научная статья по теме АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОШАГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ НЕОРДИНАРНОГО ПОТОКА В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С РЕЗЕРВИРОВАНИЯМИ КАНАЛА Автоматика. Вычислительная техника

Текст научной статьи на тему «АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОШАГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ НЕОРДИНАРНОГО ПОТОКА В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С РЕЗЕРВИРОВАНИЯМИ КАНАЛА»

Автоматика и телемеханика, № 7, 2015

Стохастические системы, системы массового обслуживания

© 2015 г. А.С. ИВАНОВ (a.ivanov@iitp.ru), А.И. ЛЯХОВ, д-р техн. наук (lyakhov@iitp.ru), Е.М. ХОРОВ, канд. техн. наук (khorov@iitp.ru)

(Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, Москва)

АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОШАГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ НЕОРДИНАРНОГО ПОТОКА В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ С РЕЗЕРВИРОВАНИЯМИ КАНАЛА1

Для передачи по mesh-сети потоковых данных, предъявляющих высокие требования к качеству обслуживания, удобно использовать описанный в стандарте IEEE 802.11s механизм MCCA детерминированного доступа к среде. При использовании этого механизма станции резервируют для своих передач определенные периодически повторяющиеся интервалы времени, тем самым получая бесконкурентный доступ к каналу связи. Однако, чтобы обеспечить успешную доставку данных в условиях помех, необходимо устанавливать дополнительные резервирования под повторные попытки передачи. В работе построена аналитическая модель процесса передачи неординарного потока по многошаговым беспроводным сетям с помощью механизма MCCA. Модель позволяет определить наибольший период резервирований, при котором выполнены требования на время доставки и долю потерянных пакетов.

1. Введение

Одним из направлений развития беспроводных технологий являются беспроводные многошаговые децентрализованные сети - mesh-сети. Благодаря возможности передавать данные между двумя станциями через промежуточные станции-ретрансляторы, такие сети лучше масштабируются и обеспечивают больший радиус покрытия, нежели сети с централизованным управлением. Пожалуй, наиболее известным примером mesh-сетей являются сети, построенные по технологии Wi-Fi Mesh.

Традиционный для сетей Wi-Fi [1] механизм случайного доступа EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) не может гарантировать высокую пропускную способность в mesh-сетях из-за эффекта скрытых станций [2]. Для борьбы с ним и, соответственно, для повышения пропускной способности сетей Wi-Fi Mesh в дополнение к механизму случайного доступа может использоваться механизм детерминированного доступа MCCA (Mesh coordination function Controlled Channel Access) [1, 3].

1 Исследование выполнено в ИППИ РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-50-00150).

МССА основан на предварительном резервировании интервалов времени, называемых MCCAOP (MCCA OPportunity), в течение которых возможны бесконкурентная передача данных от станции-владельца резервирования к станции-адресату резервирования и доставка кадра подтверждения ACK (Acknowledgement) в обратном направлении.

Чтобы определить положение MCCAOP во времени, станция делит всю ось на равные временные DTIM-интервалы, начало которых совпадает с отправкой специальных служебных сообщений - DTIM-биконов. Так как MCCAOP следуют строго периодически, то последовательность MCCAOP - резервирование - можно задать тремя параметрами:

• длительностью (MCCAOP duration) каждого зарезервированного интервала;

• периодичностью (MCCAOP periodicity) - числом зарезервированных интервалов в течение одного DTIM-интервала;

• смещением (MCCAOP offset) первого зарезервированного интервала от начала DTIM-интервала.

Чтобы предотвратить использование MCCAOP соседними станциями, каждая станция mesh-сети, поддерживающая механизм MCCA, периодически рассылает информацию о собственных резервированиях и о резервированиях своих соседей. При установлении нового резервирования станция-источник выбирает его параметры так, чтобы оно не пересекалось с уже установленными своими резервированиями и резервированиями соседних станций, и формирует запрос станции-получателю. При этом станция-получатель может как принять резервирование, так и отказаться от него, например, если новое резервирование пересекается с уже установленным.

Несмотря на предварительное резервирование канала связи, применение механизма MCCA не гарантирует успешной доставки пакетов по следующим причинам. Во-первых, потери пакетов могут быть вызваны случайным шумом в канале. Во-вторых, согласно стандарту IEEE 802.11s станции, не являющиеся соседями ни владельца, ни адресата резервирования, могут вести передачу в пределах MCCAOP, что приводит к интерференции и соответственно к потерям пакетов. Как показано в [4, 5], в определенных случаях интерференция может приводить к значительному снижению производительности и надежности механизма MCCA. Для обеспечения требуемой надежности доставки пакетов в этих случаях требуется совершать дополнительные попытки передачи пакетов и соответственно резервировать MCCAOP под них.

