Автореферат кандидатской диссертации. Тема "Управление ресурсами в в беспроводной сети с переменной топологией"

1. на правах рукописи
Гайнулин Андрей Габдулхакович
УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСАМИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С
ПЕРЕМЕННОЙ ТОПОЛОГИЕЙ
Специальность 05.13.01. – "Системный анализ, управление и обработка
информации (в науке и промышленности) по техническим наукам"
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород,
2009 г.

2. Работа выполнена на кафедре «Теория Цепей и Телекоммуникации»
Нижегородского государственного технического университета
им. Р.Е. Алексеева
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
Крылов Владимир Владимирович
Официальные оппоненты:
доктор
технических
наук,
доцент,
Хранилов Валерий Павлович
кандидат технических наук,
Егоров Евгений Евгеньевич
Ведущая организация:
ФГУП ФНПЦ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород
Защита диссертации состоится « 21 »
ауд.
1258
мая
2009 года в 15 часов в
на заседании диссертационного совета Д212.165.05 при Нижего-
родском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева
Автореферат разослан «____» _________ 2009 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
2
А.С. Суркова

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертационная работа посвящена исследованию алгоритмов и протоколов управления выделением и занятием ресурсов высокоскоростных беспроводных сетей с переменной топологией, поддерживающих смешанный тип
коммутации передаваемых данных. Разработана модель беспроводной сети, инвариантная к используемым протоколам управления. Разработаны критерии
оценки эффективности работы протоколов управления ресурсами. Показано,
что применение существующих подходов к управлению ресурсами подобных
сетей приводит к неэффективному использованию доступной пропускной способности. Разработаны новые протоколы управления выделением ресурсов и
передачей данных в беспроводных сетях с переменной топологией. Изучен эффект от их применения с точки зрения улучшения характеристик работы сети.
Методы и алгоритмы, предложенные в данной работе, были использованы при
проектировании системы беспроводной связи “Falcon 3”.
Целью настоящей работы является разработка принципов и алгоритмов управления ресурсами беспроводной высокоскоростной сети с переменной
топологией, а также протоколов управления доступом к ресурсам разделяемых
каналов передачи данных и занятием доступных выделенных каналов для передачи информации, способных адаптироваться к текущим параметрам сети (топологии, основным направлениям передачи информации, степени загрузки сети) и находить оптимальные решения для обеспечения наилучших показателей
суммарной пропускной способности сети при условии удовлетворения требований по обеспечению запрошенного качества обслуживания для передаваемых
потоков данных.
1.
2.
3.
4.
В задачи работы входило
Построение математической модели высокоскоростной беспроводной сети.
Разработка эффективного протокола для управления доступом к ресурсам
беспроводного канала передачи данных.
Разработка эффективного алгоритм маршрутизации и управления ресурсами
разделяемых и выделенных каналов при передаче потокового трафика в высокоскоростной беспроводной сети.
Разработка системы тестирования протоколов.
Актуальность работы состоит в том, что задача создания эффективных
алгоритмов и протоколов управления занятием ресурсов беспроводной сети передачи данных с использованием анализа информации о текущей нагрузке в сети стоит в ряду основных проблем теории систем массового обслуживания, ко3

4. торые ждут своего решения. Существующие алгоритмы управления и протоколы передачи данных для беспроводных ad hoc сетей оказались неподходящими
или малоэффективными при их применении для высокоскоростной многоканальной передачи данных. Все они были ориентированы на обмен данными в
сетях, где доступен лишь один разделяемый канал передачи данных, и обмен
данными производится в режиме коммутации пакетов. Потребовалось не просто модифицировать существующие подходы, но разработать качественно новые алгоритмы управления выделением ресурсов и протоколы передачи данных, способные адаптироваться к характеристикам обслуживаемой нагрузки и
оптимизировать использование доступного ресурса пропускной способности
сети. На сегодняшний день существование протоколов управления передачей
данных для сетей подобного класса из открытых источников не известно. Разработка протоколов управления ресурсами такого рода сетей и анализ их применения в персональных сверхскоростных беспроводных сетях имеют научный
и практический интерес.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что:
Разработаны методы и алгоритмы решения задач управления передачей
данных в беспроводных сетях с переменной топологией, использующие результаты анализа текущей загрузки сети и предсказания изменения характеристик
предоставляемого качества обслуживания в сети в зависимости от параметров
поступившего запроса на передачу данных.
Разработаны методы и алгоритмы решения задач управления выделением ресурсов беспроводной сети с переменной топологией, максимизирующие
пропускную способность сети. Разработаны критерии оценки эффективности
решения задач управления выделением ресурсов беспроводной сети с переменной топологией. Полученные критерии представлены в виде соотношений между практически и теоретически достижимыми значениями пропускной способности сети
Разработаны критерии оценки эффективности решения задач оптимизации распределения передаваемой нагрузки в беспроводных сетях с переменной
топологией. Полученные критерии представлены в виде соотношений, позволяющих найти набор различных характеристик таких, как оптимальный и максимально допустимый уровни нагрузки в кластере сети, задержка при передаче
пакетов данных через сеть.
В работе разработаны протоколы управления выделением ресурсов беспроводной ad hoc сети с адаптацией к параметрам сети, протокол маршрутизации передаваемых данных беспроводной ad hoc с поддержкой смешанных ти4

