваются модификации 802.11 MAC, адаптированные для работы с направленными антеннами, а также протоколы маршрутизации, предназначенные для работы с направленными антеннами. Исследуются пропускная способность мобильной беспроводной сети, задержки при передаче трафика реального времени, доля служебного трафика. Показана высокая эффективность новых методов.
Актуальность работы
Традиционно в беспроводных ad hoc (эпизодических) сетях используются всенаправленные антенны для приёма и передачи информации. Использование таких антенн приводит к низкой эффективности систем из-за интерференции сигналов от разных абонентов. Для достижения большей эффективности передачи информации используется пространственное разнесение с помощью направленных антенн. Благодаря этому значительно уменьшается количество коллизий, увеличивается дальность передачи и появляется возможность управления мощностью. Для увеличения пропускной способности сети используются, например, методы доступа к среде с временным разделением. Но для такой схемы потребуется организации инфраструктуры сети с базовыми станциями, что не всегда возможно. Для организации беспроводной сети с высокоскоростными объектами (например, воздушными судами) и направленными антеннами
необходимо решить несколько проблем, связанных с небольшой длительностью радиовидимости объектов и отслеживанием объектов для наведения направленных антенн. Для решения данных проблем используются различные методы определения положения объектов, в том числе DoA (direction of arrival -определение направления прихода радиоволны) или GPS и протоколы маршрутизации по требованию.
Проблемам организации беспроводной мобильной сети с направленными антеннами посвящено несколько монографий и публикаций. Наибольший вклад в теоретическое развитие этой проблемы внесли Y.A. Nasipuri, J. Sanchez, М. Takai, R. Ramanathan, R. Choudhury. Особенностям разработки протоколов маршрутизации для сетей с высокоскоростными объектами уделено не так много внимания. Наиболее заметны работы таких авторов, как К. Peters, A. Jabbar,M. Iordanakis, С. Perkins. Однако известные алгоритмы и методы не описывают самоорганизующейся системы, учитывающей направленные антенны и высокие скорости перемещения объектов. В доступной литературе описывается единственная система для организации беспроводной сети с объектами, двигающимися со сверхзвуковыми скоростями, работающая по схеме с временным разделением и базовыми станциями.
В настоящее время растёт интерес и потребность для организации сетевого взаимодействия между летательными аппаратами для эффективной передачи различных типов данных: команд, телеметрии, голосовой и видеоинформации. Это обстоятельство подтверждает, что применяемые в беспроводных сетях методы передачи данных должны максимально эффективно использовать пропускную способность для передачи больших объёмов данных и данных, чувствительных к задержке.
В диссертационной работе изучается проблема передачи данных в беспроводных сетях с использованием направленных антенн и с большими скоростями перемещения объектов.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов управления мобильной эпизодической сетью с высокоскоростными абонентами для организации более эффективного взаимодействия между ними, что подразумевает:
увеличение вероятности доставки сообщений с учетом возможного выхода абонента из зоны радиоприема;
снижение потерь пакетов при передаче в сети;
сокращение времени установления связи между абонентами;
увеличение пропускной способности каналов связи;
снижение энергетических затрат при передаче пакетов в расчете на бит информации.
Поставленная цель достигается за счет:
использования направленных антенн (наряду со всенаправленными) у абонентов сети; разработки методов и алгоритмов одновременного использования в сети разных антенн;
разработки модифицированных алгоритмов на MAC подуровне, реализующих работу сети с направленными антеннами;
разработки протоколов и прикладных программ для уровня маршрутизации, обеспечивающих эффективное функционирование эпизодической сети из высокоскоростных абонентов;
практической реализации предложенных алгоритмов и методов на базе стандарта 802.11.
Объект и предмет исследования
Объект исследования - мобильные беспроводные сети передачи данных, голоса, видео. Предмет исследования - поиск методов эффективной передачи данных в беспроводных сетях с направленными антеннами и высокоскоростными объектами.
