Математическое и программное обеспечение сетецентрической системы управления доступом мобильных абонентов к информационным сервисам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат наук Глазунов Вадим Валерьевич

• Глазунов Вадим Валерьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Глазунов Вадим Валерьевич

Введение

Глава 1. Обзор методов взаимодействия мобильных абонентов

1.1 Анализ проблем построения инфраструктуры доступа к высокоуровневым телематическим сервисам

1.2 Сравнение технических возможностей беспроводного доступа к высокоуровневым телематическим сервисам

1.3 Классификация информационных услуг мобильных абонентов

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Разработка системы динамического мониторинга

конфигурации сети

2.1 Постановка задачи

2.2 Модель сети передачи данных для маршрутизации сообщений

2.3 Модель оценки готовности канала сети мобильных абонентов

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Разработка системы управления соединениями между

мобильными абонентами и облачными сервисами

3.1 Имитационная модель динамической сети мобильных объектов

3.2 Метод и алгоритмы управления динамической сетью мобильных абонентов

3.3 Разработка системы управления соединениями

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Исследования и постановка экспериментов

4.1 Моделирование сетевого трафика с использованием протоколов динамической маршрутизации на основе модели IDM в среде имитационного моделирования №-3

4.2 Архитектура программно-аппаратного стенда проведения натурных экспериментов

Стр.

4.3 Натурные эксперименты

4.4 Исследование системы управления соединениями

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Схема программно-аппаратного стенда

Приложение Б. Описание структур взаимодействия компонентов

Приложение В. Схема базы данных мультипротокольного узла

Приложение Г. Пример класса реализующего политику

планирования по приоритету

Приложение Д. Акты о внедрении

Введение

Использование беспроводных технологий передачи данных в мобильных транспортных сетях создает основу для развития интеллектуальных траноторт-ных систем. Расширение спектра информационных услуг, предоставляемых сервисным центрам, службам управления движением, водителям и пассажирам, позволяет повысить безопасность участников движения, увеличить пропускную способность автомагистралей, повысить комфорт пассажиров.

В настоящее время ведущими автомобильными компаниями ведутся работы по установке на борту автомобиля телематических устройств, позволяющих поддерживать непрерывную двунаправленную цифровую связь с другими участниками движения и дорожными службами. Повышению эффективности такого взаимодействия препятствуют следующие ограничения: несовместимость беспроводных технологий передачи данных, наличие зон с отсутствием покрытия локальными и глобальными сетями передачи данных, отсутствие информации о скоростях передачи и загруженности сетей на маршруте движения, разная ценовая политика провайдеров подключения к сервисам глобальных и локальных сетей, невозможность отправки данных по нескольким каналам одновременно. Наличие этих ограничений не позволяет осуществлять долгосрочное и оперативное планирование обмена данными между автомобилями и облачными сервисами. Решением проблемы является получение достоверных данных о беспроводных сетях обеспечивающих доступ к сети Internet по всему маршруту движения транспортного средства, что позволит выполнять прогнозирование времени и стоимости обмена данными с информационными системами. Автоматизация процессов сбора и обработки данных о телематической обстановке требует разработки математического и программного обеспечения системы управления доступом мобильных абонентов к информационным сервисам и является актуальной научно-технической задачей.

Теоретические и практические вопросы информационного обмена в стационарных и мобильных беспроводных сетях, определяют такие аспекты взаимодействия как: использование протоколов динамической маршрутизации, протоколов прикладного и транспортного уровня, создание гетерогенных сетей с несколькими физическими уровнями. Рассмотрению этих аспектов посвящены работы

зарубежных и российских ученых: Вишневского В. М., Ефименко Д. Б., Комашин-ского В. И., Винокурова В. М., Пуговкина А. В., Philip Levis, Dr. Wan Tat Chee, J. D. Gibson. Существующие подходы к решению задачи передачи сообщений при неустойчивой связи со стационарным узлом заключаются в использовании глобального канала данных между объектами, подключении к стационарным локальным беспроводным сетям и к объектам дорожной инфраструктуры. Такие подходы предложены и развиты в работах: Колыбельникова А. И., Тулякова Ю. М., Шувалова В. П., Po-Lung Tien, Sandford Bessler.

Однако основной нерешенной проблемой является разработка методов доступа к информационным сервисам в районах, где стационарные узлы передачи данных не покрывают все зоны перемещения транспортных средств в интеллектуальных транспортных системах.

Тематика работы связана с решением задач повышения эффективности процессов обработки и передачи данных в компьютерных сетях с использованием моделей, методов, алгоритмов и программной инфраструктуры для организации глобально распределенной обработки данных сетевыми программами с поддержкой сетевых протоколов.

Целью диссертационного исследования является разработка математического и программного обеспечения для организации взаимодействия информационных сервисов с мобильными объектами на всей траектории их движения через локальные телематические ресурсы стационарных и мобильных точек доступа.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели каналов сети передачи данных для сокращения времени маршрутизации сообщений между мобильными объектами.

2. Разработка имитационной модели взаимодействия мобильных объектов и информационных систем в беспроводных динамических сетях с ограниченным временем существования.

3. Разработка метода и алгоритмов объединения мобильных объектов в сети передачи данных и настройки динамической маршрутизации с использованием сервиса обобщения и структуризации телематических данных.

4. Разработка архитектуры и программной реализации системы обеспечения двунаправленного обмена данными мобильного объекта и информационных систем.

5. Исследование эффективности применения протоколов динамической маршрутизации в сетях мобильных объектов с изменяющейся топологией.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель сети передачи данных для маршрутизации сообщений между мобильными объектами на основе динамического графа с процедурами перерасчета весов.

2. Предложен метод и реализованы алгоритмы управления сетями для настройки динамической маршрутизации данных, отличающиеся оценкой состояния каждого мобильного объекта с учетом глобальной конфигурации сети.

3. Создана имитационная модель динамической сети мобильных объектов, отличающаяся поддержкой нескольких одноранговых гетерогенных сетей и динамической маршрутизацией данных между ними.

4. Разработана архитектура системы управления двунаправленным доступом мобильного объекта к информационным сервисам, отличающаяся наличием модуля выбора каналов передачи данных на основе запроса приложения, глобальных правил передачи данных и телематической обстановки.

5. Полученные результаты компьютерного и натурного моделирования позволяют выбрать протоколы динамической маршрутизации для минимизации потерь данных в одноранговых сетях с ограниченным временем существования.

Практическую значимость определяют:

1. Реализация имитационной модели мультипротокольного узла в среде NS-3, обеспечивающая моделирование протоколов динамической маршрутизации в условиях движения мобильных объектов.

2. Реализация программно-аппаратного стенда исследования временных характеристик протоколов маршрутизации и методика проведения экспериментов для оценки применимости различных протоколов динамической маршрутизации в условиях движения мобильного объекта в городской среде для передачи пользовательского трафика.

3. Программная реализация алгоритмов и протоколов согласованного управления данными телематической карты с использованием бортового мультипротокольного узла, обеспечивающая решение задач управления в реальном масштабе времени.

4. Реализация программно-аппаратной архитектуры мультипротокольного узла, которая позволяет поддержать маршрутизацию между несколькими сетями передачи данных, использующими локальные и глобальные беспроводные сетевые технологии.

5. Программная реализация алгоритмов объединения и настройки динамической маршрутизации на борту транспортного средства, обеспечивающая упреждающее планирование соединений с использованием сервиса телематической карты.

Результаты могут быть использованы для управления группами наземных и воздушных объектов, в том числе и автономных роботов. Программно-аппартное решение мультипротокольного узла используется в автомобильном подразделении Ford Motor Company.

Объектом исследования является математическое и программное обеспечение сетецентрических систем управления информационными ресурсами абонентов мобильной гетерогенной сети.

Предметом исследования являются свойства алгоритмов систем многопротокольной маршрутизации мобильных абонентов в компьютерных сетях с динамической топологией.

Mетодология и методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач применялись методы системного анализа, средства имитационного моделирования, технологии модельных и натурных экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель сети передачи данных мультипротокольных узлов мобильных объектов в форме динамического графа, отражающая динамику состояния транспортной и телематической компонент, сокращающая накладные расходы на формирование путей передачи данных до O(e log2 n).

2. Метод управления динамической сетью, алгоритмы управления ресурсами мобильного объекта и облачного сервиса телематических данных, отличающиеся оценкой состояния каждого мобильного объекта с учетом

глобальной конфигурации сети, обеспечивающие упреждающее планирование трафика в интеллектуальных транспортных системах.

3. Дискретно-событийная имитационная модель динамической сети мобильных объектов, отличающаяся реализацией динамической маршрутизации данных между одноранговыми сетями, позволяющая моделировать перераспределение потоков данных между сетями в муль-типротокольных узлах.