5. пов коммутации. Предложено применение разработанного протокола в беспроводных системах передачи данных.
Полученные результаты могут найти применение при проектировании
высокоскоростных беспроводных сетей со смешанными видами передаваемого
трафика (как пакетного, так и потокового) и случайным доступом к разделяемым ресурсам сетей. Результаты исследований, полученные автором в работе,
использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО «Теком» при
проектировании и разработке системы беспроводной связи «Falcon 3», что подтверждается актом о внедрении от 10 ноября 2008 года. Разработанная система
моделирования беспроводных сетей WNS внедрена в компании «НКТ» для
оценки параметров качества обслуживания проектируемых сетей беспроводной
связи, что подтверждается актом о внедрении от 26 июня 2008 года.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
 всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2007» (г. Нижний Новгород, 2007 г.)
 конференции ICTTA’06 - 2nd IEEE international conference on information &
communication technologies: from theory to applications (г. Дамаск, Сирия,
2006)
 всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2006» (г. Нижний Новгород, 2006 г.)
 IV молодежной международной научно технической конференции «Будущее
технической науки» (г. Нижний Новгород, 2005 г.);
 всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2005» (г. Нижний Новгород, 2005);
 конференции PIMRC 2004 - 15 IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (г. Барселона, 2004);
 2-ой Международной конференция IEEE "Цепи и системы в телекоммуникациях" (г. Москва, 2004)
 научно-технической конференции «Технические, программные и математические аспекты управления сложными распределѐнными системами» (г.
Нижний Новгород, 2004).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 19 печатных работах.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель разделяемого канала беспроводной сети и построенная на ее основе модель беспроводной сети с переменной топологией.
5

6. 2. Алгоритм маршрутизации и динамического занятия и освобождения выделенных каналов для беспроводной сети.
3. Протокол управления передачей пакетов с данными в беспроводных сетях с
поддержкой приоритетов передачи и гарантированных параметров качества
обслуживания.
4. Результаты анализа эффекта от применения протоколов в беспроводной сети
передачи данных.
Структура и объем диссертации. Текст диссертационной работы состоит
из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (51 наименование) и
приложения. Общий объема диссертации 168 страниц, в том числе 159 страниц
основного текста, 7 страниц списка литературы, 2 страницы приложений, 6
таблиц, 60 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность исследований, формулируется цель работы, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Дается краткий обзор содержания по главам.
В первой главе рассматриваются существующие подходы к организации
беспроводных сетей передачи данных. Вводится деление беспроводных сетей
на 2 класса по способу организации – иерархические сети и одноранговые сети.
В иерархических сетях узлы подразделяются на 2 типа – оконечные терминалы (подвижные) и базовые станции (имеющие фиксированное расположение). Примером являются сотовые сети, транкинговые и пейджинговые сети
связи.
Другая технология, интенсивно развивающаяся в настоящее время, предполагает построения беспроводных сетей с нефиксированной инфраструктурой
– ad hoc сетей или MANET (mobile ad hoc networking) сетей. В отличие от сетей
с фиксированной инфраструктурой, в ad hoc сетях все узлы являются мобильными и могут быть связаны динамически в произвольной форме. Все узлы ведут себя не только как оконечные пользовательские терминалы, но и как маршрутизаторы и принимают участие в обнаружении и обслуживании маршрутов
к другим узлам сети.
Исследуемые в настоящей работе высокоскоростные беспроводные сети
связи могут работать как в режиме с переменной топологией, так и в режиме
централизованного управления. Режим ad hoc обеспечивает большую устойчивость сети от сбоев в работе отдельного устройства, в то время как режим с
централизованным управлением обеспечивает обычно более высокую скорость
6