Методы исследования
В работе использовались методы теории телетрафика, теории распространения радиоволн и событийного моделирования. При разработке программ, моделировании и проведении численных расчётов использовались следующие языки программирования и программные продукты: C/C++, OPNETModeler иМАТЬАВ.
Научная новизна
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:
Модификация вектора сетевого резервирования из стандарта 802.11 и использование его на уровне маршрутизации позволяет уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза по сравнению со стандартом 802.11;
Разработка алгоритмов управления мощностью на основе BER позволяет сократить энергопотребление передатчика до 80%;
Разработка метода прогнозирования местоположения узлов на уровне маршрутизации на основе разных моделей мобильности даёт возможность сократить объём служебного трафика в 2 раза.
Практическая значимость результатов работы
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем.
1. Разработанные в диссертации алгоритмы и методы позволяют повысить эффективность взаимодействия между высокоскоростными абонентами эпизодической сети, а именно: уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза, сократить объем служебного трафика
в 2 раза, сократить энергопотребление передатчика до 80%;
Разработанную на алгоритмическом языке C/C++ программную модель можно использовать при проектировании беспроводных сетей с направленными антеннами и высокоскоростными объектами, а также в учебном процессе в курсах по мобильным сетям;
Предложенные подходы можно эффективно использовать для построения сетей по стандартам 802.11, 802.15 и 802.16
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена результатами компьютерного моделирования в среде OPNETModeler, а также экспериментально.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре телекоммуникационных систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» при чтении курсов лекций по дисциплинам «Компьютерные сети» и «Системы связи с подвижными объектами», а также в ОКР в ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца».
Положения, выносимые на защиту
Разработаны методы и алгоритмы одновременного использования в сети направленных и всенаправленных антенн, которые позволили увеличить эффективность работы сети.
Разработка алгоритмов управления мощностью на основе BER позволяет сократить энергопотребление передатчика до 80%;
Модификация вектора сетевого резервирования из стандарта 802.11 и использование его на уровне маршрутизации. Показано, что это позволяет уменьшить количество потерянных пакетов в 1,5-2 раза по сравнению со стандартом 802.11.
Разработка метода прогнозирования местоположения узлов на уровне маршрутизации на основе разных моделей мобильности даёт возможность сократить объём служебного трафика в 2 раза.
Личный вклад автора
Все основные результаты диссертационной работы получены лично автором диссертации.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы
представлены и обсуждены на научных семинарах кафедры
телекоммуникационных систем Национального
исследовательского университета «МИЭТ» и научно-технических конференциях:
Международная школа-конференция по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» с участием молодых ученых, аспирантов и студентов стран-членов СНГ, Зеленоград, 2006г.
Российская школа-конференция «Мобильные системы передачи данных» с участием молодых ученых и преподавателей, Зеленоград, 2006 г.
Всероссийская молодежная конференция «Электроника -2007», Зеленоград, 2007 г.
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Зеленоград, 2011 г.
Публикации
Результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах. Из них 2 статьи в журналах из перечня ВАК, 5 тезисов в трудах перечисленных выше российских конференций.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Она содержит 146 страниц текста, включая 50 рисунков, 16 таблиц, список используемой литературы из 113 наименований, 4 приложения, включая 2 акта о внедрении ее результатов.
Модели мобильности узлов в эпизодических сетях
Уровень МАС, определённый в ШЕЕ 802.11 стандарте [4], или его вариации обычно применяется в существующих эпизодических сетях. Стандарт построен на множественном доступе с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). По данному стандарту все узлы должны использовать один и тот же канал и связываться друг с другом в пределах радиовидимости. К тому же ввиду своей простоты он является хорошей платформой для разработки одноуровневой архитектуры с ретрансляцией.