4. Клиент-серверная архитектура распределенной системы доступа мобильного объекта к информационным сервисам, отличающаяся наличием модуля выбора каналов передачи данных на основе запроса приложения, глобальных правил передачи данных и телематической обстановки, обеспечивающая максимальное использование пропускной способности выбранных локальных и глобальных каналов связи на всем маршруте движения транспортного средства.

5. Инструментальные средства для проведения компьютерного и натурного моделирования позволяющие выбрать протоколы динамической маршрутизации для минимизации потерь данных в одноранговых сетях с ограниченным временем существования.

6. Комплекс программного обеспечения для организации взаимодействия информационных сервисов с мобильными объектами на всей траектории движения через локальные телематические ресурсы стационарных и мобильных точек доступа.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов и сформулированных выводов обеспечивается корректным применением математического аппарата, использованием сертифицированного программного обеспечения для проведения вычислительных экспериментов, близостью результатов натурного и имитационного моделирования. Результаты исследований согласуются с результатами других авторов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и программное обеспечение сетецентрической системы управления доступом мобильных абонентов к информационным сервисам»

Апробация работы.

Научные результаты и основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях: «International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics»: 10th, Рейкьявик (Исландия) 2013; 11th, Вена (Австрия) 2014; 14th, Мадрид (Испания) 2017, «Экстремальная робототехника», Санкт-Петербург (Россия) 2013, «Методы и технические средства обеспечения безопасности информации», Санкт-Петебруг (Россия) 2013, «Internet of Things,

Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems, NEW2AN», Санкт-Петербург (Россия) 2014, «Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops», Санкт-Петербург (Россия) 2014, «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в национальных исследовательских университетах», Санкт-Петербург (Россия) 2014, «Vehicle Technology and Intelligent Transport System»: Ist, Лиссабон (Португалия) 2015; 2nd, Рим (Италия) 2016, «Open Innovations Association, FRUCT», Ярославль (Россия) 2015, «Telematics and Future Generation Networks», Куала-Лумпур (Малайзия) 2015, «Soft Computing and Measurements», Санкт-Петербург (Россия) 2017.

Результаты включены в научные отчеты по грантам: РФФИ №13-07-12106 офи_м «Сетецентрические модели и телематические сервисы для развития информационно-транспортной инфраструктуры города» 2013-2015, №16-2904319 офи_м «Контекстно-ориентированные методы принятия решений и планирования операций смешанной группой мобильных роботов» 2016-2018 и URP Ford Motor Research «Реконфигурируемые телематические сервисы для перспективных облачно-ориентированных автомобильных сервисов управления и навигации» 2013-2016. Результаты работы поддержаны грантом правительства Санкт-Петербурга в конкурсе для студентов и аспирантов 2013.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров и магистров по направлениям 02.03.01, 02.04.01 «Математика и компьютерные науки» в СПбПУ. Получено свидетельство о регистрации ЭВМ 2013661712 «Программа имитационного моделирования одноранговой MESH сети подвижных мультипротокольных узлов». Получен международный патент «Multiprotocol vehicle communications. United States Patent No: 9565625, Anaqua Invention Record Id No: 83527358».

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 23 печатных изданиях, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 11 — в изданиях, индексируемых Scopus и Web of Science.

Личный вклад. Все основные результаты работы, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и пяти приложений. Полный объём диссертации составляет 123 страницы, включая 39 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований.

Глава 1. Обзор методов взаимодействия мобильных абонентов

1.1 Анализ проблем построения инфраструктуры доступа к высокоуровневым телематическим сервисам

Современные интеллектуальные транспортные системы (ИТС) предоставляют транспортным средствам высокоуровневые сервисы, такие как: прокладка маршрутов движения [1], информирование о погоде и дорожной обстановке, обновление бортового программного обеспечения, контроль состояния узлов и агрегатов автомобиля, обеспечивая безопасность движения функционирования транспортной инфраструктуры города [2].

Решение проблемы создания инфраструктуры удаленного доступа к высокоуровневым сервисам вдоль транспортной магистрали является одной из важнейших задач [3]. Для стран с обширной территорией, таких как Российская Федерация, решение проблемы покрытия транспортных магистралей беспроводными сетями [4] позволит повысить безопасность водителей и пассажиров, обеспечить комфорт их передвижения, своевременно сигнализировать экстренным службам о возникших авариях [5] и инцидентах на дорогах, а также снизить количество вредных выбросов [6]. Указанные цели будут достигнуты за счет надежной передачи информации между мобильными и стационарными абонентами, высокоскоростной передачи медиа-данных, поддержки ^-телефонии, обеспечения доступа к мультимедийной информации, отправки данных о состояниях агрегатов автомобиля [7].

Создание сетей передачи данных на основе существующих беспроводных каналов осложняется тем, что множество магистралей проходят через пункты в которых отсутствует или затруднен доступ к глобальной сети посредством операторов сотой связи [8].

Создание выделенных сетей передачи данных вдоль всех магистралей в пределах страны требует огромного количества ресурсов, как материальных так и человеческих. Спутниковые каналы связи обладают существенными ограничениями связанными с задержками и асинхронным каналом связи, а также являются дорогим решением для оснащения каждого участника дорожного движения.

Таким образом одним из способов увеличения количества сетей является использование стандартов семейства 802.11 [9]. Данные стандарты предписывают создание высокоскоростных беспроводных сетей, между мобильными абонентами. Абонентами могут являться как стационарные узлы, являющиеся точками доступа, инфраструктурные узлы, являющиеся элементами «умной дороги», а также мобильные абоненты, выступающие в качестве подвижных ретрансляторов. «Умная дорога» включает в себя: светофоры, дорожные знаки, пункты контроля, системы оплаты проезда.

Широкополосные беспроводные сети в настоящее время являются одним из основных направлений развития телекоммуникационных технологий. Современные научные работы в сфере телекоммуникаций посвящены: исследованию архитектуры, оптимизации [10] параметров: отказоустойчивости, надежности, методам оценки сетевых технологий. Таким образом для развития технологий беспроводного доступа должен быть решен ряд задач. В частности задача размещения базовых станций беспроводной сети по критерию максимального покрытия трассы [11]. Исходными данными в данной задаче являются статистика трафика от стационарных и мобильных абонентов. Схожая задача решается в [12], где используется аналитическая модель описания максимального покрытия территории с ограничением задержек, для решения используется генетический алгоритм.

Для размещения базовых станций участвующих в mesh-сетях учитываются параметры дорожного трафика, которые рассмотрены в работе [13]. Авторами был предложен алгоритм расширения и раскраски в комбинаторно-оптимизационной задаче максимизации вероятностей связности узлов графа.

Варианты использования инфраструктурного стандарта 802.11р входящего в подмножество стандартов 802.11 рассматриваются в работе [14], где представлена модель, позволяющая анализировать задержки и скорость передачи данных на автомагистралях. Работа показывает, что эффективными стратегиями использования данного стандарта являются только те, которые подразумевают прямую видимость абонентов и инфраструктурной базовой станции.

В работе [15] описывается система оценивающая длительность передачи данных по установленным соединениям, основываясь на собранных заранее статистических данных о телематической обстановке и топологии сети передачи данных. Предлагается вариант расстановки базовых станций и серия экспериментов, показывающих повышение надежности и времени соединений [16].

Расположение базовых станций в пределах городских дорог с целью отправки сообщений движущимся транспортным средствам рассматривается в статье [17]. Предлагается схема размещения точек доступа без априорной информации о маршрутах движения транспортных средств. Следующая проблема актуальная в городских условиях, описана в статье [18]. Проблема состоит в наличии большого количества полос, развязок и съездов, которые покрывают дорожную карту города. В таких условиях предлагаются различные варианты доставки сообщений, напрямую к базовой станции или посредством ретрансляций мобильными абонентами. В статье сформулирована проблема размещения станций с использованием модели целочисленного линейного программирования, таким образом, чтобы пропускная способность сети была максимальной. Моделирование сети осуществлялось с использованием симулятора NS-2.

Технологии проектирования структуры беспроводной сети могут быть основаны на двух принципах: использование базовых станций, основанные на стандартах 802.11a/b/g/n/ac или создание децентрализованных ячеистых топологий, таких как mesh-сети использующие стандарты 802.1 802.1 ^ или DSRC. В первом случае доставка пакетов осуществляется непосредственно от абонента до точки доступа, во втором случае любой абонент сети, как мобильный так и стационарный является ретранслятором или подвижным маршрутизатором пакетов и может являться промежуточным узлом в цепочке передачи данных к стационарной точке доступа.