7. передачи данных, больший диаметр сети и меньшую стоимость абонентского
комплекта.
Подходы к организации передачи данных в беспроводных сетях значительно отличаются в зависимости от типа управления сети – при этом коренным образом меняются подходы к самоорганизации, маршрутизации, способам
получения канала для передачи и т.д.
Для сетей с централизованным управлением характерной является иерархическая структура сети, в которой есть один или несколько центральных узлов, осуществляющих обработку и перенаправление данных от абонентовисточников к абонентам-получателям и управление сетью в целом. Типичными
примерами таких сетей являются сети WiFi, BlueTooth. Управление передачей
данных в таких сетях возможно в 2 режимах – использование выделенного канала с гарантированной задержкой и пропускной способностью или режим случайного доступа к разделяемому каналу связи с использованием протоколов
CSMA и MACA. Передача данных в таких сетях производится без маршрутизации и управления приоритетами.
В противоположность сетям с централизованным управлением, сети без
четко выраженной инфраструктуры состоят из однотипных узлов, каждый из
которых обладает достаточно развитым программно-аппаратным обеспечением, позволяющим организовать передачу данных от источника к получателю
при наличии технической возможности для обмена данными. Передача данных
от одного узла сети к другому может проходить через ряд промежуточных узлов в случае, когда узел – источник не имеет прямой связи с узлом – получателем сообщения. Такая сеть называется многопролетной. Типичным примером
таких сетей являются сети HiperLAN, поддерживающие ретрансляцию, маршрутизацию и приоритеты.
В рамках рассмотрения управления передачей данных в беспроводных
сетях производится сравнительный анализ достоинств и недостатков протоколов маршрутизации передаваемых данных. Рассматривается одноранговая и
иерархическая маршрутизация в табличном режиме работы и режиме «по запросу». Показана ограниченность применения существующих протоколов передачи данных в сетях со смешанными типами коммутации.
Рассмотрены подходы к управлению ресурсами и качеством обслуживания в беспроводных сетях различного типа. Предложена двухуровневая модель управления ресурсами сети: управлением не только за счет разбиения доступного ресурса на разделяемые и выделенные каналы, но и за счет применения
соответствующих схем управления качеством обслуживания в пределах каждой
из выделенных групп каналов и даже в пределах каждого занятого канала.
Сформулированы критерии оценки эффективности работы алгоритмов и прото7

8. колов управления ресурсами сети: достоверность принятого решения, время
принятия решения, эффективность принятого решения. С учетом вышеперечисленных критериев сформулированы основные задачи настоящей диссертационной работы:
 Построение инвариантной к используемым протоколам управления ресурсов математической модели высокоскоростной беспроводной сети
передачи данных, позволяющей производить оценку вышеописанных
параметров протоколов управления ресурсами беспроводной сети.
 Разработка протокола управления ресурсами беспроводной сети на базе
анализа текущей нагрузки, инвариантного к архитектуре построения сети и набору доступных ресурсов.
Во второй главе производится анализ структуры беспроводной сети передачи данных со смешанными типами коммутации. Производится оценка различных параметров сети, на основании результатов анализа построена математическая модель сети.
В начале главы рассмотрен топологический подход к описанию беспроводной сети. В рамках этого подхода введены основные характеристики узла,
кластера и всей сети в целом.
Показано, что для сетей с коммутацией каналов возможно переиспользование частотного ресурса, при этом условие спектрального согласования повторно используемых каналов в рамках маршрута имеет следующий вид:
 TRi  RCi1  N

 TRi1  RCi2  N
, i  0, длина маршрута  3

 TRi2  RCi3  N
 TR  RC   TR  RC   TR  RC   3  N
i 1
i 1
i2
i2
i 3
 i
где TRi – множество выделенных каналов, которые могут быть использованы для передачи данных узлом с порядковым номером i в маршруте, RCj –
множество выделенных каналов, которые могут быть использованы для приема
данных узлом с порядковым номером j в маршруте, N – количество выделенных каналов, требуемое для обеспечения заданной пропускной способности
маршрута.
Выигрыш от переиспользования ресурсов составит

N класт  (d  n)  d
N класт  (d  n)  n
(1)
где NКЛАСТ - количество ребер в пределах кластера сети, d – число узловсоседей в кластере сети, n – число смежных узлов-соседей в кластере сети.
8