Рабочая группа инженеров Интернет (IETF, The Internet Engineering Task Force) по мобильных эпизодическим сетям выпустила стандарт по маршрутизации в таких сетях. Целью рабочей группы являлась поддержка сетей с сотнями маршрутизаторов [5]. Как указано в [6] такие протоколы для конфигурирования сетей как DHCP, DNS, MADCAP и LDAP не подходят для мобильных эпизодических сетей ввиду того, что должны поддерживаться административным персоналом. Это в свою очередь неприменимо ввиду того, что в таких сетях административного персонала может не существовать. Вместо этого должны существовать протоколы, которые вообще не требует вмешательства пользователей для поддержки сети. Механизмы передачи информации, а также связанная с этим инфраструктура должны обеспечивать достоверность информации не только в нормальных условиях, но и в условиях сетевых атак. Мобильные эпизодические сети сильно отличаются or обычных сетей. Мобильные компьютеры подключаются посредством беспроводного канала, который подвержен к таким атакам как «подслушивание», замещение оригинальной информации и к другим активным видам атак.
Обычно сетевая безопасность предполагает конфиденциальность и целостность передаваемой информации [7]. В военных приложениях конфиденциальность предполагается наиболее важным предметом безопасности, в то время как в гражданских основное требование пользователей это доступность ресурсов и сервисов [8].
Архитектура мобильных эпизодических сетей не предполагает обеспечения качества обслуживания. Однако очевидно, что некоторые приложения реального времени должны имеїь такую поддержку со стороны беспроводной сети. Поддержка QoS в мобильной эпизодической сети должна иметь два атрибута [9]: гибкость: необходима из-за неоднородности физического и канального уровней, а также для поддержки различных протоколов маршрутизации; эффективность: необходима ввиду ограниченных процессорной мощности и памяти узлов, так же как и полосы пропускания.
Среди различных параметров моделирования выбор модели мобильности узлов играет важную роль в определении производительности мобильной эпизодической сети [10]. Модель мобильности узлов описывает шаблоны движения мобильных узлов и как их положение, скорость и ускорении меняется во времени. Так как шаблоны мобильности сильно влияют на производительность протоколов важно, чтобы модель мобильности эмулировала заданные реальные приложения подходящим образом. Иначе результаты теоретических исследований и выводы из моделирования не совпадут. Например, узлы при использовании модели со случайными контрольными точками {Random Waypoint Model) ведут себя по-другому по сравнению с узлами, двигающимися в группах [11]. Однако наиболее реалистичная модель может получиться при использовании заранее зафиксированных траекторий движения реальных узлов.
В мобильных беспроводных сотовых сетях используются такие шаблоны мобильности, при которых узлы двигаются относительно определённой области (соты), и изучаются такие параметры как частота смены соты, трафик хендовера и вероятность блокировки [12, 13]. Однако для моделирования и анализа моделей мобильности в мобильных эпизодических сетях больший интерес представляет движение отдельных узлов, включая местоположение и скорость относительно других узлов, так как эти факторы непосредственно влияют на установление и разрыв каналов связи между узлами.
В качестве модели мобильности для мобильных эпизодических сетей чаще всего используется модель со случайными контрольными точками, в которой узлы двигаются независимо в сторону случайно выбранных точек и со случайной скоростью. Одна из причин широкой распространённости данной модели это её простота. Но мобильные эпизодические сети могут использоваться в различных приложениях, где могут существовать сложные шаблоны движения. На рисунке 1.2 представлены категории различных моделей мобильности, сгруппированные на основе определённых характеристик движения [14]. Например, для некоторых моделей мобильности движение узла зависит от того, как он двигался раньше. Такая модель называется моделью с временной зависимостью {mobility model with temporal dependency). Иногда мобильные узлы перемещаются взаимосвязанным образом - модель с пространственной зависимостью {mobility model with spatial dependency). Или, например, когда движение узлов ограничено улицами, автомагистралями или препятствиями - модель с географическими ограничениями {mobility model with geographic restriction).