Сети стандарта 802.1 ^ рассматриваются в статье [19]. В данной статье подвижные узлы используют маршрутизаторы для передачи данных посредством передачи через нескольких абонентов. В статье говорится, что стандартный механизм доступа MCCA требует коррекции, т.к. не обеспечивает доступа к разделяемой среде пропорционально нагрузке. Предложенный авторами алгоритм позволяет менять параметры точек доступа в зависимости от интенсивности трафика. Такая схема проиллюстрирована посредством имитационного моделирования.

Статья [20] рассматривает mesh-сети, развернутые в рамках городской среды. Представленные результаты показывают, как производительность сети изменяется в следствие роста количества абонентов и ретрансляторов в mesh-сети.

Преимущества mesh-сетей с древовидной топологией, обеспечивающей низкую задержку рассмотрены в [21]. Авторами производится сравнение линейных и древовидных топологий, приводятся практические результаты по выбору антенн и проводится сравнение производительности для сети из 14-ти узлов.

В работе отечественных авторов [22] приводится методология описывающая, попытки проектирования беспроводных сетей на основе стандарта 802.11п вдоль автомобильных магистралей. В статье приведены данные за трехлетний период эксплуатации сети для передачи мультимедийной информации вдоль окружной дороги города Казань. Одним из вариантов дополнительного повышения устойчивости сетевых соединений является использование специализированных прокси-серверов [23].

В работе [24] рассмотрена автомобильная сеть, связь в которой осуществляется по стандарту 802.11р. Для увеличения времени доступа к таким базовым станциям авторами предлагается организовывать предварительную рассылку информации о радиусах действия и местах нахождении базовых станций. Методы позволяющие дополнительно повысить эффективность таких рассылок описаны в статье [25]. Предложенные методы учитывают время соединения, типы каналов и расстояние между транспортными средствами и базовыми станциями в городской среде. В работе представлены результаты имитационного моделирования.

Подключение к локальным беспроводным сетям затруднено для абонентов, движущихся на высоких скоростях. Авторы статьи [26] предлагают одновременно использовать технологии 802.11 и 802.16, реализуя многоуровневую архитектуру сети. Также они предлагают использовать специализированные прокси-сервера для улучшения QoS. В работе представлена распределенная архитектура прокси-серверов и описание разработанных протоколов.

Схожие системы, осуществляют роуминг между сетями сотовых операторов и сетей стандарта 802.11 применительно к абонентам дорожной инфраструктуры, этот подход описан в статье [27]. Предложенная система состоит из двух уровней: уровня установки соединений и уровня проксирования и управления соединениями.

Технологии совместного доступа к разделяемым беспроводным ресурсам описаны в [28]. Авторы предлагают реализацию адаптивной беспроводной системы связи, позволяющей использовать канал связи 802.16(WiMax) между несколькими абонентами [29]. Таким образом, устройство обладающее подключением к двум каналам связи становится маршрутизатором, а остальные устройства

подключающиеся через канал 802.11 становятся абонентами. Авторы статьи предложили систему динамического распределения ролей между абонентами.

Другим вариантом объединения беспроводных технологий является объединения 802.16(WiMax) и 802.1 ^ DSRC [30]. Авторы проводят серию экспериментов имитационного моделирования, где демонстрируют существенное увеличение времени доступности и производительности системы по сравнению с системами использующими только одну технологию подключения к сети. Чтобы оценить производительность существующих и разрабатываемых телекоммуникационных систем используются методы математического и имитационного моделирования. Оцениваются скорость и задержки при передачи пакетов, а также количество потерь при передачи между узлами сети.

В работах [31; 32] входящий поток пакетов между мобильными абонентами описывается Пуассоновским распределением, полученные результаты позволяют оценить производительность при проектировании широкополосных беспроводных сетей вдоль транспортных магистралей.

Сложные модели трафика основаны использовании MAP-процессов. Такие модели позволяют учитывать коррелированный нестандартный характер информационных процессов в телекоммуникационных сетях [33].

При оценках производительности сетей в статье [34] оценивается вероятность блокировки сообщений от новых абонентов в автомобильном потоке. Для расчета вероятности блокировки использована модель системы массового обслуживания с интенсивностью пуассоновского входного потока, зависящей от времени. В работе [35] описываются и сравниваются системы имитационного моделирования OPNET и №-3.

Представленный обзор работ позволяет оценить степень развития области телекоммуникационных технологий применительно к мобильным беспроводным сетям передачи данных. Позволяет оценить степень развитости покрытия дорожных трасс глобальными сотовыми и локальными беспроводными сетями. Рассмотрены способы размещения базовых и инфраструктурных станций вдоль транспортных магистралей. Рассмотрены классы протоколов 802.11, 802.16 и ЦГБ. Рассмотрены различные способы построения сетей, использующих имитационное и математическое моделирование. Такие способы позволяют произвести оценку характеристик сети без построения на реальном оборудовании, и рассмотреть более общие варианты решения.

Отсутствие стабильного покрытия автотрасс сетями 2G/3G/4G, используемыми для обеспечения доступа к внешним облачным сетевым сервисам [36] и службам ЭРА-ГЛОНАС, а также невозможность оборудования каждого автомобиля средствами выхода в локальные и глобальные сети ставит задачу разработки альтернативных методов передачи данных в мобильных сетях. Главным требованием к этим методам является обеспечение каждого мобильного абонента ИТС надежным доступом к глобальным сетевым сервисам [37] во время движения на любом участке автотрассы.

Проблемы, возникающие при построения инфраструктуры доступа к высокоуровневым сервисам:

- разнородность беспроводных технологий, не позволяющая выполнять подключение мобильных абонентов при наличии только одной технологии беспроводного доступа у абонента;

- отличие технических характеристик беспроводных адаптеров связанное с тем, что диапазон доступных скоростей измеряется от десятков Кбит/с до десятков Мбит/с. Различные физические характеристики влияющие на задержку доступа к сервисам;

- разнородная плотность покрытия территорий. Локальные и глобальные технологии [38] имеют разную плотность покрытия, также покрытие территории одной технологией не гарантирует постоянный доступ к сервисам;

- разная стоимость подключения и использования каналов передачи данных. Стоимость базируется на политиках доступа провайдеров предоставляющих в аренду глобальные и локальные сети передачи данных и изменяется в зависимости от региона, что делает невозможным прогнозирование стоимости использования сетей передачи данных.

1.2 Сравнение технических возможностей беспроводного доступа к высокоуровневым телематическим сервисам

В настоящее время наиболее распространёнными технологиями передачи данных в беспроводных глобальных сетях являются:

- WiMAX [39; 40] (802.16de) — скорость передачи данных до 75Мбит/с, удаленность абонента до 10 км;

- ЦГЕ — обеспечивает скорость передачи до 150 Мбит/с, удаленность абонента до 30 км.

Они обеспечивают устойчивую связь абонента в зоне прямой видимости стационарной станции при скорости движения до 120 км/ч. В зонах со сложным рельефом качество связи снижается, а при отсутствии передающих станций связь пропадает. Примеры фрагментов зон покрытия беспроводными сетями приведены на рис. 1.1 и рис. 1.2.

Рисунок 1.1 — Зона покрытия сетями сотовых операторов в районе г. Москвы

Рисунок 1.2 — Зона покрытия сетями сотовых операторов в районе д. Дудкино

города Москвы

Базовым решением поставленной задачи является интеграция возможностей глобальных сетей и локальных беспроводных технологий, которая предусматривает создание мультипротокольных методов передачи сообщений [41]. Этот подход позволяет сократить нагрузку на глобальные сетевые сервисы, увеличить время устойчивой связи абонентов, повысить надежность передачи сообщений. Техническая поддержка этого решения обеспечивается совместным использованием средств организации mesh-сетей [42] на базе Wi-Fi и технологии LTE. Практическая реализация этого подхода сталкивается с рядом проблем:

- несовместимость сетевого оборудования;

- повышение издержек на внедрение новых технологий;

- обеспечение надежности и высокой скорости передачи данных.

Первая проблема решается использованием в аппаратуре сетевого оборудования общего набора сетевых стандартов и протоколов передачи данных. Совместимость стандартов обеспечивает устойчивую работу сетей на физическом, канальном и сетевом уровнях модели OSI. Другими словами, производители оборудования разрабатывают и используют универсальные реконфигурируемые интерфейсы для доступа к глобальным и локальным беспроводным сетям.

В настоящее время в корпорации Intel ведутся работы по решению этой задачи на уровне перенастроек радиопередающей системы, адаптируемой к любой среде беспроводной связи. Такой подход является существенно менее дорогим, чем реализация нескольких беспроводных интерфейсов в каждом устройстве. Работы по внедрению нескольких каналов передачи данных на ИТС ведутся такими исследовательскими компаниями как Veniam [43] при поддержке Ford, Cisco, Verizon.

Вторая проблема решается использованием оптимальных методов распределения нагрузки на сети передачи данных, позволяющих повысить эффективность использования существующих сетей.