9. При этом выигрыш будет тем больше, чем больше будет число соседей в
кластере d и меньше число общих соседей в кластере n. Проиллюстрируем зависимость величины выигрыша от количества соседей d при фиксированных
значениях n=2 и n=3:
Рис. 1. Зависимость величины выигрыша при переиспользовании ресурсов
от среднего числа узлов-соседей и общих соседей в кластере сети.
Для сетей с коммутацией пакетов получены выражения для оценки максимально достижимой пропускной способности:
W
CКС  N  d
(2  d  n  1)  LСР  c
(2)
где W – максимально достижимая пропускная способность сети, d – число узлов-соседей в кластере сети, n – число смежных узлов-соседей в кластере
сети, N – общее число узлов в сети, СКС – пропускная способность канала связи
(бит/с), LСР – средняя длина сообщения (бит), а c - константа, определяемая
конкретной структурой сети.
Рис. 2. Зависимость нормированной пропускной способности сети от среднего
числа соседних узлов (n = d/4).
В беспроводных сетях с коммутацией пакетов неизбежно возникновение коллизий при передаче, которые приводят к необходимости повторно передачи и тем самым увеличивают фактическую величину поступившей нагрузки.
9

10. При этом соотношение между интенсивностью поступившей  и обслуженной
’ нагрузок описывается следующим выражением:
    e 
(3)
где  – время прослушивания эфира, необходимое для обнаружения
коллизии.
Учитывая, что наиболее популярным протоколом управления доступом
является CSMA, для него были проанализированы параметры качества обслуживания при передаче данных через разделяемый канал. Так для 1настойчивого протокола CSMA формула зависимости использования пропускной способности канала от суммарной обслуженной нагрузки имеет вид:
   e (1 2 a ) 1     a (1     a  / 2)
S ( ) 
 (1  2a)  (1  e  a )  (1  a )e  (1 a )
(4)
где а – задержка распространения волны в пределах кластера сети, ' интенсивность обслуженной нагрузки с учетом повторных передач.
Для локальных сетей этой задержкой распространения обычно пренебрегают и выражение принимает вид:
   e   1   
S ( ) 
(5)
  e 
Проиллюстрируем полученное выражение с помощью графика:
Рис. 3. Зависимость использования пропускной способности канала связи от
интенсивности суммарной нагрузки в кластере сети
Однако такое соотношение не позволяет оценить, какой объем поступившей нагрузки является для такой сети эффективно обслуживаемым (то есть
суммарная скорость поступившей нагрузки не превышает доли реально используемой скорости передачи данных в канале связи). Для того, чтобы получить
зависимость использования пропускной способности канала связи от интенсивности поступившей нагрузки в кластере сети построим график, в котором по
оси X отложим значения (’), а по оси Y – значения S(’). Полученный график
будет иметь вид:
10

11. Рис. 4. Зависимость использования пропускной способности канала связи от
нормированной интенсивности поступившей нагрузки в кластере сети
Полученная зависимость позволяет получить одну из наиболее важных
характеристик сети – диапазон поступившей нагрузки, при котором использование пропускной способности канала связи является эффективным. Эта величина может быть получена, как зависимость отношения коэффициента использования пропускной способности канала связи к приведенной интенсивности
поступившей нагрузки от интенсивности поступившей нагрузки:
Рис. 5. Зависимость отношения приведенного коэффициента использования
пропускной способности канала от нормированной интенсивности поступившей нагрузки
Можно ввести понятие оптимальной нагрузки на кластер, как максимальную величину потупившей нагрузки, при которой значение полученного соотношения все еще больше, либо равно некой фиксированной величины  (будем
называть эту величину опт).
Полученные результаты позволяют ввести другие критерии выборы оптимального маршрута: минимаксный, кратчайшего пути, минимальной внесенной задержки.
В третьей главе диссертационной работы на основании полученных во
второй главе соотношений предложена модель виртуального канала передачи
11