Имитационная модель канального уровня
Пересылка пакетов с помощью «жадного» алгоритма не всегда успешна. Пакет не дойдёт до места назначения в случае «локального максимума» (local maximum). Данная ситуация возникает тогда, когда у данного ретранслятора N, нет соседей близких к узлу назначения, чем он сам. В таком случае для выхода из этой ситуации будет использоваться маршрутизация по периметру - пакет будет перенаправляться вдоль плоского графа до тех пор, пока не достигнет узла назначения, либо узла, более близкого к узлу назначения, чем N,. Однако в случае мобильной сети плоский граф будет нестабильным, что приведёт к уменьшению эффективности работы сети и сбоям в маршрутизации пакетов [74], [75].
Существует не так много протоколов маршрутизации для мобильных эпизодических сетей с поддержкой информации о местоположении узлов и узлов, двигающихся с высокими скоростями (более 100 м/с).
В работе [76] предлагается протокол маршрутизации на базе GPSR для беспилотных летательных аппаратов (UA V, unmanned aerial vehicle). Однако данная разработка предполагает скорости перемещения узлов не более 25 м/с.
В [77] предлагается подход, при котором узел рассылает пакеты в широковещательной манере. Затем узел следующей пересылки таюке отправляет пакет следующему узлу, при этом данную передачу должен услышать первый узел, иначе он отправит повторный пакет. Если в данный момент рядом нет соседних узлов для передачи пакетов, узел ждёт, пока за счёт перемещений рядом не окажутся соседи. Область, по которой могут перенаправляться пакеты до места назначения, определяется узлом назначения. При моделировании протокола скорость узлов не превышала 30 м/с.
Для исключения недостатков «жадного» алгоритма в [78] предложен метод, который используется в тех ситуациях, когда с помощью «жадного» алгоритма невозможно установить маршрут до места назначения. Поиск маршрутов происходит по требованию, однако для поддержания маршрута, по которому в данный момент передаются данные, происходит на постоянной основе. Если во время передачи данных маршрут до места назначения теряется, например, из-за присутствия «пустых» мест в сети, узел отправитель переключается на «направленную» маршрутизацию [79].Предложенный протокол может работать как с GPS устройством, так и с относительными координатами, при этом скорость перемещения узлов в модели не превышала 20 м/с.
Для достоверной и надёжной передачи информации о местоположении узла назначения, а также для более точного выбора узла ретрансляции, в [80] используются два независимых служебных сообщения до узла назначения. В то же время маршрут до узла назначения строится по требованию. Данный протокол разрабатывался для VANET сетей и предусматривает скорость перемещения узлов до 50 м/с.
Ещё одним способом увеличения эффективности «жадного» алгоритма является оценка времени жизни каналов связи между узлами и управление мощностью [81]. Такой подход значительно увеличивает эффективность «жадного» алгоритма в неплотных сетях.
Существует несколько подходов по доставке пакетов от источника до назначения: с помощью ретрансляции пакетов и с помощью непосредственной доставки пакета источником узлу назначения за счёт физического перемещения. Первый подход гарантирует низкую задержку при передаче пакетов даже в случае большого числа ретрансляций, однако при этом расходуются ресурсы, такие как полоса пропускания и энергопотребление узлов. В то время как с помощью второго подхода можно перемещать пакеты на очень большие расстояния без затрат этих ресурсов. В [82] используется описанный «потенциал движения» {motion potential), который динамически позволяет избежать маршрутизации по периметру и используется в качестве метрики для выбора узла ретрансляции. Хотя такой подход и позволяет уменьшить число ретрансляций и увеличить количество доставленных пакетов, однако пригоден только для тех приложений, которые не имеют ограничений по времени доставки пакетов [83].
Для сетей коммерческой авиации предложен метод [84]. Он основывается на двух известных протоколах - AODV [85] и TBRPF [86]. Для поиска оптимальных маршрутов в данном методе используется несколько критериев: расстояние между узлами и количество ретрансляций до места назначения, при этом маршруты строятся по требованию. Однако для приложений критичных к задержке используются методы непрерывной поддержки необходимых маршрутов.
