Управление ресурсами в беспровод-ных сетях с переменной топологией

Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е. Алексеева

Диссертация на соискание степени кандидата технических наук

Специальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации

Гайнулин Андрей Габдулхакович

Научный руководитель:д.т.н., проф. Крылов В.В.

Нижний Новгород, 2009 г.

Введение

• Появление нового класса телекоммуникационных систем – ad hoc сетей, характеризующихся:– переменной топологией

– малым временем жизни

– непрерывным процессом исчезновения и появления новых членов

• Отсутствие централизованного управления в рамках таких систем

• Большое количество доступных ресурсов

• Смешанный тип передаваемых данных (гибридная коммутация), высокое разнообразие требований к ресурсам, занимаемым для передачи

Слайд №2

Актуальность

Существующие алгоритмы управления и протоколы передачи данных для беспроводных Ad Hoc сетей, подробно рассмотренные в следующих работах

•Royer E. A Review of Current Routing Protocols for Ad-Hoc Mobile Wireless Networks (1999)

•Misra P. Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks (1999).

•Cardei I. Resource Management for Ad-Hoc Wireless Networks with Cluster Organization (2004)

•Guerino G. Radio resource management in infrastructure-based and ad hoc UWB networks (2005)

•Вишневский, В.М. Широкополосные беспроводные сети передачи информации (2005)

•Миночкин, А.И. QoS-Управление в сетях MANET (2007)

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 ресурс, и обмен данными производится в режиме пакетной передачи. Потребовалось не просто модифицировать существующие, но разработать качественно новые методы и алгоритмы управления выделением ресурсов и протоколы передачи данных, способные адаптироваться к изменяющимся характеристикам обслуживаемых запросов 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 ad-hoc беспроводных сетях имеют научный и практический интерес.

Слайд №3

Задачи работы

• Построение математической модели высокоскоростной беспроводной сети с переменной топологией.

• Разработка эффективного протокола управления доступом к ресурсам разделяемых беспроводных каналов передачи данных.

• Разработка эффективного алгоритма маршрутизации и управления ресурсами разделяемых и выделенных каналов при передаче потокового трафика в высокоскоростной беспроводной сети.

Слайд №4

Положения, выносимые на защиту

• Математическая модель разделяемого канала беспроводной сети и построенная на ее основе модель беспроводной сети с переменной топологией.

• Алгоритм маршрутизации и динамического занятия и освобождения ресурсов выделенных каналов беспроводной сети.

• Протокол управления передачей пакетов с данными в беспроводных сетях с поддержкой приоритетов передачи и гарантированных параметров качества обслуживания.

• Результаты анализа эффекта от применения протоколов в беспроводной сети передачи данных.

Слайд №5

Передача потоковых данных

Условие спектрального согласования

3маршрутадлина,0,

332211

32

21

1

i

NRCTRRCTRRCTR

NRCTR

NRCTR

NRCTR

iiiiii

ii

ii

ii

где TRi – множество выделенных ресурсов, которые могут быть использованы для передачи данных узлом с порядковым номером i в маршруте, RCj – множество выделенных ресурсов, которые могут быть использованы для приема данных узлом с порядковым номером j в маршруте, N – количество выделенных ресурсов, требуемое для обеспечения заданной пропускной способности маршрута.

nndN

dndN

)(

)(

класт

класт

Выигрыш от переиспользования ресурсов

где Nкласт - количество ребер в пределах кластера сети, d – число узлов-соседей в кластере сети, n – число смежных узлов-соседей в кластере сети.

Слайд №6

Выигрыш показывает, во сколько раз в среднем число одновременно обслуживаемых запросов в беспроводной сети с поддержкой ретрансляции и маршрутизации больше, чем в полносвязанной сети «каждый с каждым».

Передача пакетных данных

Пропускная способность СПД с коммутацией пакетов

cLnd

dNCW

СР

КС

)12(где W – максимально достижимая пропускная способность сети – величина, показывающая максимальный объем трафика, передаваемый в беспроводной сети за единицу времени; 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.

Слайд №7

Выигрыш от переиспользования ресурсов Выигрыш от переиспользования показывает, во сколько раз в среднем объем трафика, обслуживаемого за единицу времения в беспроводной сети с поддержкой ретрансляции и маршрутизации больше, чем в полносвязанной сети «каждый с каждым». Зависимость выигрыша для сетей из 50, 100 и 200 узлов от степени связанности сети (величины d) при фиксированно n=d/2 приведена ниже:

Учет влияния коллизий

Пропускная способность кластера пакетной СПД с учетом коллизий

e

eS

1)(

где ’ - интенсивность обслуженной нагрузки с учетом повторных передач, а e

Слайд №8

Модель виртуального канала связи

Модель узла беспроводной сети Модель канала связи

Оценка параметров качества обслуживания канала связи

L

i P

nk

kiki

P

k

kiki

n

xLiI

xLiI

W1

22,,

1

2,,

2

)),((1

2

)),((

,)1()(),( iLiLiI

2

20

0

,2

,

,0

)(

x

x

x

xx

где L – длина маршрута (количество пролетов), i – порядковый номер узла в пределах маршрута, – интенсивность потока передаваемых данных, k – приоритет передаваемого пакета, – интенсивность обслуживаемой нагрузки, x2 – второй начальный момент распределения длин пакетов.

Слайд №9

Оптимальный маршрут передачи

Маршрутизация в 3 этапа1. Поиск всех доступных ациклических независимых маршрутов от узла - источника до

узла - получателя.2. Проверка найденных маршрутов на предмет обеспечения заданных параметров

качества обслуживания.3. Выбор из числа подходящих маршрутов одного, оптимального по некоторому

критерию.