Так, например, использование алгоритмов распределения трафика мобильной сети через хот-споты Wi-Fi, повышает пропускную способность сетей 2G/3G/4G без дополнительных инвестиций. Очевидным шагом развития интерфейсов передачи данных является внедрение «бесшовного» роуминга между сетями Wi-Fi и 2G/3G/4G с использованием технологии Hotspot 2.0 (Next Generation Hotspot — NGH), содержащей описание процедур аутентификации и эстафетной передачи. Технология NGH обеспечивает поддержку автоматического подключения к сети без необходимости дополнительной авторизации абонента.

Использование решений Wi-Fi Direct [44] позволяет обеспечить прямые Wi-Fi соединения со стандартными скоростями передачи для различных клиентских устройств, таких как: коммуникаторы, смартфоны, цифровые фото/видео камеры и др., минуя традиционные точки доступа и беспроводные маршрутизаторы. Wi-Fi Direct можно рассматривать как базу для организации беспроводных локальных сетей для исключения передачи внутреннего трафика через глобальные сети.

Третья проблема решается использованием набора стандартов 802.11. Внедрение спецификации IEEE 802.11s позволяет строить простые и недорогие сети Wi-Fi с поддержкой альтернативных маршрутов передачи данных. Развитие ячеистых (mesh) Wi-Fi сетей на базе сравнительно дешевых модулей, каждый из которых по радиоканалу соединен со всеми соседними абонентами в зоне радиовидимости, обеспечит самоорганизацию сетевых модулей и добавит способность восстановления связи при выходе из строя некоторых абонентов.

Использование спецификации IEEE 802.11v обеспечивает поддержку механизмов управления параметрами радиосети Wi-Fi для уменьшения энергопотребления, что особенно важно для эксплуатации автономных модулей, не имеющих возможности регулярной подзарядки, например, в стоящем автомобиле. В свою очередь внедрение протокола 802.11k улучшает управление радиоресурсом и позволяет в сетях Wi-Fi идентифицировать слабые сигналы в зонах неуверенного приема.

Для сеансов связи в зонах с коротким радиусом действия перспективным направлением повышения надежности передачи данных является использование частотного диапазона 60 ГГц с пиковыми скоростями передачи до 7 Гбит/с для сценариев пикосотового покрытия mesh-сетями по средствам стандарта предложенного Wireless Gigabit Alliance [45]. Перспективным развитием поддержки облачных сервисов должно стать использование высокоскоростного беспроводного доступа Wi-Fi 60 ГГц. Это решение требует одновременной поддержки базовых частотных диапазонов Wi-Fi 2.4 ГГц и 5 ГГц.

Перспективным направлением при передаче коротких сообщений между автомобилями и дорожной инфраструктурой является беспроводная технология соединения с автомобилями — DSRC [46]. В настоящее время стационарные передатчики дорожной инфраструктуры предназначены для трансляции на борт транспортного средства сообщений о дорожной обстановке. Они позволяют информировать водителей транспортных средств и дорожную инфраструктуру о

состоянии светофоров и дорожных знаков, фактах сокращения дистанций и интервалов между транспортными средствами, наличии заторов и инцидентов на дороге. Преимуществом технологии является короткое время соединения между стационарными и мобильными абонентами, высокая скорость передачи данных и поддержание стабильного соединения с абонентами, движущимися на высоких скоростях. Особенностью технологии является небольшой радиус действия одного передающего устройства — от шестисот метров до полутора километров в области прямой радиовидимости. Объединение всех устройств в единую сеть обеспечивает непрерывное соединение мобильных абонентов с дорожной инфраструктурой.

Развитие технических возможностей каждой технологии предусматривает [47]:

- уменьшение времени подключения к сети, являющегося критическим для постоянно движущихся абонентов. Это связано с тем что на большой скорости время подключения к сети может достигать нескольких секунд за которые мобильный абонент может покинуть сеть передачи данных;

- улучшение условий радиовидимости и увеличение мощности сигнала между приемо-передающими устройствами, такая техническая возможность необходима в городской среде из-за радиочастотных помех и городской инфраструктуры;

- увеличение пропускной способности, необходимой для предоставления новых информационных услуг сервисов связанных с повышенным объемом передаваемых данных в единицу времени;

- совместимость с различными технологиями передачи данных, необходимую для создания обратной совместимости между старыми технологиями, чтобы избежать необходимости переоснащения всех мобильных абонентов новыми средствами связи.

Высокая скорость изменения топологии в мобильных гетерогенных [48] сетях передачи данных является главной проблемой при маршрутизации данных, что требует постоянной актуализации путей передачи данных между точками доступа и мобильными абонентами, которые подключаются к существующей сетевой инфраструктуре [49]. Для решения этой проблемы используются специализированные протоколы динамической маршрутизации сетевого уровня, разработанные специально для сетей с малым временем существования, такие как: DSDV, В.А.Т.М.А.К, HWMP, OLSR, AODV.

В условиях высокой динамики и одновременного применения несколько технологий передачи данных, исследование времени конвергенции сети, то есть реакции протокола на изменение топологии сети становится актуальным.

Особо остро проблема конвергенции сети встанет при массовом использовании мультипротокольных узлов в перспективных интеллектуальных транспортных системах, что обуславливает необходимость выработки рекомендаций о применении протоколов динамической маршрутизации сетевого уровня.

Исследование характеристик протоколов маршрутизации позволит обосновать применимость протоколов в мобильных динамичных ИТС при движении в городской среде.

Основными работами, связанными с исследованием протоколов динамической маршрутизации, являются работы [50] и [51]. Авторы данных работ рассматривают низкоуровневые характеристики протоколов в ad-hoc сетях, такие как: объем служебного трафика при передачи данных, время задержки при передачи служебных пакетов. В работе [50] авторами проводилось сравнение протоколов OLSR и B.A.T.M.A.N. по критериям среднего времени передачи файлов и отправки множества ICMP запросов, в работе используются экспериментальные Wi-Fi сети. В работе [51] авторами проверяется качество доставки сообщений, время конвергенции сети и нагрузка на сеть передачи данных в процессе работы протоколов OLSR, DSR и B.A.T.M.A.N. в мобильной сети построенной внутри здания.

Пример информационного взаимодействия абонентов с облачным сервисом в условиях отсутствия прямого доступа к облачным сервисам в ИТС приведен на рис. 1.3. В данном сценарии у абонента и\ отсутствуют каналы связи для до-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Глазунов Вадим Валерьевич, 2018 год

Список литературы

1. Realtime vehicle routes optimization by cloud computing in the principle of TCP/IP / M. Cai [и др.] // Service Systems and Service Management (ICSSSM), 2013 10th International Conference on. — 07.2013. — С. 113—118.

2. GPS and Map matching based vehicle accident detection system / M. S. Amin [и др.] // 2013 IEEE Student Conference on Research and Developement. —

12.2013. —С. 520-523.

3. Ndashimye E., Sarkar N. I., Ray S. K. A Novel Network Selection Mechanism for Vehicle-to-Infrastructure Communication // 2016 IEEE 14th Intl Conf on Dependable, Autonomic and Secure Computing, 14th Intl Conf on Pervasive Intelligence and Computing, 2nd Intl Conf on Big Data Intelligence and Computing and Cyber Science and Technology Congress(DASC/PiCom/DataCom/CyberSciTech). - 08.2016. - С. 483-488.

4. Ayvaz K., Kurtarangil E., Canberk B. A relay-based coverage area model for optimal connectivity in vehicular networks // Communications and Networking (BlackSeaCom), 2014 IEEE International Black Sea Conference on. —

05.2014. —С. 129-133.

5. On the structure and evolution of vehicular networks / G. Pallis [и др.] // Modeling, Analysis Simulation of Computer and Telecommunication Systems, 2009. MASCOTS '09. IEEE International Symposium on. — 09.2009. — С. 1-10.

6. Road traffic efficiency and safety improvements trends / V. Glazunov [и др.] // ICINCO 2013 - Proceedings of the 10th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. — 2013. — Т. 2. — С. 439—446.

7. Emotive Driver Advisor System (EDAS) / O. Gusikhin [и др.] // Informatics in Control, Automation and Robotics. Т. 89 / под ред. J. Cetto, J.-L. Ferrier, J. Filipe. — Springer Berlin Heidelberg, 2011. — С. 21—36. — (Lecture Notes in Electrical Engineering).

8. Vishnevsky V. Polling Systems Theory and Applications for Broadband Wireless Networks. — Saarbrücken : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012.

9. IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks-Specific requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications - Redline // IEEE Std 802.11-2012 (Revision of IEEE Std 802.11-2007) - Redline. — 2012. — Март. — С. 1—5229.

10. Cloud-Based Velocity Profile Optimization for Everyday Driving: A Dynamic-Programming-Based Solution / E. Ozatay [и др.] // Intelligent Transportation Systems, IEEE Transactions on. — 2014. — Дек. — Т. 15, № 6. — С. 2491—2505.