При высокой мобильности узлов эпизодической сети иногда время, за которое узел назначения перемещается между двумя точками, сравнимо со временем, необходимым механизму отслеживания узлов для поиска данного узла. Это может произойти из-за больших скоростей перемещения узлов, увеличения задержки при передаче служебных сообщений и т.д. В [87] предложен механизм «упреждающей» маршрутизации (anticipatory routing), использующий историю перемещения узла (линейная регрессия) для предсказания его последующего местоположения. Алгоритм предсказания основывается на том, что при больших скоростях перемещения узлов их траектория чаще всего будет прямой, а линейная регрессия основывается на теории среднеквадратичных ошибок, а это означает, что расчётная траектория движения узла достаточно точно описывает реальную траекторию. Предложенный протокол существенно увеличивает эффективность сети вплоть до скорости движения узлов 200 м/с.
При высоких скоростях перемещения узлов для эффективной ретрансляции пакетов важно правильно выбирать следующий узел для пересылки. Одним из способов выбора узлов является метод, основанный на анализе скорости перемещения соседних узлов. В [59] для этого используют «время для перехвата» (time to intercept) метрику, основная идея которой заключается в том, что узел источник вычисляет, как скоро соседние узлы появятся в зоне радиовидимости узла назначения. Помимо этого, для уменьшения количества служебного трафика узлы прослушивают весь служебный трафик, а не только тот, который предназначен данному узлу. Данный протокол предназначен для сетей, со скоростью перемещения узлов большей скорости звука, однако предназначен только для сети iNET [88]. !
Управление местонахождением узлов включает в себя 2 стратегии: отслеживание местоположения и предсказание местоположения. Отслеживание местоположения представляет собой запись текущего местоположения мобильных узлов. Существующие алгоритмы отслеживания местоположения обычно используют измеренное расстояние и углы относительно фиксированного набора реперных точек и методы триангуляции [89, 90].
В [89] предложен механизм расчёта местоположения каждого узла в сети, используя пару реперных точек и АоА технику. Для инициации отслеживания местоположения узел рассылает двенадцать направленных сигналов с интервалом-30 градусов. Каждый узел записывает уровень полученного сигнала и направление, с которого был получен пакет и отправляет в ответе уровень полученного сигнала. Таким образом, передатчик узнаёт наилучшее возможное направление для связи с каждым своим соседним узлом. Однако ввиду частого перемещения узлов в эпизодической сети они должны часто обновлять информацию о местоположении соседних узлов, рассылая служебные пакеты и ожидая ответа.
В [90] предложен алгоритм минимального отслеживания контура, который использует движение узла для уменьшения области отслеживания. Так как мобильный узел не может переместиться во все точки отслеживаемой области в течение короткого промежутка времени, вся область отслеживания сокращается до такого региона, в котором вероятность появления узла выше. С помощью данного алгоритма можно уменьшить количество сенсоров, которые отслеживают перемещения узлов, тем самым уменьшить количество сеансов связи и энергию.
Предсказание местоположения это активная стратегия, которая прогнозирует появление мобильного узла в следующей точке на основе модели движения узла. Один из путей предсказания будущего местоположения узла это знание его скорости и направления [91]. Однако в некоторых сценариях узел не знает своего места назначения или будущего направления. В [92] предложена агрессивная схема управления мобильностью, в которой алгоритм предсказывает будущее положение мобильного узла, основываясь на предыдущих шаблонах движения узла. Объединяя алгоритм управление предсказания мобильности со схемой агентов мобильности, система управления может подготовить сервис и данные к будущему местоположению узла. Однако недостаток этого алгоритма это высокая чувствительность к так называемым случайным движениям. Случайное движение это такое движение, которое не может быть классифицировано по известным схемам мобильности.