12. данных, разработаны алгоритмы сбора информации о нагрузки в сети и маршрутизации передаваемых данных.
В общем случае объем обслуживаемой нагрузки в пакетных сетях является случайно величиной. Мгновенные значения случайной величины формируют
некоторую случайную выборку, поэтому для оценки обслуживаемой нагрузки
используют не мгновенные, а некоторые средние значения наблюдаемой величины.
С позиций теории систем массового обслуживания (СМО) наиболее важными являются 3 следующих параметра наблюдаемого случайного процесса:
первый и второй моменты распределения длин пакетов и среднее количество
передаваемых и принимаемых пакетов в пределах кластера за единицу времени.
Получение оценок этих параметров позволяет аналитически предсказать параметры качества обслуживания при передаче данных на одном пролете сети. Для
анализа показателей качества обслуживания для всей беспроводной сети требуется осуществить переход к представлению маршрута передачи данных, как некоторого виртуального канала связи, соединяющего узлы источника. Виртуальный канал в данном случае удобно представить в виде последовательно соединенных СМО по числу узлов, передающих пакеты с данными на маршруте.
Очередь данной СМО будет соответствовать буферу временного хранения сетевого адаптера устройства – узла беспроводной сети, обработка заявки в сервере СМО – передаче данных через разделяемый канал беспроводной сети.
На вход каждой СМО поступает 2 независимых потока заявок. Один поток заявок соответствует пакетам данных, которые уже передаются в пределах
данного кластера («белые» заявки), второй поток заявок – это трафик, который
необходимо передать через беспроводную сеть («черные» заявки). Заявки из
обоих потоков ставятся в общую очередь и обслуживаются в порядке поступления в соответствии с их приоритетом (если он определен). На выходе СМО
устанавливается диспетчер, который разделяет поступающие заявки по цвету и
передает на вход следующей СМО только «черные» заявки (диспетчер в данной
модели полагается идеальным, то есть с нулевой задержкой обработки заявки).
Использование такого диспетчера позволяет рассматривать виртуальный канал
как набор независимых СМО со своими входными параметрами.
Рис. 6. Модель узла передачи данных беспроводной сети в виртуальном канале.
12

13. Суммарная задержка для виртуального канала передачи данных описывается следующим выражением:
( i , k  I (i, L))  xi2,k

2
k 1
P
L
Wn  
i 1
2
P

1  ( i , k  I (i, L))  xi , k
 
2
 k n




2
(6)
где
I (i , L)     (i )     ( L  i  1)  
 0,

 ( x )   x,
 2,

x0
0 x  2,
x2
L – длина маршрута (количество пролетов), i – порядковый номер узла в
пределах маршрута, i  [0, L  1] ,  – интенсивность потока передаваемых данных, k – приоритет передаваемого пакета,  – интенсивность обслуживаемой
нагрузки, x2 – второй начальный момент распределения длин пакетов.
Повышение эффективности работы сети может быть достигнуто с использованием алгоритмов выбора оптимальных маршрутов передачи данных.
Основной задачей алгоритма маршрутизации данных является отыскание путей
передачи данных от источника к получателю и выбор одного, оптимального по
некоторому критерию.
В наиболее общем случае работа алгоритма маршрутизации состоит из
3 этапов:
1) Отыскание доступных маршрутов от узла - источника до узла - получателя.
2) Проверка отысканных маршрутов на предмет обеспечения заданных
параметров качества обслуживания.
3) Выбор из числа подходящих маршрутов одного, оптимального по
некоторому критерию.
Стоит сразу отметить, что для пакетного и потокового трафика алгоритмы реализации каждого из этапов могут отличаться.
Введено понятие маршрута передачи сообщений в рамках предложенной
модели сети. Маршрутом называется множество, состоящее из номеров узлов
Nodes, через которые этот маршрут проходит. Весом маршрута будем называть
13

14. сумму весов всех входящих в него узлов. Ациклическим будем называть маршрут, множество вершин Nodes которого не содержит повторяющихся элементов. Независимыми будем называть такие два маршрута М1 и М2, что истинно
следующее условие: ( Nodes1  Nodes 2  Nodes1 ) и ( Nodes1  Nodes 2  Nodes 2 ) . С
учетом определений, введенных выше, сформулирована задача первого этап
работы алгоритма маршрутизации: отыскание всех ациклических независимых
маршрутов от узла – источника данных до узла – потребителя информации.
Второй этап работы алгоритма осуществляет анализ найденных маршрутов и отсеивает те из них, которые не обеспечивают требований, предъявленных в запросе не передачу данных. Для случая потокового трафика этот этап
состоит в проверке найденных маршрутов на соответствие условию спектрального согласования. Для пакетного трафика не всегда определены параметры,
использующиеся для отбора маршрутов на 2 этапе (интенсивность входящей
нагрузки и требования к средней задержке при передаче). Поэтому для пакетного трафика иногда переход от 1-го этапа к 3-му осуществляется напрямую,
минуя стадию проверки.
На третьем этапе производится выбор маршрута, оптимального по заданному критерию. Показано, что для передачи потокового трафика оптимальным
является маршрут с минимальным весом. Предложен алгоритм распределения
выделенных каналов, повышающий суммарную пропускную способность сети.
Для пакетного трафика показано, что максимальной пропускной способности
сети удается добиться при использовании критерия минимальной внесенной
задержки.
Используя полученные во второй и третьей главах соотношения и алгоритмы разработан протокол управления ресурсами беспроводной сети Network
Resource Management Protocol (NRMP). Разработана система команд протокола
и полей данных, дано их подробное описание. Разработаны и формализованы
процедуры поиска, занятия и освобождения маршрутов передачи данных и ресурсов сети.
В четвертой главе осуществлена проверка достоверности полученных
результатов путем их сравнения с результатами компьютерного имитационного
моделирования.
Проанализированы существующие среды моделирования беспроводных
сетей. Показано, что ни одна из существующих систем моделирования не удовлетворяет всем предъявляемым требованиям, особенно возможности моделирования передачи потокового трафика с коммутацией каналов совместно с пакетным трафиком в рамках одной сети. Принято решение о разработке собственной среды моделирования Wireless Network Simulator (WNS).
14

