Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы беспроводные компьютерные сети передачи данных заняли прочные позиции в повседневной жизни. Сфера их применения простирается от обеспечения взаимодействия между компьютерами и IP-телефонами предприятий до построения сетей передачи мультимедийной информации городского и регионального масштаба. Построение беспроводных сетей передачи данных регионального масштаба на обширных территориях (например, в удаленных регионах Российской Федерации) является единственным экономически оправданным и наиболее перспективным решением проблемы так называемого «информационного неравенства». При этом в будущем ожидается конвергенция услуг сотовой и IP-телефонии. Таким образом, беспроводные компьютерные сети являются перспективной инфраструктурой обеспечения также и телефонной и видеотелефонной связи. Преимущества мобильности являются следствием беспроводной передачи, пользователи могут продолжать оставаться в сети, перемещаясь повсюду в зоне покрытия, переходя от одной точки доступа (беспроводного маршрутизатора) к другой. Так, например, можно вести разговор с помощью технологии ІР-телефонии или участвовать в видеоконференции, перемещаясь по улицам пешком, либо в транспорте повсюду в зоне компьютерной беспроводной сети города (на сегодня это, в основном, стандарты IEEE 802.11 и 802.16, соответственно Wi-Fi и WiMAX) или перемещаясь внутри здания между кабинетами предприятия или учреждения. При этом серьезная временная задержка при переходах (переключениях) беспроводного клиента (мобильное вычислительное устройство - ноутбук, карманный компьютер, смартфон и т. д.) от одной точки доступа к другой представляет собой нерешенную проблему для мультимедиа приложений, таких как VoIP, где задержка в сумме не должна быть больше, чем 50 мс. Типичными же являются задержки порядка 0,3 - 1 с, приводящие, в лучшем случае, к провалам голоса на это время или к эху, осложняющему разговор.
К настоящему времени вопросам, связанным с уменьшением задержек переходов в беспроводных сетях уже посвящено большое количество работ, преимущественно зарубежных авторов. Среди наиболее известных работ,
посвященных этой проблеме, следует отметить работы российских и зарубежных ученых: Д.В. Лаконцева, А.А. Сафонова, V. Brik, A. Mshra, S. Banerjee, S. Waharte, К. Ritzenthaler, R. Boutaba, S. Shin, A. G. Forte, A. S. Rawat, H. Schulzrinne. Среди аналитических работ, посвященных исследованию протоколов IEEE 802.11 и IEEE 802.16 и оценке характеристик построенных на их базе беспроводных компьютерных сетей, наиболее значимыми являются работы В.М. Вишневского, А.И. Ляхова, G. Bianchi, F. Cali, М. Conti, Е. Gregory, J. Weinmiller. Разработка методов сокращения временных задержек в беспроводных сетях с централизованным управлением (БС с ЦУ) при переходах клиентов (мобильных вычислительных устройств) между точками доступа (ТД) для получения удовлетворительных характеристик качества работы сетевых приложений, критичных к временным задержкам, является актуальной задачей, имеющей важное хозяйственное значение. В настоящее время существует множество научно-технических методов, улучшающих эти характеристики в разы, однако экономически эффективные методы решения проблемы без использования дополнительных компьютерных радиоустройств или радиоинтерфейсов еще не найдены, что затрудняет качественную работу некоторых сетевых приложений, таких как VoIP (ІР-телефония) и видеоконференцсвязь.
В связи с этим, целью диссертационной работы является сокращение временных задержек при переходах клиентов (мобильных вычислительных устройств) между точками доступа в беспроводных компьютерных сетях для получения приемлемых характеристик качества работы сетевых приложений, критичных к временным задержкам. Сокращение задержек до приемлего уровня осуществляется путем исключения процесса сканирования, занимающего более 90% времени задержек, на основе накапливающейся статистики переходов с применением моделей прогнозирования переходов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
анализ существующих методов сокращения задержек переходов;
анализ особенностей переходов и применимости методов прогнозирования для достижения цели;
разработка подхода к решению научной задачи и на его основе алгоритма базового метода прогнозирования;
разработка и вывод аналитической модели прогнозирования;
модернизация метода прогнозирования, при котором бы учитывалось поведение пользователей во время переходов для получения более точного прогноза;
исследование предложенных в подходе методов в среде имитационного моделирования.
Областью исследования диссертационной работы является разработка научных методов и алгоритмов служб передачи данных в беспроводных компьютерных сетях, улучшающих качество их работы.
