Введение к работе
Актуальность темы
Разработка методов совмещения беспроводных телекоммуникационных, измерительных и управляющих систем является перспективным направлением в системах телекоммуникации. Вопросами организации сетей, в том числе беспроводных, занимаются ведущие специалисты, работающие в данной области, среди которых профессоры Института проблем передачи информации РАН, команда Лаборатории беспроводных систем мониторинга ИТМиВТ РАН, а так же Калифорнийский Университет Berkeley (США). Каждый из современных беспроводных сетевых стандартов разработан под конкретные устройства связи и обладает своими особенностями. Для организации высокоэффективного беспроводного сетевого взаимодействия необходимо использовать несколько стандартов беспроводной связи одновременно, чтобы учитывать специфику каждого сетевого узла: необходимый уровень энергосбережения, достаточная пропускная способность и надёжность доставки сообщений. Естественным является «прозрачный» обмен данными между устройствами в гетерогенной сети - когда узлы сети обмениваются данными с другими узлами сети, как будто они подключены напрямую друг к другу.
К настоящему времени можно выделить группу стандартов, распространённых среди современных устройств беспроводной передачи информации - ШЕЕ 802.11, 802.15. Публичная гетерогенная беспроводная сеть - это сеть, состоящая из сегментов, функционирующих в едином безлицензионном диапазоне ISM 2.4 ГГц (Industrial, Scientific and Medical -промышленный, научный и медицинский радиочастотный диапазон) согласно стандартов данной группы. Для обеспечения передачи данных из одного сегмента публичной гетерогенной беспроводной сети в другой её сегмент необходимо организовать один или несколько беспроводных сетевых шлюзов доступа. Беспроводный сетевой шлюз, как узел стыковки сегментов сети, функционирующих в общем случае по разным сетевым стандартам связи, является «узким местом» сети. В этой связи необходимо создать, проанализировать и исследовать модель сетевого шлюза на удовлетворение требований, предъявляемых к используемым беспроводным сетевым стандартам.
Каждый беспроводный стандарт связи имеет свой собственный протокол организации сети, который, как правило, включает протокол автоматической настройки сетевого узла и протокол предотвращения коллизий. Стандарты
групп беспроводных сетевых стандартов IEEE 802.11, 802.15 подразумевают функционирование беспроводной сети в едином безлицензионном диапазоне частот ISM 2.4 ГГц. Каждый беспроводный сетевой стандарт определяет для передачи данных определённые методы кодирования информации, модуляции сигнала и доступа к среде, которые в общем случае для разных беспроводных сетевых стандартов являются различными. Существует проблема организации автоматической настройки узлов в рамках сетей. Задача автоматической настройки сетевых узлов и уменьшения их взаимного влияния решена для каждого из беспроводных стандартов, то есть сегментов гетерогенной беспроводной сети, в отдельности.
Решение задачи автоматической настройки сетевых узлов в рамках единой беспроводной гетерогенной сети требует создания алгоритма перенаправления пакетов, который реализуется внутри универсального шлюза. Данная модель должна учитывать различные факторы, обусловленные особенностями стандартов беспроводной связи, а также предоставлять возможность автоматического расширения сети за счёт подсоединения новых узлов без нарушения работы сети в целом.
Известно, что имеет место взаимное влияние устройств, функционирующих по различным сетевым стандартам групп IEEE 802.11, 802.15 в диапазоне частот ISM 2.4 ГГц. Для организации эффективного обмена данными в гетерогенной беспроводной сети необходимо минимизировать взаимное влияние, однако в настоящее время данная задача решена лишь в рамках отдельных беспроводных стандартов связи. В этой связи задача минимизации взаимного влияния устройств в рамках единой сети требует создания алгоритма автоматической оценки текущего состояния физической среды передачи, а также при необходимости автоматической настройки радиочастотных трактов приёмо-передающих устройств шлюза всех используемых стандартов связи.
В связи с вышеизложенным, тематика диссертационной работы является актуальной, а полученные теоретические результаты и практические решения имеют важное прикладное значение.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование алгоритмов функционирования универсального шлюза и математических моделей для организации «прозрачного» обмена данными в гетерогенной сети с учетом взаимного влияния узлов.
Задачи исследований
В соответствии с целью работы поставлены и решены следующие задачи:
анализ беспроводных стандартов связи группы IEEE 802.11, 802.15;
разработка алгоритма автоматической настройки сетевых узлов в рамках интеллектуальной беспроводной гетерогенной сети;
разработка универсального алгоритма выбора частотного канала;
разработка математической модели оценки состояния радиочастотного эфира диапазона ISM 2.4 ГГц;
реализация и экспериментальное исследование универсального шлюза и реализуемых ним моделей и алгоритмов.
Объектом исследования является универсальный беспроводный сетевой шлюз, организующий «прозрачный» обмен данными в гетерогенной беспроводной сети, а предметом исследования — модели и алгоритмы интеллектуального объединения беспроводных устройств различных стандартов в единую гетерогенную сеть.
Методы исследований
Для реализации намеченной цели исследования и решения поставленных задач были использованы следующие научные методы и подходы: методы системного анализа, математического анализа, теории вероятности, объектно-ориентированное программирование, моделирование и расчёты на ПЭВМ.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
разработан и исследован новый алгоритм автоматической настройки сетевых узлов в рамках единой беспроводной гетерогенной сети;
разработан и исследован универсальный алгоритм выбора частотных каналов;
разработана и исследована математическая модель анализа радиочастотного эфира;
выполнено математическое моделирование и экспериментальная верификация разработанных моделей и алгоритмов.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
разработан и исследован экспериментальный образец универсального шлюза;
разработанные модели и алгоритмы позволяют обеспечить объединение беспроводных устройств в гетерогенную сеть;
разработанные алгоритмы, модели и программы внедрены в существующие аппаратные платформы для организации прозрачного обмена данными с учётом взаимного влияния сетевых устройств.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в ходе диссертационного исследования, обеспечиваются соответствием разработанных моделей и алгоритмов известным теоретическим и практическим результатам и реальным процессам объединения устройств в беспроводную гетерогенную сеть, и подтверждаются положительными результатами их практической реализации в процессе верификации при оценке передачи данных в рамках гетерогенной сети.
Основные положения, выносимые на защиту:
алгоритм автоматической настройки сетевых узлов;
универсальный алгоритм выбора номера частотного канала;
математическая модель оценки состояния радиочастотного эфира диапазона ISM 2.4 ГГц.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (2008, 2009, 2010 гг.), XV, XVI, XVII, XVIII Международных студенческих конференциях-школах-семинарах «Новые информационные технологии» (2007, 2008, 2009, 2010 гг.). Результаты работы вошли в научно-технические отчёты по НИОКР «Разработка аппаратных и программных средств в целях внедрения информационных технологий в производственный процесс» (номера государственной регистрации НИОКР 01200802405 и 01200952487). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612832 от 24.04.2010 г.
Публикации
Результаты диссертационной работы отражены в 13 опубликованных печатных работах, из них 2 в издании, рекомендованном ВАК, 2 отчёта по НИОКР, а также 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав с 16 таблицами и 34 иллюстрациями (рисунки, графики, схемы, экранные формы и т.д.), заключения, приложений и библиографического списка, состоящего из 72 названий. Общий объём работы составляет 137 страниц.