В [93] предложен подход с минимальным объёмом задействованных данных. Вся область движения узлов делится на соты и используется направленных граф для представления сети. Соты в данном графе являются вершинами графа. Затем, используя специальные алгоритмы, для определения моделей мобильности узлов на основе их реальных маршрутов. Данный алгоритм может использоваться для предсказания местоположения в заранее известной области.
Исследования [94] показывают, что при скорости движения мобильных узлов большей 100 км/ч относительный угол смены направления движения не подчиняется равномерному распределению из диапазона (0, 180),. а с вероятностыо 93.08% будет находиться в пределах 0-30 градусов. Более того смена направления происходит плавно.
Реализация предложенных методов маршрутизации
Беспроводные MANET сети не имеют никакой инфраструктуры. Поэтому ключевой проблемой маршрутизации в таких сетях является то, что маршруты по времени будут слишком короткими, особенно если узлы перемещаются со скоростями порядка 300 км/ч (и выше). При использовании всенаправленных антенн время радиовидимости при этом может составлять всего 15-20 секунд.
Существующие механизмы маршрутизации генерируют значительные объёмы служебного трафика. К тому же сходимость сети в таких условиях достаточно медленная. В результате для эффективной работы сети необходимо, чтобы протокол маршрутизации обладал следующими ключевыми характеристиками: непрерывность: непрерывные протоколы маршрутизации поддерживают полную топологию сети и могут максимально быстро предлагать альтернативные маршруты в случае отказа основного; межуровневое взаимодействие: протокол маршрутизации должен использовать информацию, доступную на канальном и даже физическом уровнях для оптимального выбора маршрутов; поддержка местоположения узлов: для того, чтобы сеть была масштабируемой протокол маршрутизации должен использовать информацию о местоположении узлов для построения маршрутов и предсказания положения узлов; служебный трафик: служебная информация представляет собой основу для связности в сети и функционирования сети в целом. Однако правильное управление служебной информацией позволит увеличить пропускную способность. масштабируемость и эффективность сети. Существует несколько подходов использования информации о местоположении узлов для маршрутизации. Первый метод заключается в передаче пакета следующему узлу, который находится ближе к месту назначения. Второй подход заключается в том, что источник передаёт пакеты узлу, который находится как можно ближе к линии, соединяющей источник и назначение. В третьем подходе сеть представляется в виде графа, который разбивает её на несколько частей. Пакеты в такой сети перемещаются по границам этих частей. Перечисленные подходы не исключают петель в сети, а также не всегда возможно проложить маршрут до места назначения.
Проектирование и функционирование каждого уровня в стеке протокола происходит независимо, а взаимодействие между уровнями является статическим и независимым за счет индивидуальных ограничений сети и приложений. Позі ому использование таких протоколов маршрутизации приводит к неэффективной работе сети, в которой такие ресурсы, как энергия, ширина полосы передачи, размер памяти и скорость центрального процессора сильно ограничены. Потребность в оптимизации алгоритмов маршрутизации для мобильных беспроводных сетей прямо следует из ограниченности ресурсов системы. Реализация межуровнсвого взаимодействия делает возможным доступ к специальным свойствам беспроводных сетей, которые не могут быть доступны в сетях со строгой уровневой архитектурой. Такой подход помогает избежать вышеперечисленных проблем [ПО].
При высоких скоростях перемещения объектов топология сети очень быстро меняется. В результате существенно увеличивается количество служебного трафика в сети для поддержки таблицы маршрутизации в актуальном состоянии. Это особенно важно для непрерывных протоколов маршрутизации. Протоколы маршрутизации по требованию генерируют меньше служебного трафика, но при передаче часто возникает задержка из-за поиска нового маршрута.
Используя технику отслеживания узлов, можно существенно сократить служебный трафик. При прямолинейном равномерном движении узла, зная его первоначальные координаты и скорость, можно легко предсказать его дальнейшее местоположение. Поэтому узлу нет необходимости часто обмениваться служебным трафиком с соседями. Однако при изменении курса или скорости узел должен отправить соответствующую информацию. В главе 1 представлены примеры предсказания местоположения узлов и выбора оптимального ретранслятора.