15. Разработана архитектура приложения WNS в виде псевдопараллельного
планировщика и обработчика событий сценария передачи данных в беспроводной сети. Предложена концепция сценария, описывающая передачу данных в
беспроводной сети. Предложены алгоритмы формирования потока входных
заявок в модели источника, разработаны подходы к измерению параметров обслуживаемой нагрузки.
В рамках системы WNS были сформулированы критерии оценки эффективности работы протоколов и алгоритмов. В качестве основной характеристики качества работы протоколов была выбрана максимально достижимая пропускная способность сети, при которой среднее количество отказов в передаче
данных не превышает некоторого фиксированного значения. Понятие отказа в
передаче тесно связано с параметрами модели, положенной в основу симулятора, и предполагает такую интенсивность нагрузки в сети, при которой передача
пакетного трафика приводит к значительному возрастанию числа коллизий, а
передача потокового трафика невозможна из-за отсутствия необходимого ресурса пропускной способности выделенных каналов связи.
Для экспериментальной оценки параметров качества работы алгоритма
управления была предложена следующая схема эксперимента. Эксперимент
проводился на сетях 3 размеров – малая сеть (20 узлов), средняя сеть (60 узлов),
большая сеть (100 узлов). Узлы сети случайным образом размещаются на квадратной поверхности со стороной Х. Для каждого из размеров сетей создано по
100 вариантов уникальных размещений. Для моделирования передачи данных
создаются сценарии передачи данных с использованием генератора пакетного
самоподобного трафика. Для каждого варианта размещения создано по 100
сценариев, по 50000 реализаций самоподобных выборок потока. Таким образом, общее число экспериментов, проведенное для сети определенного размера,
составляет 10 000 штук.
При проведении моделирования осуществлялась оценка средней интенсивности передачи данных через указанную сеть. Полученные результаты для
каждого сценария сохранялись в соответствующий для данного варианта расположения сети файл. Эти значения подвергались усреднению после окончания
моделирования и использовались для сравнения эффективности различных алгоритмов и протоколов управления ресурсами.
Для того чтобы оценить, насколько данный протокол является эффективным в целом, и какой выигрыш обеспечивается от его использования, сравнительное моделирование проводилось для следующих алгоритмов поиска
маршрутов передачи данных:
 AODV (как наиболее распространенный)
15

16.  NMRP с критерием минимизации внесенной задержки
 NMRP с критерием минимизации внесенной нагрузки
 NMRP с минимаксным критерием
Результаты моделирования для сетей, состоящих из 20, 60 и 100 узлов
приведены на рисунках ниже. Все результаты представлены в нормированном
виде. По оси абсцисс на сводном графике отложен порядковый номер эксперимента (от 1 до 100 по количеству вариантов размещения сетей), по оси ординат
- выигрыш в процентах по сравнению с пропускной способностью, достигнутой
с использованием протокола AODV.
Рис. 7. Выигрыш от использования протокола NMRP (20 узлов)
Рис. 8. Выигрыш от использования протокола NMRP (60 узлов)
16