11. Brahim M. B., Drira W., Filali F. Roadside units placement within city-scaled area in vehicular ad-hoc networks //2014 International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE). - 11.2014. - С. 1010-1016.

12. Roadside Unit Deployment for Information Dissemination in a VANET: An Evolutionary Approach / E. S. Cavalcante [и др.] // Proceedings of the 14th Annual Conference Companion on Genetic and Evolutionary Computation. — Philadelphia, Pennsylvania, USA : ACM, 2012. - С. 27-34. - (GECCO '12).

13. A Connectivity-based Strategy for Roadside Units Placement in Vehicular Ad Hoc Networks / H.-q. Liu [и др.] // International Journal of Hybrid Information Technology. — 2014. — Янв. — Т. 7, № 1. — С. 91—108.

14. Deploying Roadside Units in Sparse Vehicular Networks: What Really Works and What Does Not / A. B. Reis [и др.] // IEEE Transactions on Vehicular Technology. — 2014. — Июль. — Т. 63, № 6. — С. 2794—2806.

15. Lee /.Design of a Network Coverage Analyzer for Roadside-to-Vehicle Telematics Networks // 2008 Ninth ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking, and Parallel/Distributed Computing. — 08.2008. — С. 201—205.

16. Lee J., Kim C. M. A Roadside Unit Placement Scheme for Vehicular Telematics Networks // Advances in Computer Science and Information Technology / под ред. T.-h. Kim, H. Adeli. — Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2010. — С. 196-202.

17. Roadside Infrastructure Placement for Information Dissemination in Urban ITS Based on a Probabilistic Model / B. Xie [и др.] // Network and Parallel Computing / под ред. C.-H. Hsu [и др.]. — Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2013. —— С. 322-331.

18. Wu T. J., Liao W, Chang C. J. A Cost-Effective Strategy for Road-Side Unit Placement in Vehicular Networks // IEEE Transactions on Communications. — 2012. - Авг. - Т. 60, № 8. - С. 2295-2303.

19. Bisnik N., Abouzeid A. Delay and Throughput in Random Access Wireless Mesh Networks // 2006 IEEE International Conference on Communications. Т. 1. — 06.2006. - С. 403-408.

20. Chakraborty S., Nandi S. IEEE 802.11s Mesh Backbone for Vehicular Communication: Fairness and Throughput // IEEE Transactions on Vehicular Technology. — 2013. — Июнь. — Т. 62, № 5. — С. 2193—2203.

21. Mesh-tree topology for vehicular networks / S. Karunagaran [и др.] // 2009 5th International Conference on Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks Communities and Workshops. — 04.2009. — С. 1—7.

22. Новое поколение систем безопасности на автодорогах и их применение в интеллектуальных транспортных системах / В. М. Вишневский [и др.] // Информационные технологии и вычислительные системы. — 2013. — № 4. - С. 80-89.

23. Wu Q., Zheng J.Performance modeling of IEEE 802.11 DCF based fair channel access for vehicular-to-roadside communication in a non-saturated state // 2014 IEEE International Conference on Communications (ICC). — 06.2014. — С. 2575—2580.

24. Campolo C., Molinaro A. On vehicle-to-roadside communications in 802.11p/WAVE VANETs // 2011 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. — 03.2011. — С. 1010—1015.

25. Augmenting Vehicle-to-Roadside connectivity in multi-channel vehicular Ad Hoc Networks / C. Campolo [и др.] // Journal of Network and Computer Applications. — 2013. — Т. 36, № 5. — С. 1275—1286.

26. Krohn M., Unger H., Tavangarian D. A Distributed Proxy System for High Speed Clients // Advances in Computer Science and Engineering / под ред. H. Sarbazi-Azad [и др.]. — Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2009. — С. 404-411.

27. Milata M., Krumnikl M., Moravec P. On the Usability of Vehicle-to-Roadside Communications Using IEEE 802.11b/g Unplanned Wireless Networks // Digital Information Processing and Communications / под ред. V. Snasel, J. Platos, E. El-Qawasmeh. —— Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2011. —— С. 167—177.

28. Niyato D., Hossain E., Issariyakul T. An Adaptive WiFi/WiMAX Networking Platform for Cognitive Vehicular Networks // Cognitive Radio Mobile Ad Hoc Networks / под ред. F. R. Yu. — New York, NY : Springer New York, 2011. — С. 311—334.

29. Mobile WiMAX Assessment in Sub-urban Area to Support TV Broadcasting / N. COELHO [и др.] //11th Annual IEEE International Symposium on Consumer Electronics (ISCE 2007). — 2010.

30. Doyle N. C., Jaber N. R., Tepe K. E. Complete architecture and demonstration design for a new combined WiMAX/DSRC system with improved vehicular networking efficiency // Ad Hoc Networks. — 2013. — Т. 11, № 7. — С. 2026—2048. — Theory, Algorithms and Applications of Wireless Networked Robotics Recent Advances in Vehicular Communications and Networking.

31. Вишневский В. М., Ларионов А. А., Семёнова О. В. Оценка производительности высокоскоростной беспроводной тандемной сети с использованием каналов сантиметрового и миллиметрового диапазона радиоволн в системах управления безопасностью дорожного движения // Проблемы управления. — 2013. ^№4.^С. 50—56.

32. Вишневский В. М., Ларионов А. А., Целикин Ю. В. Анализ и исследование методов проектирования автоматизированных систем безопасности на автодорогах с использованием новых широкополосных беспроводных средств и RFID технологий // T-COMM: Телекоммуникации и транспорт. — 2012. — № 7. — С. 48—54.

33. Boucherie R. J., Wal J. van der Transient handover blocking probabilities in road covering cellular mobile networks // Computer Networks. — 2003. — Т. 42, № 4. — С. 537—550.

34. Khabbaz M. J., Fawaz W. F., Assi C. M. Modeling and Delay Analysis of Intermittently Connected Roadside Communication Networks // IEEE

Transactions on Vehicular Technology. — 2012. — Июль. — Т. 61, № 6. — С. 2698-2706.

35. Enabling Accurate Cross-Layer PHY/MAC/NET Simulation Studies of Vehicular Communication Networks / J. Mittag [и др.] // Proceedings of the IEEE. — 2011.— Июль. — Т. 99, № 7. — С. 1311—1326.

36. Dynamic access control in cloud services / V. Zaborovsky [и др.] // Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2011 IEEE International Conference on. — 2011. —С. 1400-1404.

37. Fog computing and its role in the internet of things / F. Bonomi [и др.] // Proceedings of the first edition of the MCC workshop on Mobile cloud computing. — Helsinki, Finland : ACM, 2012. — С. 13—16. — (MCC '12).

38. Gramaglia M., Bernardos C. J., Caldero'n M. Seamless internet 3G and opportunistic WLAN vehicular connectivity // EURASIP J. Wireless Comm. and Networking. — 2011. — С. 183—183.

39. Вишневский В. М., Портной С. Л., Шахнович И. В. Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. — Москва : Техносфера, 2009. — 472 с.

40. Msadaa I. C., Cataldi P, Filali F. A Comparative Study between 802.11p and Mobile WiMAX-based V2I Communication Networks // Proceedings of the 2010 Fourth International Conference on Next Generation Mobile Applications, Services and Technologies. — Washington, DC, USA : IEEE Computer Society, 2010. — С. 186-191.-(NGMAST'10).

41. Prototyping telematic services in a wireless vehicular mesh network environment / C. Olariu [и др.] // Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), 2012 IEEE. — 2012. — С. 371—376.

42. Ghamri-Doudane Y., Szczechowiak P., Murphy S. Vehicular mesh networks for infotainment content delivery: The Carmesh perspective // Global Information Infrastructure and Networking Symposium (GIIS), 2012. — 2012. — С. 1—6.

43. Content distribution emulation for vehicular networks / G. Pessoa [и др.] // 2017 Wireless Days. — 03.2017. — С. 208—211.

44. Yoon H., Kim J. Collaborative streaming-based media content sharing in WiFi-enabled home networks // IEEE Trans. on Consum. Electron. — Piscataway, NJ, USA, 2010. - Нояб. - Т. 56, № 4. - С. 2193-2200.

45. Heller B. The Quest for Wireless Gigabit: Recent Advances in the Wireless Physical Layer [Электронный ресурс]. — 2006. — URL: http://www.cse.wustl. edu/~jain/cse574-06/ftp/phy_trends.pdf (дата обр. 15.03.2013).

46. Vehicular Communications Using DSRC: Challenges, Enhancements, and Evolution / X. Wu [и др.] // Selected Areas in Communications, IEEE Journal on. — 2013. — Сент. — Т. 31, № 9. — С. 399-408.