Стоит отметить, что стандарт IEEE 802.11s не регламентирует, в каких случаях использовать механизм MCCA. С учетом накладных расходов на установление резервирования и рассылку информации о нем очевидно, что невыгодно устанавливать резервирование для передачи одного единственного пакета. Установление резервирования оправдано лишь в случае передачи потоковых данных. В частности, механизм MCCA может быть применен для передачи мультимедийных данных, которые предъявляют определенные требования к качеству обслуживания: ограничение на время доставки и долю потерянных пакетов. Поскольку в структуре мультимедийного трафика

видеопотоки составляют большую долю, в работе рассматривается передача видеопотоков и исследуется, какой минимальный объем канальных ресурсов нужно зарезервировать, чтобы передать видеопоток с заданными требованиями к качеству обслуживания при заданной вероятности успешной передачи в канале. Более точно задача исследования будет сформулирована в следующем разделе.

2. Способы установления резервирований

Резервирование МССАОР под дополнительные попытки передачи может осуществляться разными способами.

Первый способ, предложенный и исследованный в [6], состоит в установлении для каждого поступившего пакета нескольких резервирований с одинаковыми длительностью и периодом, но смещенных относительно друг друга. Первая попытка передачи пакета осуществляется в МССАОР первого резервирования, вторая - в МССАОР второго резервирования и т.д. Если пакет не был передан до поступления следующего пакета, то он отбрасывается. Хотя такой способ и позволяет достаточно просто рассчитать необходимое число МССАОР для выполнения требования к качеству обслуживания, он обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что если пакет был успешно передан с первой попытки передачи, то оставшиеся попытки не могут использоваться для передачи других пакетов. Нерациональное использование МССАОР приводит к чрезмерному потреблению канальных ресурсов, поэтому в данной работе этот способ не рассматривается.

Второй способ заключается в установлении одного резервирования под все попытки передачи пакета. В отличие от первого способа пакет продолжает передаваться до тех пор, пока не будет передан или не будет достигнуто ограничение на время обслуживания пакета. Этот способ был впервые предложен и исследован в [7], где предложена аналитическая модель, позволяющая определить минимальный объем канальных ресурсов, который необходимо зарезервировать с помощью механизма МССА для выполнения требований QoS, представленных максимальными значениями времени доставки пакетов и доли потерянных пакетов, при передаче ординарного периодического потока (например, голосового потока). Однако разработанная модель не может использоваться для расчета параметров передачи видеопотока, переданного с помощью протокола ИТР [8], так как хотя моменты поступления пакетов в очередь источника и следуют строго периодически друг за другом, пакеты поступают в очередь не по одному, а пачками разной длины. Поэтому необходима новая модель, описывающая передачу такого потока.

Целью данной работы является разработка модели передачи видеопотока с помощью периодических резервирований канала с заданными ограничениями на качество обслуживания в условиях помех в канале. В каждом МССЛОР может быть осуществлена только одна попытка передачи пакета. При достижении ограничения на допустимое время доставки пакет отбрасывается. Модель должна позволять определить максимальный период резервирований, при котором выполнены требования к качеству обслуживания.

3. Аналитическая модель многошаговой передачи видеопотока 3.1. Описание модели многошаговой передачи видеопотока

Рассмотрим передачу видеопотока по многошаговому маршруту, состоящему из п шагов.

Будем считать, что пакеты видеопотока поступают пачками, причем моменты поступления пачек следуют строго периодически друг за другом с периодом Тгп, а число г пакетов в пачке является случайной величиной с известным распределением вероятностей {р^} (г = 1,... ,М, ^^р1 = 1). В дальнейшем такой поток будем называть неординарным периодическим потоком.

Требования к качеству обслуживания (требования QoS) представлены ограничениями на максимально допустимые время доставки пакетов и долю потерянных пакетов РЬЯ®°3. Значения и РЬЯ®°3 относятся

ко всему маршруту в целом. Чтобы свести исследование многошаговой передачи к последовательному рассмотрению каждого шага маршрута, необходимо некоторым образом распределить требования QoS между этими шагами, т.е. представить требования QoS на ^-м узле значениями и PLRQ°S.

Очевидно, что при этом должны выполняться следующие условия:

у^ DQ°S =

3

3=1

п

1 - П (1 - ) = PLRQ°S.

3 = 1

Для передачи пакетов с помощью механизма МССА j-я станция устанавливает резервирования с периодом Т™3 и длительностью R3•, которая включает в себя время, затрачиваемое на передачу пакета от станции-отправителя к станции-получателю, передачу кадра подтверждения в обратном направлении, а также длительность межкадровых интервалов.

Пакет передается, пока не наступит одно из следующих событий: пакет успешно передан или время, которое пакет провел в очереди на обслуживание, превзошло величину Dj = Е®^ — R3•. В последнем случае пакет отбрасывается.

Помехи в канале будем считать случайными и независимыми. Как показано в [6], если период резервирования Тгез в несколько раз превосходит длительность передачи пакета, то это предположение о помехах в канале оправдано даже

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Автоматика. Вычислительная техника»