Помимо техники отслеживания узлов для уменьшения служебного трафика маршрутизации каждый узел должен находиться в режиме приёма всех сетевых пакетов {promiscuous mode). Такой подход позволит узлам обрабатывать заголовки всех пакетов независимо от места назначения пакета, тем самым извлекая информацию о местоположении узлов, не отправляя дополнительной служебной информации.
Предлагается модифицировать известный протокол маршрутизации. За основу взят непрерывный протокол маршрутизации OLSR по следующим причинам: не требует централизованного управления; топология сети известна в любой момент времени, что существенно уменьшит задержку при передаче трафика, а также позволит использовать цифровые карты местности для поиска более эффективных маршрутов; использует UDP/IP набор протоколов, поэтому легко реализовать и модифицировать; узел с OLSR может иметь несколько сетевых интерфейсов, соответственно может выступать в качестве шлюза между сетями - воздушными, наземными или внешними, например, интернет.
В первую очередь для выбранного протокола необходимо реализовать поддержку местоположения узлов. Для этого модифицированы служебные пакеты «Hello» и «ГС» (рисунок 3.1). Новые поля - собственные {own) координаты, скорость и курс - занимают по 4 байта каждое, поддерживая тем самым числа с плавающей запятой. Собственное {Own) местоположение передаётся только соседним узлам в «Hello» сообщениях. В «ТС» сообщениях передаётся местоположение только тех соседей {Neighbor), у которых скорость или курс изменились. Размер служебного сообщения в итоге увеличился в 2,5-4 раза, в зависимости or количества соседей узла. Однако за счёт реализации поддержки отслеживания узлов количество служебного трафика сократилось. На рисунке 3.2 приведена зависимость служебного трафика от количества узлов при скорости их перемещения до 100 м/с по сравнению с самыми известными и распространёнными [111] протоколами маршрутизации в эпизодических сетях.
Проверка качества принимаемых голосовых данных в сложной помеховои обстановке
Базовая станция располагалась на высоте 2,5 метров неподвижно, абонентская станция находилась в легковой машине и двигалась со скоростью 60 км/ч от базовой станции и к базовой станции. Максимальное расстояние удаления абонентской станции от базовой - 2,5 км (рисунок 4.4).
В результате проверки параметров WiMAX сети было установлено, что на большой мощности из-за большого количества переотражений качество связи ухудшается вплоть до её полной потери на расстоянии до 1 километра. При минимальной мощности достигалось лучшее качество связи на таком же расстоянии. При этом задержки при передаче данных и голоса были намного меньше, чем при максимальной мощности.
В результате тестирования была применена следующая шкала качества оценки параметров видеопотока: хорошее качество видео - видео с незначительной задержкой и без артефактов. удовлетворительное качество видео - видео с задержками до 1 секунды и с артефактами. неудовлетворительное качество видео - отсутствие видеопотока, либо видеопоток с задержкой более 1 секунды и с большим количеством артефактов. В ходе проведенных испытаний технологии IEEE 802.16 ?-2005 были получены удовлетворительные результаты (таблицы 4.3 и 4.4). Качество передаваемого видео хорошее, артефактов нет. Также по сравнению со случаем неподвижной абонентской станции значительно увеличивается задержка передаваемого сигнала при движении абонентской станции. Таблица 4.3 - Результаты проверок
Целью данного испытания являлась оценка качества, разборчивости и узнаваемости речи при передаче голосовых сообщений в режиме реального времени. Для передачи голосовых данных использовались общественные точки доступа Wi-Fi в г. Москва и точка доступа в г. Зеленоград (рисунок 4.5).