47. Internet of vehicles: From intelligent grid to autonomous cars and vehicular clouds / M. Gerla [и др.] // Internet of Things (WF-IoT), 2014 IEEE World Forum on. — 03.2014. — С. 241—246.

48. Heterogeneous Vehicular Networking: A Survey on Architecture, Challenges, and Solutions / K. Zheng [и др.] // Communications Surveys Tutorials, IEEE. — 2015. — Fourthquarter. — Т. 17, № 4. — С. 2377—2396.

49. Seamless Connectivity and Routing in Vehicular Networks with Infrastructure / S. Annese [и др.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 2011. — Март. — Т. 29, № 3. — С. 501—514.

50. Murray D., Dixon M., Koziniec T. An experimental comparison of routing protocols in multi hop ad hoc networks //2010 Australasian Telecommunication Networks and Applications Conference. — 10.2010. — С. 159—164.

51. Abolhasan M., Hagelstein B., Wang J. C. P. Real-world performance of current proactive multi-hop mesh protocols // 2009 15th Asia-Pacific Conference on Communications. — 10.2009. — С. 44—47.

52. Издание Интеллектуальной транспортной системы города Москвы [Электронный ресурс]. — 2017. — URL: http : // www. gucodd. ru/ index. php / component/content/article/58 (дата обр. 15.09.2017).

53. Prashant Trivedi Kavita Deshmukh D. M. S. Cloud Computing for Intelligent Transportation System // International Journal of Engineering and Innovative Technology(IJEIT). — 2012. — С. 50—54.

54. Adage mobile services for ITS infrastructure / V. Zaborovskiy [и др.] // ITS Telecommunications (ITST), 2013 13th International Conference on. — 2013. — С. 127—132.

55. Глазунов В. В., Курочкин М. А., Курочкин Л. М. Среда моделирования избыточной мультипротокольной сети децентрализованного управления группой роботов в экстремальных условиях // Экстремальная робототехника. — 2013. — Т.1. — С. 405—410.

56. Государственный с. ГОСТ Р 54620-2011, Глобальная навигационная спутниковая система. Система экстренного реагирования при авариях. Автомобильная система вызова экстренных оперативных служб. Общие технические требования. — 2012. — Стандартинформ, Москва.

57. Глазунов В. В., Курочкин М. А. Исследование взаимодействия мультипро-токольной сети транспортных средств с облачной средой для передачико-ротких экстренных сообщений // Высокие интеллектуальные технологии и инновации в национальных исследовательских университетах. — 2014. — С. 55—60.

58. Abuelela M., Olariu S. Taking VANET to the Clouds // Proceedings of the 8th International Conference on Advances in Mobile Computing and Multimedia. —— Paris, France : ACM, 2010. — С. 6—13. — (MoMM '10).

59. Jain A., Singhal P. Fog computing: Driving force behind the emergence of edge computing //2016 International Conference System Modeling Advancement in Research Trends (SMART). — 11.2016. — С. 294—297.

60. Towards software-defined VANET: Architecture and services /1. Ku [и др.] // Ad Hoc Networking Workshop (MED-HOC-NET), 2014 13th Annual Mediterranean. — 06.2014. — С. 103—110.

61. Глазунов В. В., Курочкин М. А. Программно-аппаратный стенд моделирования протоколов динамической маршрутизации сетевого уровня в мобильной гетерогенной сети // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. —— 2014. — Т. 1, №4(200). — С. 29-40.

62. GPS-based preliminary map estimation for autonomous vehicle mission preparation / Y. Dupuis [и др.] // Intelligent Robots and Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ International Conference on. — 09.2014. — С. 4241—4246.

63. Новиков Ф. А. Дискретная математика для программистов. — СПб : Питер, 2008. — 384 с.

64. Шапорев С. Д. Дискретная математика. Курс лекций и практических занятий. — СПб : БХВ-Петербург, 2016. — 400 с.

65. Ахо А., Хопкрофт Д., Ульман Д. Структуры данных и алгоритмы. — Москва : Вильямс, 2016. — 400 с.

66. Benslimane A., Taleb T., Sivaraj R. Dynamic Clustering-Based Adaptive Mobile Gateway Management in Integrated VANET; 3G Heterogeneous Wireless Networks // Selected Areas in Communications, IEEE Journal on. — 2011. — Т. 29, № 3. — С. 559—570.

67. Ko B., Liu K., Son S. H. Towards Efficient Data Services in Vehicular Networks via Cooperative Infrastructure-to-Vehicle and Vehicle-to-Vehicle Communications // 2016 Intl IEEE Conferences on Ubiquitous Intelligence Computing, Advanced and Trusted Computing, Scalable Computing and Communications, Cloud and Big Data Computing, Internet of People, and Smart World Congress (UIC/ATC/ScalCom/CBDCom/IoP/SmartWorld). -07.2016. —С. 82-89.

68. Cormen T. Introduction to algorithms. — Cambridge, Mass : MIT Press, 2001.

69. Dijkstra E. W. A Note on Two Problems in Connexion with Graphs // Numer. Math. - Secaucus, NJ, USA, 1959. - Дек. — Т. 1, № 1. — С. 269-271.

70. Balan M. A. An Enhanced Approach To Network Reliability Using Boolean Algebra // An Honors Thesis presented to the Departments of Computer Science and Mathematics of Lafayette College. — 2003.

71. Рябинин И. А., Черкесов Г. Н. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем. — Москва: Радио и связь, 1981. — 264 с.

72. Ito M. Probabilistic Communication Net as a Nonoriented Graph // IEEE Transactions on Reliability. — 1975. — Авг. — Т. R—24, № 3. — С. 196—198.

73. Глазунов В. В., Попов С. Г., Курочкин М. А. Метод оценки маршрутов передачи сообщений в телематических сетях транспотрных средств на основе логико-вероятностного метода // Интеллектуальные технологии на транспорте. — 2015. — Т.1. — С. 32—37.

74. Glazunov V. V., Kurochkin M. A., Popov S. G. Qualification routes messaging for dynamic systems using logical-probabilistic method // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2015. — Т. 1, №1(212). — С. 16—21.

75. Treiber M., Hennecke A., Helbing D. Congested traffic states in empirical observations and microscopic simulations // Physical Review E. — 2000. — Авг. - Т. 62. - С. 1805-1824.

76. Arbabi H., Weigle M. Highway mobility and vehicular ad-hoc networks in ns-3 // Simulation Conference (WSC), Proceedings of the 2010 Winter. — 2010. — С. 2991-3003.

77. Multiprotocol vehicle communications : patent no. 9565625 US / V. V. Glazunov [et al.]. — 2017.

78. Network-Matched Trajectory-Based Moving-Object Database: Models and Applications / Z. Ding [и др.] // IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. — 2015. — cited By 0; Article in Press.

79. IEEE 802.11s Mesh Networking NS-3 Model. — 2014. — URL: http://www. nsnam.org/workshops/wns3-2010/dot11s.pdf (visited on 03/15/2014).

80. Heterogeneous Multiprotocol Vehicle Controls Systems in Cloud Computing Environment. / V. S. Zaborovski [и др.] // ICINCO (1) / под ред. J.-L. Ferrier [и др.]. - SciTePress, 2013. - С. 555-561.

81. Instrumental environment of multi-protocol cloud-oriented vehicular mesh network / V. Glazunov [и др.] // ICINCO 2013 - Proceedings of the 10th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. — 2013. — Т. 1.-С. 568-574.

82. Cheng Y.-H., Kuo W.-K., Su S.-L. Design and implementation of heterogeneous network management algorithm // Signal Processing (ICSP), 2010 IEEE 10th International Conference on. — 10.2010. — С. 2464—2467.

83. Kutscher D., Ott /.Service Maps for Heterogeneous Network Environments // 7th International Conference on Mobile Data Management (MDM'06). — 05.2006. - С. 27-27.

84. Глазунов В. В., Курочкин М. А., Попов С. Г. Технология управления облачным сервисом телематической карты интеллектуальной транспортной системы // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2015. — Т. 1, №2-3(217-222).-С. 19-33.

85. The implementing of the Internet of things concepts for the continuous provision of informational services for vehicle drivers and passengers / S. Popov [и др.] // Telematics and Future Generation Networks, 2015 1st International Conference on. — 05.2015. — С. 1—5.

86. The Technology of Management of Data About Wireless Networks for Vehicle's Telematics Map / V. Glazunov [и др.] // Proceedings of the International Conference on Vehicle Technology and Intelligent Transport Systems. — 2016.— С. 138-143.

87. Bitam S., Mellouk A. ITS-cloud: Cloud computing for Intelligent transportation system // Global Communications Conference (GLOBECOM), 2012 IEEE. — 2012. —С. 2054-2059.

