Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ АРХИТЕКТУРЫ СЕТЕЙ WIMAX И МЕХАНИЗМОВ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖИВАНИЯ 14
1.1. Технологии и архитектура беспроводных сетей 14
Персональные беспроводные сети 14
Беспроводные локальные сети 17
Беспроводные сети регионального масштаба 20
1.2. Технология и архитектура сетей WiMAX 20
Общая модель стандарта широкополосного доступа IEEE 802.16.20
Структура фрейма стандарта IEEE 802.16 22
МАС-уровень стандарта IEEE 802.16 23
Физический уровень стандарта IEEE 802.16 27
1.3. Качество обслуживания в сетях WiMAX 31
Качество обслуживания и метрики качества обслуживания в беспроводных сетях 32
Механизмы обеспечения качества обслуживания в беспроводных сетях 34
Механизмы обеспечения качества обслуживания в сетях WiMAX для различных видов трафика 36
ВЫВОДЫ 42
2. ПЛАНИРОВАНИЕ КАДРА И УПРАВЛЕНИЕ ПОТОКАМИ
ОБСЛУЖИВАНИЯ В СЕТЯХ WIMAX 44
2.1. Механизмы планирования передачи пакетов 44
Планирование исходящих потоков 44
Планирование обратного канала 44
2.2. Механизмы распределения полосы 48
Распределение полосы при помощи запросов 49
Распределение полосы при помощи предоставлений 50
Распределение полосы при помощи опросов 50
2.3. Механизмы управления потоками обслуживания 51
Сообщение DSA 57
Сообщение DSC 61
Сообщение DSD 63
ВЫВОДЫ 64
3. ПОДСИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ КАДРА В СЕТЯХ WIMAX 65
Общая структура подсистемы планирования кадра 65
Состав и структура очередей 66
Алгоритм планирования кадра M-DFPQ 68
Формальное описание алгоритма M-DFPQ 68
Сценарии работы алгоритмов DFPQ и M-DFPQ 70
3.4. Исследование функционирования планировщика кадра на
имитационной модели 75
Модель пульсирующего трафика 75
Имитационная модель планировщика кадра 82
Результаты сравнения алгоритмов M-DFPQ и DFPQ 83
ВЫВОДЫ 86
4. АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ РЕСУРСОВ И
ДОСТУПОМ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ 87
4.1. Алгоритмы управления распределением ресурсов и доступом
соединений 87
Принципы предоставления канальных ресурсов 88
Алгоритмы, основанные на пороговом значении и на анализе очередей 92
4.2. Нечеткая логика 93
Нечеткие множества 94
Построение функций принадлежности 94
Нечеткие и лингвистические переменные 95
Нечеткие алгоритмы и выводы 96
Новый алгоритм управления распределением ресурсов и допуска соединений 99
Исследование алгоритмов управления доступом соединений и
распределением ресурсов на имитационной модели 101
ВЫВОДЫ ПО
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 111
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИСХОДНЫЙ ТЕКСТ МОДЕЛЕЙ ГЕНЕРАТОРОВ
ПАКЕТОВ 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ИСХОДНЫЙ ТЕКСТ МОДЕЛЕЙ ПЛАНИРОВЩИКА
КАДРОВ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ИСХОДНЫЙ ТЕКСТ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ
ДОСТУПОМ 148
\
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время беспроводные сети передачи информации являются одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии. WiMAX - эта технология широкополосной беспроводной связи, дополняющая линии DSL (Digital Subscriber Line) и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях. Интенсивное развитие беспроводных сетей ставит проблемы увеличения их производительности, необходимость разработки алгоритмов, обеспечивающих своевременную и надежную передачу информации, которые повысят коэффициент использования полосы пропускания, сократят время реагирования базовой станции на запросы абонентских станций, обеспечат качество обслуживания (QoS) для различных видов трафика.
Теоретическим исследованиям и разработке фундаментальных основ передачи, информации^ в сетях WiMAX, созданию моделей и методов управления качеством обслуживания, посвящены труды видных ученых J. Chen, W. Лао, Н. Wang, Dusit Niyato, Ekram Hossain и многих других.
Важными проблемами в области обеспечения качества обслуживания
являются проблемы планирования- и управления доступом. В процессе
обеспечения QoS необходимо планирование кадра для того, чтобы
определить какой пакет будет обслуживаться первым в конкретной очереди.