1-ый этапПоиск всех ациклических (не содержит повторяющихся элементов) и независимых - маршрутов от источника до получателя.Условие независимости 2 маршрутов:

где Nodes1 – множество вершин, принадлежащих 1-му маршруту, Nodes2 – множество вершин, принадлежащих 2-му маршруту.

)()( 221121 NodesNodesNodesиNodesNodesNodes

Слайд №10

Оптимальный маршрут передачи

2-ой этапАнализ найденных маршрутов на предмет обеспечения требований, предъявленных в запросе не передачу данных. Для потокового трафика – соответствие условию спектрального согласования, для пакетного трафика – задержка при передаче данных.

3-ий этапВыбор маршрута, оптимального по критерию максимизации пропускной способности сети. Для пакетного трафика показано, что максимальной пропускной способности сети удается добиться при использовании критерия минимальной внесенной задержки.Для передачи потокового трафика оптимальным является маршрут с минимальным весом (для повышения эффективности алгоритма предложен алгоритм распределения выделенных каналов, повышающий суммарную пропускную способность сети).

Выигрыш от оптимизации (маршруты 1-3, 1-6)

Неоптимизированный Оптимизированный

Слайд №11

прием

передача

- Ресурсы, занятые в результате передачи данных на пролете 1-3

- Ресурсы, занятые в результате передачи данных на пролете 2-6

- Ресурсы, занятые в результате передачи данных на пролете 1-2

- Свободные ресурсы

В данном примере выигрыш составляет 8,6%

Протокол NRMP

Диаграмма состояний протокола NRMP

Отыскание всехациклических независимыхмаршрутов от источника до

получателя

Ожидание информации опараметрах узлов,

входящих в маршруты

Получение информации опараметрах узлов,

входящих в маршрты

GNR

Превышениевремени ожидания

NRI

Верификация маршрутовна основе полученнойинформации, выбор

оптимального маршрута

Ожиданиеподтверждения

занятиямаршрута/ресурсов

RAL(занятие)

Превышениевремени

ожидания

ALC(сбой) освобождение

занятыхресурсов

Ожиданиеподтвержденияосвобождения

занятых ресурсов

RAL(освобож

дение)

ALC(подтверж

дение)

Передача данныхЗавершение

передачиданных

ALC(подтверж

дение)

Конец

GNR (Get Node Resources):Запрос информации о параметрах узла.

NRI (Node Resource Information):Информация о параметрах узла.

RAL (Resource Allocation):Запрос на занятие ресурсов/маршрута.

ALC (Allocation Confirmation):Подтверждение о занятии ресурсов/маршрута.

Время, затрачиваемое на работу протокола NMRP, не превышает времени передачи 1 пакета (с учетом получения подтверждения) между источником и получателем.

Слайд №12

Моделирование

Структура модели

Собственная среда моделирования Wireless Network Simulator (WNS):1.Планировщик параллельного исполнения событий в модели беспроводной сети.2.Сценарии моделирования (топология сети + запросы на передачу данных).

Принцип работы модели:1.Маршруты 2-0, 4-6.2.Интервалы между посылками пакетов 25 мкс.3.Длительность передачи пакета 10 мкс. 4.Время существования маршрутов (0-90) мкс и (5-100) мкс для маршрутов (2-0) и (4-6) соответственно.

Слайд №13

Моделирование пакетных сетей 20, 60, 100 узловСлайд №14

Моделирование пакетных сетей 20, 60, 100 узлов: усредненные значения

Слайд №15

Моделирование передачи потокового трафика, сети 20, 60, 100 узлов

Слайд №16

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.

Слайд №17

Научная новизна

• 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.

Разработанные методы, алгоритмы и критерии были использованы в НИОКР компании «Теком» при проектировании беспроводных систем связи. Разработанная система моделирования беспроводных сетей WNS внедрена в компании «НТК» для оценки параметров качества обслуживания проектируемых сетей беспроводной связи.

Слайд №18

Список публикаций

в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК министерства образования и науки РФ:

1. 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

2. Пат. 2291572 РФ, МКИ H04B 7/24, H04J 4/00. Способ беспроводной локальной связи.

в прочих научных журналах и изданиях

3. 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. 99-106.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Gaynulin A. Routing Algorithms for ad hoc High Speed Hybrid Wireless Networks / A. Gaynulin, V. Krylov // 4rth International Conference: Sciences of Electronic, Technologies of Information and Telecommunications (SETIT 2007). – 2007. - Vol. 1.- P. 162-169.

9. Гайнулин, А.Г. Адаптивный алгоритм маршрутизации пакетного трафика в беспроводных сетях / А.Г. Гайнулин // Информационные системы и технологии. ИСТ - 2007: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2007 – С. 133.

10. Гайнулин, А.Г. Алгоритмы маршрутизации и динамическое управление ресурсами беспроводной сети с гибридной коммутацией / А.Г. Гайнулин, В.В. Крылов // Сборник трудов Второй Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" / СПб – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005 – С. 34.

11. 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.

Слайд №19

Список публикаций

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Гайнулин, А.Г. Маршрутизация в беспроводных сетях с коммутацией каналов / А.Г. Гайнулин // Тезисы докладов VI международной научно-технической конференции «Будущее технической науки» / НГТУ – Н. Новгород: Изд. НГТУ, 2007 – С. 91.

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. .

Слайд №20