Объектами теоретического исследования являются подходы и методы сокращения задержек переходов (переключений между беспроводными маршрутизаторами), а также методы прогнозирования на базе анализа временных рядов.
Объектами экспериментального исследования являются модели и алгоритмы методов прогнозирования.
Методы исследования. В качестве методов исследования в работе используются методы анализа временных рядов из теории вероятностей и математической статистики, теории цепей Маркова (ЦМ), а также методы имитационного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методы сокращения задержек доступа в беспроводных сетях с централизованным управлением при переходах клиентов (мобильных вычислительных устройств) между точками доступа для получения удовлетворительных характеристик качества работы сетевых приложений, критичных к временным задержкам.
Аналитическая модель прогнозирования для методов сокращения задержек доступа, полученная в процессе вывода из общей модели Бокса-Дженкинса, которая может быть использована для адекватного описания
прогноза последующей точки доступа в сетях беспроводного доступа различных стандартов, в том числе будущих. Формализованное описание прогнозирования последовательности переходов, основанное на марковском процессе, применяемое для выборки математических моделей из массива моделей Бокса-Дженкинса.
Результаты имитационного моделирования временных рядов последовательностей переходов для сетей разных масштабов, в частности, результаты применимости класса моделей Бокса-Дженкинса АРПСС из теории анализа временных рядов. Полученные результаты доказывают впервые возможность применения прогнозирования переходов с использованием моделей Бокса-Дженкинса, как наиболее эффективного метода решения данной научной задачи из известных.
В результате имитационного моделирования получено необходимое и достаточное значение размера последовательности переходов для прогнозирования (размера истории к) для сетей любых масштабов. На основе результатов моделирования сделан вывод, что для получения корректного прогноза последующей точки доступа достаточно иметь данные о текущей и предшествующей точке доступа.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны методы сокращения задержек доступа, основанные на прогнозировании последующих точек доступа при переходах. В отличие от других предложенный подход предполагает, что прогнозирование основывается не на уровне сигнала, а на частоте прохождения каждой отдельной последовательности точек доступа каждой группой клиентов. В результате впервые задержка переходов стала ниже требуемого порога задержки ІР-телефонии и видеоконференцсвязи (<50 мс) без использования дополнительных устройств, в том числе дополнительного радиоинтерфейса.
Разработана аналитическая модель прогнозирования для методов сокращения задержек доступа, полученная в процессе вывода из общей модели Бокса-Дженкинса, которая может быть использована для адекватного
описания прогноза последующей точки доступа в сетях беспроводного доступа различных стандартов, в том числе будущих. Формализованное описание прогнозирования последовательности переходов, основанное на марковском процессе, применяемое для выборки математических моделей из массива моделей Бокса-Дженкинса.
Полученные результаты имитационного моделирования доказывают впервые возможность применения прогнозирования переходов с использованием моделей Бокса-Дженкинса, как наиболее эффективного метода решения данной научной задачи из известных.
В результате имитационного моделирования получено необходимое и достаточное значение размера последовательности переходов для прогнозирования (размера истории к) для сетей любых масштабов. На основе результатов моделирования сделан вывод, что для получения корректного прогноза последующей точки доступа достаточно иметь данные о текущей и предшествующей точке доступа.
Теоретическая ценность. Теоретическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработан подход к организации выбора беспроводным устройством
следующей точки на основании прогнозных оценок.
Практическая значимость. Создан и апробирован в среде имитационного моделирования метод, сокращающий до приемлемого уровня временные задержки переходов без применения дополнительных беспроводных устройств, позволяющий практически исключить сканирование каналов, снизить паразитный трафик и занятость каналов в беспроводных компьютерных сетях разных стандартов, в том числе будущих. Для работы метода требуется время для сбора статистики. При этом метод работает независимо от других известных методов снижения времени задержек и, следовательно, может применяться совместно.
Обоснованность и достоверность теоретических выводов и практических рекомендаций определяется корректностью математических выкладок и
использованием апробированных методов математического и компьютерного моделирования.
Внедрение. Результаты диссертационного исследования были внедрены в учебный процесс кафедры при разработке курсов лекций для студентов, учащихся по направлению «Информатика и вычислительная техника» в дисциплинах «Теория информации и кодирования», «Информационные системы».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МГИЭМ в 2009 и 2010 г.
Публикации: По теме диссертации опубликованы 3 работы в рецензируемых научных журналах, утвержденных в перечне ВАК [1-3].
Структура работы. Диссертационная работа изложена на ПО страницах машинописного текста, иллюстрируется 33 рисунками, 4 таблицами и состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 45 наименований.