Для- дальнейшего улучшения качества, и эффективности передачи данных в
сетях WiMAX требуется разработка нового алгоритма планирования,
который позволит использовать полосу пропускания более эффективно для
разных типов трафика. Также требуется разработка нового алгоритма
управления доступом для ограничения числа соединений с целью
предотвращения возможности переполнения и блокировки
низкоприоритетных потоков.
Таким образом, актуальной является задача разработки более эффективных алгоритмов планирования и управления доступом, для того чтобы получить более высокую пропускную способность при несбалансированном трафике и снизить задержку пакетов.
Цель и задачи диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка новых алгоритмов планирования и управления доступом, обеспечивающих качество обслуживания в сетях WiMAX.
Поставленная цель определяет следующие основные задачи:
Исследование проблемы обеспечения QoS в сетях WiMAX.
Анализ показателей QoS для разных видов трафика.
Разработка алгоритма для планирования кадра в сетях WiMAX.
Разработка алгоритма для управления доступом в сетях WiMAX.
Исследование показателей функционирования новых алгоритмов на основе имитационного моделирования.
Программная реализация разработанных алгоритмов планирования кадра и управления доступом в сетях WiMAX.
Методы исследования
Для решения сформулированных задач использовались методы теории графов, систем массового обслуживания, сетей Петри, линейного программирования и нечеткой логики, теория передачи информации.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в разработке нового алгоритма планирования на основе сочетания метода алгоритма приоритетной очереди с дефицитом ресурса (Deficit Fair Priority Queue - DFPQ) с линейным программированием и алгоритма управления доступом на основе нечёткой логики в сетях-WiMAX. В ходе выполнения диссертационных исследований получены следующие новые научные результаты:
1. Предложен новый алгоритм планирования по методу M-DFPQ в сетях WiMAX на основе сочетания метода DFPQ с линейным
программированием, который для низкоприоритетных классов обслуживания обеспечивает снижение задержки пакетов в 3 раза и повышение пропускной способности в 2 раза, чем при использовании существующего метода DFP). Кроме того, обеспечивается справедливость при распределении полосы пропускания между различными потоками.
Разработана имитационная модель подсистемы планирования на основе сочетания метода DFPQ с линейным программированием в терминах расширенных сетей Петри.
Предложен новый алгоритм управления доступом на основе нечёткой логики в сетях WiMAX, обеспечивающий высокое качество обслуживания после принятия соединения.
Разработано формализованное представление и аналитическая модель подсистемы управления доступом на основе нечёткой логики и проведен анализ сценариев работы алгоритма.
Разработана имитационная модель подсистемы управления доступом в сетях WiMAX.
Достоверность научных результатов
Достоверность полученных в ходе работы над диссертацией научных результатов подтверждается соответствием результатов теоретического анализа результатам имитационного моделирования, доказавшим преимущества предложенных в работе моделей и алгоритмов обработки, выразившиеся в повышении пропускной способности и в снижении задержки.
Практическая значимость
Применение нового алгоритма планирования на основе сочетания метода DFPQ с линейным программированием в сетях WiMAX позволяет снизить задержку пакетов низкоприоритетных классов обслуживания, в то же время алгоритм гарантирует выделение полосы пропускания для потоков высокоприоритетных классов обслуживания, повышает коэффициент использования полосы пропускания для разных типов обслуживания,
улучшает использование имеющихся подканалов и уменьшает задержки планирования кадра, обеспечивает справедливость при распределении полосы пропускания между различными потоками.
Результаты работы имитационной модели подтверждают, что разработанный алгоритм обеспечивает уменьшение задержки пакетов примерно в три раза для низкоприоритетных классов обслуживания и повышение пропускной способности в два раза при несбалансированном восходящем и нисходящем трафике.
Применение нового алгоритма управления доступом на основе нечёткой логики позволяет упростить элементы структуры системы, сохраняя общие принципы метода управления доступом, наделяет дискретный метод управления доступом непрерывными свойствами, что повышает качество управления доступом. Предоставление QoS для системы нечёткой логики становится нечувствительным к величине трафика в сети. Гарантируется обеспечение QoS после того, как соединение принято.5
Личный вклад автора
Все основные результаты диссертационной работы получены лично автором, в частности:
Выполнен аналитический обзор архитектуры сетей WiMAX и алгоритмы обеспечения показателей QoS для разных видов трафика.