88. Methods of interaction between multiprotocol unit and telematics map cloud service / V. Glazunov [и др.] // VEHITS 2015 - Proceedings of the 1st International Conference on Vehicle Technology and Intelligent Transport Systems. - 2015. - С. 161-166.

89. Network synchronization of vehicle multiprotocol unit system clock / V. Glazunov [и др.] // Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), 2014 6th International Congress on. — 10.2014. — С. 105-110.

90. The algorithm to improve the accuracy of location data of the vehicle in the cloud / V. Glazunov [и др.] //2015 1st International Conference on Telematics and Future Generation Networks. — 05.2015. — С. 44—48.

91. Elson J., GirodL., Estrin D. Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts // Proceedings of the Fifth Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 2002). -- Boston, MA, USA, 12.2002. —С. 147-163.

92. Lamport L. Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System // Commun. ACM. — New York, NY, USA, 1978. — Июль. — Т. 21, № 7. — С. 558—565.

93. Mills D. Internet time synchronization: the network time protocol // Communications, IEEE Transactions on. — 1991.

94. On the Investigation of Cloud-Based Mobile Media Environments With Service-Populating and QoS-Aware Mechanisms / F. Sardis [и др.] // Multimedia, IEEE Transactions on. — 2013. — Т. 15, № 4. — С. 769—777.

95. The rules selection algorithm for network traffic of robot groups in intelligent transportation systems / V. V. Glazunov [и др.] // 2017 XX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM). — 05.2017. — С. 533—535.

96. Cloud traffic monitoring and control / V. Hahanov [и др.] // Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), 2013 IEEE 7th International Conference on. Т. 01. — 09.2013. — С. 244—248.

97. Iwai A., Aoyama M. Automotive Cloud Service Systems Based on Service-Oriented Architecture and Its Evaluation // Cloud Computing (CLOUD), 2011 IEEE International Conference on. — 2011. — С. 638—645.

98. Cloud computing concept for Intelligent Transportation Systems / P. Jaworski [и др.] // Intelligent Transportation Systems (ITSC), 2011 14th International IEEE Conference on. — 10.2011. — С. 391—936.

99. Глазунов В. В., Курочкин М. А. Алгоритм моделирования сетевого трафика в интеллектуальных транспортных системах // Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований. — 2014. — С. 184—186.

100. LTE4V2X: LTE for a Centralized VANET Organization / G. Remy [и др.] // Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE. — 2011. —С. 1-6.

101. Destination-sequenced distance vector (DSDV) routing protocol implementation in ns-3 / H. Narra [и др.] // Proceedings of the 4th International ICST Conference on Simulation Tools and Techniques. — Barcelona, Spain : ICST (Institute for Computer Sciences, Social-Informatics, Telecommunications Engineering), 2011. - С. 439-446. - (SIMUTools '11).

102. Salahuddin M. A., Al-Fuqaha A., Guizani M. Software-Defined Networking for RSU Clouds in Support of the Internet of Vehicles // IEEE Internet of Things Journal. — 2015. — Anp. — T. 2, № 2. — C. 133—144.

103. Prototype of the telematics map cloud service / V. Glazunov [h gp.] // Conference of Open Innovation Association, FRUCT. — 2015. — C. 50—55.

104. Timing performance of various GPS receivers / J. Mannermaa [h gp.] // Frequency and Time Forum, 1999 and the IEEE International Frequency Control Symposium, 1999., Proceedings of the 1999 Joint Meeting of the European. T. 1.- 1999.-287-290 vol.1.

105. Gusella R., Zatti S. The Accuracy of the Clock Synchronization Achieved by TEMPO in Berkeley UNIX 4.3BSD. // IEEE Trans. Software Eng. — 1989. — T. 15, № 7. — C. 847—853.

106. Determining time to traverse road sections based on mapping discrete GPS vehicle data to continuous flows / J. Miller [h gp.] // Intelligent Vehicles Symposium (IV), 2010 IEEE. — 06.2010. — C. 615—620.

107. Li C., Han X., Sun Y. Design of dynamic vehicle navigation terminal based on GPS/GPRS // Applied Mechanics and Materials. — 2014. — T. 472. — C. 237-241.-citedBy 1.

108. GPS and Map matching based vehicle accident detection system / M. Amin [h gp.] // Proceeding - 2013 IEEE Student Conference on Research and Development, SCOReD 2013. — 2015. — C. 520—523. — cited By 0.

109. Hardware and Software Equipment for Modeling of Telematics Components in Intelligent Transportation Systems / V. Glazunov [h gp.] // 14th International Conference, NEW2AN 2014 and 7th Conference, ruSMART 2014, St. Petersburg, Russia, August 27-29, 2014. Proceedings. — Cham : Springer International Publishing, 2014. — C. 598—608.

110. An experimental comparison of dynamic routing protocols in mobile networks / V. Glazunov [h gp.] // ICINCO 2014 - Proceedings of the 11th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. — 2014. — T. 2. — C. 775—782.

111. On the evaluation of make-before-break handovers in urban WiFi networks for moving vehicles / M. Mouton [и др.] // 2013 10th Annual Conference on Wireless On-demand Network Systems and Services (WONS). — 03.2013. — С. 170-177.

112. Глазунов В. В. Исследование протоколов маршрутизации OLSR и

B.A.T.M.A.N. в мобильных транспортных сетях // Научный форум с международным участием XLIII «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПБПУ». — 2014. —

C. 98-103.

113. Глазунов В. В., Попов С. Г., Курочкин Л. М. Моделирование потока неотложных сообщений между облачным сервисом и MESH сетью мобильных роботов и других транспотрных средств // Робототехника и техническая кибернетика. — 2015. — Т. 1. — С. 60—65.

114. Реализация алгоритма выбора правил сетевого взаимодействия групп роботов в интеллектуальных транспортных системах / В. В. Глазунов [и др.] // Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям. — 2017.-Т. 2.-С. 191-194.

115. Zaborovsky V., Gorodetsky A., Muljukha V. Internet Performance: TCP in Stochastic Network Environment // Evolving Internet, 2009. INTERNET '09. First International Conference on. — 08.2009. — С. 21—26.

Приложение А Схема программно-аппаратного стенда

Рисунок А.1 — Общая схема программно-аппаратного стенда для исследования

протоколов динамической маршрутизации

Приложение Б Описание структур взаимодействия компонентов

Описание структур взаимодействия компонентов системы управления соединениями в формате Protobuf.

import "timestamp.proto";

message AppRequest {

required string function name for this request 5 required uint32 bandwidth the application

enum Prio { LOW = 0; MEDIUM = 1;

10 HIGH = 2;

}

required Prio local_priority = 3; //defined in application adn ^ converted into global priority

enum Dir { 15 UPLOAD = 0;

DOWNLOAD = 1; BIDIRECTIONAL = 2;

}

required Dir direction = 4; //traffic direction

20

enum TrafficType { HTTP = 0; MQTT = 1; UNKNOWN = 2;

25 }

required TrafficType traffic_type = 5; //traffic type

}

enum ChannelsPolicy { 30 BACKUP = 0;

AGGREGATION = 1;

}

= 1; //this defines applicatiuon functions = 2; //minimal required bandwidth for ^

message PolicyRequest {

required string function = 1; //Defines function name to extend s

application request optional string app_name = 2; //Application name which utilize s this policy

optional Timestamp start_time = 3; //Initial border time to start s sheduling data transfer (default = now) 40 optional Timestamp end_time = 4; //Upper border limit to end data s transfer (default no EOT) optional bool overtime = 5 [default = false]; //This request s available after EOT

optional ChannelsPolicy channel_policy = 6 [default = AGGREGATIONS ]; //Channel using policy

repeated NetworkDevice devices = 7; //Array with allowed devices s utilizes policy

//remove it

message AppRequestExt { 50 required AppRequest app = 1;

required PolicyRequest pol = 2;

//Array with policy requests 55 message AllPolicyRequests {

repeated PolicyRequest policy = 1;

enum MsgType { 60 ADD = 0;

DELETE = 1; CHECK = 2;

65 //internal messages to exchange messages from application —> s connection manager message MsgRequest {

// optional PolicyRequest policy_request = 1; //required to ADD news' msg

required MsgType msg = 1;

70 optional AppRequest request = 2; //required to ADD new msg

optional int64 request_id = 3; //required for DELETE and CHECK msg optional string function = 4; //temp for deletion

75 //internal messages to exchange messages from connection manager —>s application message MsgResponse {

// optional PolicyRequest policy_request = 1; //required to ADD news' msg

required MsgType msg = 1; 80 optional int64 request_id = 2; //return registered application s Request ID in database after(ADD) optional int32 status = 3; //status of Request ID (CHECK or DELETES'

)

85 //All networks types available in scheduler or in real system enum NetworkType { WIFI = 0; LTE = 1; BT = 2; 90 DSRC = 3;