Расположение точек доступа. Для проведения исследований были сформированы две бригады, состоящие из мобильных абонентов с ноутбуками и смартфонами. В состав первой бригады входило 4 абонента (MIETJTCSl, MIETJTCS2, MIETJTCS3, iPhone), в состав второй бригады входило 2 абонента (MIET_TCS4, MIETJTCS5). Первая бригада поочерёдно подключалась к точкам доступа 1-3, вторая бригада находилась в точке
Помимо этого стационарный абонент находился в точке 5. Тестовые звонки проводились между бригадами и между бригадами и стационарным абонентом, в том числе проводилась организация голосовой конференции между всеми участниками.
Тестовый материал для чтения был выбран из ГОСТ Р 50840-95 (фразы из таблиц Д.1 и Д.2) [113] и представлен в приложении В.
Звонки внутри группы между двумя участниками: качество связи на «удовлетворительном» уровне, фразы слышны отчётливо, но наблюдаются частые провалы в соединении, наблюдаются периодические потери окончаний слов, небольшие искажения речи.
Звонки в точку 5: качество связи на «хорошем» уровне, фразы слышны отчётливо, связь не пропадает, потерь окончаний слов почти не наблюдаются.
Конференция с бригадой №2 и точкой 5: качество связи находится на «допустимом-удовлетворительном» уровне, наблюдаются значительные потери при передаче речи от бригады №2, присутствуют потери внутри бригады №1. Результаты задержки при передаче речи представлены в таблице 4.5.
Звонки внутри группы между двумя участниками: качество связи на «хорошем» уровне, фразы слышны отчетливо, окончания почти не теряются, обрывы связи практически отсутствуют. Была протестирована видеосвязь между двумя участниками. Видео почти без задержек, картинка четкая.
Звонки в точку 5: связь на «хорошем» уровне, речь разборчивая, громкая, потерь фраз и обрывов окончаний слов почти не наблюдаются.
Конференция бригада №1 и точка 5: связь на «хорошем» уровне, речь разборчивая, громкая, потерь фраз и обрывов окончаний слов почти не наблюдается. Результаты задержки при передаче речи представлены в таблице 4.6.
При звонках внутри группы между двумя участниками качество связи на «среднем» уровне, фразы слышны, окончания слов периодически теряются, но обрывов связи не наблюдается. Была протестирована видеосвязь между двумя участниками. Видео доходило с некоторой задержкой, картинка нечеткая, зашумленная.
Звонки в точку 5: качество связи находится на удовлетворительном уровне, речь местами неразборчива, наблюдаются потери окончаний слов. Была протестирована видеосвязь. Видео доходило с задержкой, картинка немного нечеткая, зашумленная.
Конференция между бригадой №1 и точкой 5: качество связи находится на удовлетворительном уровне, речь нечеткая, наблюдаются потери окончаний слов. Результаты задержки при передаче речи представлены в таблице 4.7.
На рисунке 4.7 представлена схема работы РМО. Взаимодействие с блоком ЦПП происходит по протоколам TCP и UDP. Протокол TCP используется для приема видеоинформации, поступающей с мобильных абонентов через блок ЦПП. Протокол UDP используется для взаимодействия с цифровым радиомодемом, конфигурации модема и отправки управляющих воздействий для взаимодействия с абонентами (например, для отправки команды на передачу видеоинформации на наземную станцию).
Данные, поступающие по протоколу TCP, проходят обработку, и если принятые данные являются видеоинформацией, то происходит ее декодирование (получение последовательности кадров), и эта информация через блок отображения видео отправляется па экран (блок взаимодействия с пользователем).
Оператор может вводить команды для абонентов, которые поступают на обработку в блок управления абонентом. Далее в зависимости от управляющего воздействия блок взаимодействия с ЦПП, используя получаемые с GPS или Глонасс собственные координаты, формирует управляющую команду для блока ЦПП. Также оператор может производить конфигурацию оборудования (цифрового радиомодема), например, устанавливать частоты приема и передачи, указывать собственный адрес (необходим для того, чтобы абоненты по адресу определяли, куда необходимо передавать видеоинформацию, поскольку наземных комплексов в составе сети может быть несколько).
