Анализ механизмов синхронизации в персональных и локальных беспроводных сетях

Беспроводные технологии вытесняют проводные повсюду, где могут обеспечить приемлемые скорость и качество связи. Они прочно вошли в жизнь многих предприятий и миллионов людей, потому что позволяют решать широкий круг задач: от организации персональных и локальных сетей до построения сетей масштаба региона. Массовое внедрение в современных ноутбуках, коммуникаторах и телефонах получили локальные сети стандарта IEEE 802.11 под торговой маркой Wi-Fi и персональные сети IEEE 802.15.1 под торговой маркой Bluetooth, предполагающие централизованное управление сетыо на канальном уровне устройством-координатором. В таких сетях под синхронизацией понимается в основном синхронизация внутренних часов устройств с часами координатора.

Координатор является самым уязвимым устройством сети, и выход его из строя делает работу всех остальных устройств в сети невозможной. В связи с этим в последние годы во всем мире наблюдается повышенный интерес к сетям с распределенным управлением сетью на канальном уровне. Например, в комитете IEEE по стандартам созданы группы 802.11s (Wi-Fi Mesh) и 802.15.5 (High Rate WPAN Mesh), разрабатывающие протоколы локальных и персональных mesh-сетей, а альянс ведущих телекоммуникационных компаний мира WiMedia разработал стандарт персональных сетей ЕСМА 368 для соединения, например, компьютера, монитора и периферийных устройств без проводов. Все эти стандарты предполагают распределенное управление на канальном уровне: все устройства равноправны и подчиняются одним и тем же правилам работы, благодаря чему сеть лучше масштабируется и поддерживает режим энергосбережения и мобильность устройств по сравнению с сетью с централизованным управлением. Кроме того, отсутствие координатора делает сеть надежнее: выход из сгроя одного или даже нескольких устройств оставляет возможность непрерывной работы оставшихся устройств без изменений настроек сети, что было бы невозможно в сети с централизованным управлением.

Однако в сети с распределенным управлением сложнее координировать работу устройств, в то время как это необходимо для согласованного принятия решений и работы многих механизмов физического и канального уровня. Например, в сетях.

IEEE 802.15.5 или WiMedia механизмы синхронизации обеспечивают согласованное принятие решений устройствами при резервировании канала, присоединении к сети новых устройств, отключении устройств от сети, смене рабочей частоты, при разрешении конфликтов между устройствами, изменении топологии сети, в случае интерференции нескольких сетей и так далее. Иными словами, в сетях с распределенным управлением механизмы синхронизации сложнее, и в них заложено гораздо больше функциональности, чем в сетях с централизованным управлением. Поэтому требуется детальное исследование механизмов синхронизации в сетях, работающих без координатора.

В данной работе под синхронизацией в сети понимается обмен между устройствами сети специальными синхрокадрами для координации их распределенной работы. Эти кадры, называемые бйконами (от англ. beacon, букв, «маячок»), являются контейнерами, в которые многие механизмы сети вкладывают свою сигнальную информацию, что избавляет их от необходимости рассылать свои собственные сигнальные кадры. Например, с помощью биконов устройства сигнализирует соседним устройствам, находящимся в режиме энергосбережения, о новых данных для этих устройстввложив в бикон другой информационный элемент, устройства распределенным образом резервируют канал для передачи данных и поддерживают уже созданные резервирования.

Исследованию протоколов IEEE 802.11 [1] и WiMedia [2] и построенных на их базе беспроводных сетей посвящено значительное количество работ, среди которых следует отметить работы российских и зарубежных ученых: А. В. Винеля, В. М. Вишневского, Д. В. Лаконцева, А. И. Ляхова, Д.II. Мацнева, М. Ю. Якимова, G. Bianchi, F. Cali, М. Conti, Е. Gregory, G.R. Hiertz, Q. Ni, Y. Zang и др. Однако большая часть этих работ посвящена оценке производительности методов передачи данных, но не эффективности механизмов синхронизации. В работах же, посвященных оценке эффективности механизмов синхронизации в сетях IEEE 802.11, например, в работах L. Huang, Т. Lai, D. Zhou, под синхронизацией понимают исключительно синхронизацию внутренних часов станций, и при этом охватываются лишь сети IEEE 802.11 в режиме ad hoc, но не mesh-сети. В работах, посвященных оценке эффективности механизмов синхронизации в сетях WiMedia, например, в работах Q. Wu, Y. Xiong, Z. Guo, проводится оценка эффективности только отдельной процедуры сжатия бикои-периода без учета присоединения устройств к сети. Таким образом, не существует моделей, позволяющих проводить всесторонний анализ механизмов синхронизации в современных персональных и локальных беспроводных сетях с распределенным управлением, в то время как от эффективности этих механизмов напрямую зависит производительность сетей в целом.

В связи с этим необходима разработка адекватных математических моделей для анализа эффективности существующих методов синхронизации в персональных и локальных беспроводных сетях, что позволит настраивать механизмы синхронизации так, чтобы они удовлетворяли требованиям других механизмов в этих сетях.