//Interface property includes technology cost and priorty message NetworkDevice {

95

required NetworkType type = 1; //Interface technology type required uint64 cost = 2; // traffic cost in cents(lower is betters' ). This describe how much money we can spent when utilize this s request.

required uint32 priority = 3; //interface priority (greater is s better)

100

//Used in Resource class message Interface {

required NetworkType type = 1; //Interface technology type required int64 bandwidth = 2; //Current available bandwidth for s' the interface in Kbit/s 105 optional int32 delay = 3; //Delay for this interface (ms)

optional string physical_interface_id = 4; //OS interface s' repsentation for same types

message Interfaces { 110 repeated Interface interface = 1;

//Resulted technology rules message Technology { 115 required NetworkType type = 1; required bool enabled = 2;

optional string physical_interface_id = 3; //OS interface s' representation for same types

//Describe one object after scheduling algorithm for one Request. s Connman like oriented output 120 message SchedulingResult {

required Timestamp start_time = 1; required Timestamp end_time = 2; required int64 request_id = 3;

125 repeated Technology active_interfaces = 4; //preferred technology s will be first

required ChannelsPolicy interface_policy = 5; //may be AGGREGATIONs'

or BACKUP. Applied for all available technologies. repeated int32 ports = 6; //Netfilter ACCEPT port numbers to the s' server

130 message SchedulingResults {

repeated SchedulingResult result = 1;

Приложение В Схема базы данных мультипротокольного узла

Рисунок В.1 — Локальная схема базы данных мультипротокольного узла

Приложение Г

Пример класса реализующего политику планирования по приоритету

10

15

20

25

//rule1. h

#include "rule_abstract.h"

static bool compare_device_priority(const NetworkDevice *d1, const

NetworkDevice *d2); static const float MPTCP_MULTIPLY = 0.7; //efficient percentage with using MPTCP. Limit [0;1]. Used when summarize BW

class Rule1 : public RuleAbstract {

public:

SchedulingResult *process_rule(vector< Request* > &requests, Resources &res);

};

//rule1.cpp #include "rule1.h"

static bool compare_device_priority(const NetworkDevice *d1, const NetworkDevice *d2)

{

return d1—>priority() > d2—>priority();

}

SchedulingResult *Rule1::process_rule(vector< Request* > &requests , /*const*/ Resources &res)

{

long long int current_time = time(NULL); //Cleaning up old requests

for(auto it = requests.begin(); it != requests.end(); it++) {

Request *req = *it;

if(req—>policy.has_end_time() &&

(req—>policy.end_time().seconds() < current_time) && !req—> policy.overtime())

{

it = requests.erase(it);

}

5

40

45

50

55

60

65

//Result array with actual requests vector<Request*> r1;

for(auto it = requests.begin(); it != requests.end(); it++) {

Request *req = *it;

//We don't need end_time checking, because overtime requests

already deleted if(req—>policy.start_time().seconds() <= current_time) r1.push_back(req);

}

if(r1.empty())

return nullptr; //Currently no requests. Exiting... //Result array with max priority requests vector<Request*> r2;

//AppRequest::Prio prio = AppRequest::HIGH; int i;

for(AppRequest::Prio prio = AppRequest::HIGH; prio >=

static_cast<int>(AppRequest::LOW); i = static_cast<int>(prio)

, —i, prio = static_cast<AppRequest::Prio>(i))

{

for(auto it = r1.begin(); it != r1.end(); it++) {

Request *req = *it;

if(req—>app.local_priority() == prio) r2.push_back(req);

}

//Found requests with higher id if (!r2.empty() )

break;

}

if(r2.empty() )

return nullptr; //Currently no requests. Exiting... SchedulingResult *result = new SchedulingResult; //Get first request from r2 Request *req = r2.at(0); current_time = time(NULL);

result—>mutable_start_time()—>set_seconds(current_time); //start NOW

*result—>mutable_end_time() = req—>policy.end_time(); //copy

from policy result—>set_request_id(req—>id());

result—>set interface policy(req—>policy.channel policy());

75

80

85

90

95

100

105

int port = 0;

switch(req—>app.traffic_type() ) {

case AppRequest::HTTP: port = 3000; break;

case AppRequest::MQTT: port = 3001;

break; default:

LOG(INFO) << "Unknown traffic type"; return nullptr;

}

//Add allowed port by policy result—>add_ports(port);// = port; //Process devices in policy: vector<const NetworkDevice*> dev;

for(int i = 0; i < req—>policy.devices_size(); i++) {

dev.push_back(&req—>policy.devices(i)) ;

}

//sort devices by priority

sort(dev.begin(), dev.end(), compare_device_priority);

//If user request AGGREGATION we can sum all available bandwidth

in system unsigned int system_bw = 0;

if(req—>policy.channel_policy() == AGGREGATION) {

Interfaces *inter = res.get_all_interfaces();

for(int j = 0; j < inter—>interface_size(); j++) {

bool allowed = false;

//calculate only by allowed interfaces in this policy for(int i = 0; i < dev.size(); i++)

if (inter—>interface(j).type() == dev.at(i) —>type()) {

allowed = true; break;

}

if(allowed)

system_bw += inter—>interface(j).bandwidth();

}

system_bw * = MPTCP_MULTIPLY;

}

for(int i = 0; i < dev.size(); i++)

120

125

130

135

Interfaces *inter = res.get_all_interfaces();

for(int j = 0; j < inter—>interface_size(); j++) {

if(inter—>interface(j).type() == dev.at(i)—>type

}

{

}

//First rule: If BACKUP policy and requested bw less than

available on the system interface //Second rule: If AGGREGATION policy and requested bw less

than available on all system interface if(((req—>policy.channel_policy() == BACKUP) &&

(req—>app.bandwidth() <= inter—>interface(j).bandwidth() )) //first rule || (req—>policy.channel_policy() == AGGREGATION && (req—>app.bandwidth() <= system bw)) //second rule

{

)

//Found available technology in resources, adding to result plan

Technology *tech = result—>add_active_interfaces(); tech—>set_type(dev.at(i)—>type()); tech—>set_enabled(true);

tech—>set_physical_interface_id(inter—>interface(j). physical interface id());

LOG(INFO) << "Resulted plan is: () << endl << "End of plan"; return result;

<< endl << result—>DebugString

{

}

}

Приложение Д Акты о внедрении

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВО «СПбПУ»)

Акт

О внедрении результатов диссертационной работы

Настоящий акт подтверждает, что научные и практические результаты диссертационной работы Глазунова Вадима Валерьевича «Математическое и программное обеспечение сетецентрической системы управления доступом мобильных абонентов к информационным сервисам», а именно:

- метод управления динамической сетью, алгоритмы управления ресурсами мобильного объекта и облачного сервиса телематических данных;

- дискретно-событийная имитационная модель динамической сети мобильных объектов, отличающаяся реализацией динамической маршрутизации данных между одноранговыми сетями;

- программная реализация алгоритмов и протоколов согласованного управления данными телематической карты с использованием бортового мультипротокольного узла, обеспечивающая решение задач управления в реальном масштабе времени с использованием сервиса телематической карты;

внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров направления 02.03.01 «Математика и компьютерные науки», магистров направления 02.04.01 «Математика и компьютерные науки» института прикладной математики и механики СПбПУ Петра Великого.

Общество с ограниченной ответственностью Специальное Конструкторско - Технологическое Бюро «Системы Контроля и Телематики»

ООО СКТБ «СКиТ»

Большая Садовая, д.239, г. Саратов, 410005 Тел. [phone], факс [phone] e-mail: [e-mail] http://skitlab.ru ОГРН 1116450006892, ИНН/КПП 6452067474/645201001

:ин А. А.

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы Глазунова Вадима Валерьевича

«Математическое и программное обеспечение сетецентрической системы управления доступом мобильных абонентов к информационным сервисам»

Настоящий акт свидетельствует о том, что результаты диссертационной работы Глазунова В.В. «Математическое и программное обеспечение сетецентрической системы управления доступом мобильных абонентов к информационным сервисам», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, используются в ООО СКТБ «СкиТ» при решении задач исследования временных характеристик протоколов маршрутизации в одноранговых гетерогенных сетях.

Использование результатов компьютерного и натурного моделирования сетевого трафика позволяет выбрать протоколы динамической маршрутизации для минимизации потерь данных в одноранговых сетях с ограниченным временем существования и повысить качество предоставляемых услуг абонентам.

Применение программно-аппаратной реализации мультипротокольного узла и алгоритмов объединения каналов передачи данных позволило одновременно использовать локальные и глобальные беспроводные сетевые технологии для повышения отказоустойчивость сетевого программного комплекса.

Результаты диссертационной работы Глазунова В.В. представляют практический интерес при проектировании специализированных систем управления группами автономных наземных и воздушных объектов.