Проведено исследование разных дисциплин очередей для передачи пакетов МАС-уровня в сетях WiMAX.
Разработана система планирования кадра в сетях WiMAX.
Разработана система управления доступом, удовлетворяющая требованиям качества обслуживания в сетях WiMAX.
Создана программная реализация подсистемы планирования кадра и управления доступом на основе нечеткой логики в сетях WiMAX.
Разработана имитационная модель планировщика кадра на основе математического аппарата расширенных сетей Петри при помощи программного средства моделирования Winsim.
7. Разработана имитационная модель управления доступом на основе нечеткой логики с использованием Matlab.
Внедрение результатов работы
Все работы по реализации и внедрению проводились при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Московского государственного института электронной техники, что подтверждено актами внедрения.
В ходе проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:
Алгоритм планирования кадра для режима TDD в сетях WiMAX.
Алгоритм управления доступом на основе нечеткой логики в сетях WiMAX.
Имитационная модель планировщика кадра в сетях WiMAX.
Имитационная модель подсистемы управления доступом МАС-уровня в сетях WiMAX.
Программная реализация алгоритма для планирования кадра в сетях WiMAX.
Программная реализация алгоритма управления доступом в сетях WiMAX.
Апробация работы и публикации
Положения данной диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007" -Москва, МИЭТ, 2007.
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем" - Москва, МИЭТ, 2007.
15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006" -Москва, МИЭТ, 2008.
Вторая всероссийская межвузовская научно-практическая конференция "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем" - Москва, МИЭТ, 2008.
Информационно-телекоммуникационные системы. Проблемы информационной безопасности в системе высшей школы. Экономика, инновации и управление. "НАУЧНАЯ СЕССИЯ" - Москва, МИФИ, 2009.
По результатам проведенных научных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 8 печатных работ без соавторов и 3 статьи (из них 1 - в журнале "Естественные и технические науки", входящем в перечень ВАК).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа изложена на 126 страницах, содержит 24 таблицы и 38 рисунков.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель работы, проблемы и задачи исследования, перечислены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость результатов, рассмотрена структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.
В первой главе проведен анализ современных проблем беспроводных сетей передачи данных, представлены технологии беспроводных сетей и архитектура сетей WiMAX. Выполнен обзор сетей WiMAX и стандарта широкополосного доступа ШЕЕ 802.16, который представляет собой рассчитанную на внедрение в городских распределенных (региональных) беспроводных сетях технологии беспроводного широкополосного доступа. Результатом проведенных в первой главе исследований стали постановка
задачи диссертации — разработка алгоритмов обеспечения QoS в сетях WiMAX, способных обеспечить сокращенное время реагирования базовой станции на запросы абонентской станции, повышенную пропускную способность по сравнению с существующими алгоритмами.
Во второй главе проведен анализ проблем планирования кадра и управления потоками обслуживания в сетях WiMAX. Проанализированы общие механизмы планирования передачи пакетов и механизмы управления потоками обслуживания.
Третья глава посвящена проблемам планирования кадра в сетях WiMAX. Планирование кадра необходимо для того, чтобы определить, какой пакет будет обслуживаться первым в конкретной очереди. Дано описание предложенного автором нового алгоритма планирования кадра, проведено его сравнение с существующими алгоритмами.
В четвертой главе описан разработанный в диссертации алгоритм управления распределением ресурсов и допуска соединений, основанный на аппарате нечеткой логики. Система нечёткой логики гарантирует качество обслуживания после того, как соединение принято. Построение системы управления доступом на основе аппарата нечеткой логики позволяет упростить элементы структуры системы, сохраняя общие принципы метода управления доступом, а также наделяет дискретный по своей сути метод управления доступом некоторыми непрерывными свойствами, что должно повысить качество управления доступом.
В заключении диссертации изложены полученные результаты и сформулированы основные выводы.
В приложениях приведены акты внедрения результатов диссертационной работы, фрагменты листинга программной реализации разработанного алгоритма, исходный текст модели генератора пакетов для поступающих потоков, исходный текст модели подсистемы планирования кадра на основе алгоритма M-DFPQ, исходный текст модели подсистемы управления доступом на основе нечёткой логики.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Гагариной Л.Г. и научному консультанту доценту Илюшечкиной Л.В. за помощь при работе над диссертацией.
Похожие диссертации на Исследование и разработка алгоритмов планирования и приоритетного управления доступом в сетях WiMAX