Целью диссертационной работы является разработка аналитических моделей для сравнительного анализа эффективности различных механизмов синхронизации в персональных и локальных беспроводных сетях с распределенным управлением.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе используются методы теории вероятности, теории случайных процессов и комбинаторного анализа.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод предотвращения тупиковых ситуаций при рассылке синхрокадров в беспроводных персональных сетях с распределенным управлением.

2. Аналитические модели процесса присоединения устройств к беспроводной персональной сети с распределенным управлением.

3. Аналитические модели различных механизмов синхронизации в беспроводных mesh-сетях стандарта IEEE 802.1 Is.

Научная новизна. Впервые разработаны математические модели для анализа эффективности механизмов рассылки синхрокадров устройствами в персональных и локальных беспроводных сетях с распределенным управлением стандартов Wi-Fi Mesh и WiMedia, позволяющие оценивать следующие вероятностные и временные показатели: средние значения и распределения времен присоединения устройства к сети и смены сетью каналавероятность блокирования сетивероятность успешной передачи синхрокадра.

Практическая ценность и реализация результатов. Результаты работы внедрены и используются на практике, а также в учебном процессе на базовой кафедре МФТИ (ГУ) в И1ШИ РАН «Проблемы передачи и обработки информации», что подтверждено соответствующими актами. В частности, предложенные и изученные механизмы синхронизации использованы при разработке технологии транспортных mesh-сетей в рамках Государственного контракта, выполняемого ИППИ РАН в 2007;2009 гг., № 02.524.11.4002 «Разработка интегрированной технологической платформы для мониторинга элементов и систем жизненно важной инфраструктуры на основе информационно-коммуникационных технологий — расширенного Интернета», а также при разработке НИР, проводимой ИППИ РАН, по программе Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН «Новые физические структурные решения в инфокоммуникациях».

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: о Межд. конференциях по проблемам управления (Москва, 2006 г. и 2008 г.). о IEEE Consumer Communications and Networking Conference (USA, 2006r.). о 15th 1ST Mobile & Wireless Summit (Greece, 2006r.). о IEEE Int. Symposium on Consumer Electronics (С.-Пб., 2006r.). о Конференциях молодых ученых и специалистов «Информационные технологии и системы» (Звенигород, 2007 г. и Геленджик, 2008 г.). о IEEE Int. Symposium on Computers and Communications (Portugal, 2007r.). о IEEE Int. Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (Greece, 2007 и France, 2008). о Int. Workshop on Multiple Access Communications (С.-Пб., 2008 г.). о Семинарах ИППИ РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ [3 — 17]. Из них 4 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах [3 — 6], 2 из которых утверждены в перечне ВАК. 11 работ [7 — 17] опубликованы в трудах ведущих международных и российских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 42 наименования. Работа изложена на 110 страницах и содержит 37 рисунков и 2 таблицы.

Заключение

.

В данной диссертации разработан комплекс аналитических моделей для анализа механизмов синхронизации в беспроводных персональных и локальных сетях. В частности:

1. Предложен метод разрешения тупиковых ситуаций в одношаговых и многошаговых беспроводных персональных сетях стандартов IEEE 802.15.5 и WiMedia.

2. Разработана аналитическая модель, позволяющая найти среднее время присоединения устройств к сети, а также среднее время переключения сети на новый канал в беспроводных персональных сетях с распределенным управлением.

3. Разработаны аналитические модели для нахождения распределения времени присоединения устройств к беспроводной персональной сети с распределенным управлением и распределения времени смены этой сетью канала, позволяющие получить гарантированные с определенной вероятностью показатели эффективности механизма синхронизации, например, позволяющие гарантировать, что время присоединения устройства к сети не превысит наперед заданного с фиксированной вероятностью.

4. Проведен сравнительный анализ двух способов выбора размера окна для присоединения устройств к сети WiMedia, который показал, что использование схемы пропорционального выбора, предложенной автором, предпочтительнее, чем использование схемы фиксированного выбора, рекомендованной стандартом.

5. Построены аналитические модели механизмов рассылки синхрокадров с прослушиванием и без прослушивания среды в сетях Wi-Fi Mesh. С их помощью может быть разработан алгоритм настройки параметров механизма синхронизации, адаптивной к количеству устройств в сети и требованиям других механизмов mesh-сети.

6. Высокая точность и адекватность разработанных аналитических моделей подтверждена результатами имитационного моделирования персональных и локальных беспроводных сетей с распределенным управлением.

7. Теоретические и практические результаты данной работы использованы при разработке технологии транспортных mesh-сетей в рамках НИР и ОКР, выполняемых ИППИ РАН, а также в учебном процессе на базовой кафедре МФТИ (ГУ) в рамках курсов «Протоколы и стандарты телекоммуникационных сетей» и «Математические и имитационные модели телекоммуникационных сетей».