17. Рис. 9. Выигрыш от использования протокола NMRP (100 узлов)
Сводный анализ результатов для 3 типов сетей приведен ниже (пропускная способность приведена в нормированных величинах, нормировка по пропускной способности разделяемого канала связи):
Таблица 1. Результаты моделирования работы протокола NMRP.
Протокол
Измерения
20 узлов
 ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
20 узлов
Выигрыш (%)
60 узлов
 ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
60 узлов
Выигрыш (%)
100 узлов
 ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
100 узлов
Выигрыш (%)
NMRP
NMRP
NMRP
(мин. вн. задержки)
(мин. вн. нагрузки)
(минимаксный)
1,6246
1,6361
1,6341
1,6261
---
0,71%
0,59%
0,09%
2,4869
2,5947
2,5493
2,5257
---
4,41%
2,56%
1,6%
3,871
4,4603
4,4096
4,0672
---
15,28%
13,95%
5,10%
AODV
Построим зависимости максимально достижимой пропускной способности и выигрыша от использования протокола NMRP от размера сети.
17

18. Рис. 10. Зависимость суммарной пропускной способности сети для различных
протоколов маршрутизации от размера сети
Рис. 11. Зависимость выигрыша в пропускной способности сети для различных
протоколов маршрутизации от размера сети
Для сетей с коммутацией каналов методика моделирования является
весьма схожей. Пропускная способность оценивалась, как количество потоков
данных, одновременно передаваемых через сеть при заданной вероятности блокировки. Сравнение проводилось для следующих алгоритмов: алгоритм нахождения кратчайшего пути передачи данных, NMRP с критерием минимизации
внесенной нагрузки и оптимизацией занятия каналов. Результаты моделирования приведены на рисунках ниже.
18

19. Рис. 12. Выигрыш в пропускной способности сети от использования протокола
NMRP по сравнению с маршрутизацией по кратчайшему пути
Рис. 13. Зависимость выигрыша в пропускной способности сети для различных
протоколов маршрутизации от размера сети
Рис. 14. Зависимость суммарной пропускной способности сети для различных
протоколов маршрутизации от размера сети
Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими оценками
и позволяют произвести сравнение эффективности работы различных протоко19

20. лов управления выделением ресурсов. Показано, что использование предложенных в главе 3 алгоритмов анализа нагрузки и управления выделением ресурсов позволяет значительно повысить достоверность принятых решений и
эффективность использования доступных ресурсов сетей.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.
В приложении диссертации приведены копии документов, подтверждающие практическое использование результатов исследований.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
В работе получены следующие основные результаты:
Произведен анализ структуры и характеристик беспроводной сети передачи
данных с переменной топологией и гибридной коммутацией, а также построена ее математическая модель. На основании этой модели определен и
исследован набор характеристик пропускной способности сети и параметров
качества обслуживания, предоставляемых ею.
Разработана математическая модель канала передачи данных в беспроводной сети в виде системы СМО, используемая для оценки параметров качества обслуживания при передаче трафика.
Разработан эффективный протокол управления передачей данных на основе
сбора информации о трафике в сети.
Разработан 3-х этапный универсальный алгоритм маршрутизации передаваемых данных в беспроводных сетях, применение которого повышает суммарную пропускную способность сети.
Математическая модель и алгоритм реализованы в виде библиотеки классов
на языке C++.
Создана система имитационного моделирования, реализующая разработанную математическую модель и позволяющая проанализировать исчерпывающий набор ее характеристик и исследовать эффекты от применения различных усовершенствований протоколов и алгоритмов управления передачей данных;
Определены границы применимости разработанного протокола и математической модели канала передачи данных, лежащей в его основе.
Исследован эффект от применения различных усовершенствований протоколов и алгоритмов, и даны рекомендации по их использованию.
20

21. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ,
в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня
ВАК министерства образования и науки РФ:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Гайнулин, А.Г. Моделирование алгоритма маршрутизации передаваемых
данных в беспроводных сетях со смешанными типами коммутации / А.Г.
Гайнулин // Вестник Нижегородского Университета им. Н.И. Лобачевского. – 2008. – № 1. – С.93-99.
патенты
Пат. 2291572 РФ, МКИ H04B 7/24, H04J 4/00. Способ беспроводной локальной связи.
в прочих научных журналах и изданиях
Архитектура самоорганизующихся беспроводных сетей, использующих
сверхширокополосные сигналы / А.Г. Гайнулин, В.Ю. Аристархов, А.В.
Калинин, В.В. Крылов, Р.А. Левченко, А.А. Плужников, В.И. Шкунов //
Сборник трудов НГТУ / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2004 – С. 99106.
Разработка физического уровня и моделирование персональных беспроводных сетей, использующих сверхширокополосные сигналы / А.Г. Гайнулин, В.Ю. Аристархов, А.В. Калинин, В.В. Крылов, Р.А. Левченко,
А.А. Плужников, В.И. Шкунов // Сборник трудов НГТУ / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2004 – С. 107-113.
Gaynulin A. Ad hoc Circuit Switching Wireless Network Based on the UWB
Technology / A. Gaynulin, V. Krylov, V. Aristarkhov // 2nd IEEE International
Conference on Circuits and Systems for Communications (ICCSC’04). – 2004.
- Vol. 2.- P. 182-186.
Gaynulin A. Ad hoc wireless network based on the UWB technology / A. Gaynulin, V. Krylov, V. Aristarkhov //Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2004. PIMRC 2004. 15th IEEE International Symposium. – 2004.
- Vol. 2.- P. 969-973.
Gaynulin A. Dynamic resource allocation in ad hoc hybrid high speed wireless
network / A. Gaynulin, V. Krylov // 2nd IEEE international conference on information & communication technologies: from theory to applications
(ICCTA’06). – 2006. - Vol. 2.- P. 2461- 2466.
Gaynulin A. Routing Algorithms for ad hoc High Speed Hybrid Wireless Networks / A. Gaynulin, V. Krylov // 4rth International Conference: Sciences of
21

22. 9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Electronic, Technologies of Information and Telecommunications (SETIT
2007). – 2007. - Vol. 1.- P. 162-169.
Гайнулин, А.Г. Адаптивный алгоритм маршрутизации пакетного трафика
в беспроводных сетях / А.Г. Гайнулин // Информационные системы и
технологии. ИСТ - 2007: тезисы докладов Всероссийской научнотехнической конференции / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2007 – С.
133.
Гайнулин, А.Г. Алгоритмы маршрутизации и динамическое управление
ресурсами беспроводной сети с гибридной коммутацией / А.Г. Гайнулин,
В.В. Крылов // Сборник трудов Второй Международной научнопрактической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" / СПб – СПб.: Изд-во Политехн.
ун-та, 2005 – С. 34.
Гайнулин, А.Г. Архитектура самоорганизующихся беспроводных сверхширокополосных сетей / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов, А.А. Плужников //
Молодежь и современные информационные технологии: Сборник трудов
II Всероссийской научно-практической конференции студентов / ТПУ –
Томск: Изд. ТПУ, 2004 – С. 153-154.
Гайнулин, А.Г. Архитектура самоорганизующихся беспроводных сетей,
использующих сверхширокополосные сигналы / А.Г. Гайнулин //
ТЕКОМ-2004: Актуальные вопросы построения систем управления сложным распределенным оборудованием и предоставлением услуг / НГТУ –
Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2004 – С. 15-16.
Гайнулин, А.Г. Динамическое управление ресурсами беспроводной сети с
гибридной коммутацией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2006: тезисы докладов Всероссийской
научно-технической конференции / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ,
2006 – С. 126.
Гайнулин, А.Г. Исследование и анализ алгоритмов маршрутизации и синхронизации в ad hoc сетях / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов, К.А. Кручинкин
// Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы докладов
Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию
Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио
А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2005 – С. 53.
Гайнулин, А.Г. Маршрутизация в беспроводных сетях с коммутацией каналов / А.Г. Гайнулин // Тезисы докладов VI международной научнотехнической конференции «Будущее технической науки» / НГТУ – Н.
Новгород: Изд. НГТУ, 2007 – С. 91.
22

23. 16. Гайнулин, А.Г. Механизм самоорганизации узлов беспроводной сети, не
имеющей строгой инфраструктуры / А.Г. Гайнулин, А.А. Плужников //
Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы докладов
Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию
Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио
А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2005 – С. 60.
17. Гайнулин, А.Г. Механизм слияния беспроводных самоорганизующихся
сетей с переменной топологией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов, А.Г. Агафонов // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы
докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной
60-летию Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию изобретения радио А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2005 – С. 49.
18. Гайнулин, А.Г. Оптимизация использования разделяемых ресурсов в беспроводной сети с переменной топологией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов,
А.В. Калачев // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2005: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 60-летию Победы в Великой Отечественной войне и 110-летию
изобретения радио А. С. Поповым / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ,
2005 – С. 57.
19. Гайнулин, А.Г. Управление ресурсами в высокоскоростных беспроводных / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов // Тезисы докладов 11-й Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) / НГТУ – Н. Новгород:
Изд. НГТУ, 2005 – С. 41.
23

24. Подписано в печать _________. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз.
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.
Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.