Модели и методы повышения помехоустойчивости корпоративных беспроводных систем с удаленным доступом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Меняев, Ян Алексеевич

• Меняев, Ян Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Меняев, Ян Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ К ИНФОРМАЦИОННЫМ ПАРАМЕТРАМ ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ.

1.1. Общая характеристика радиоканала беспроводных вычислительных сетей.

1.2. Классификация беспроводных сетей массового назначения.

1.3. Некоторые особенности архитектуры стандарта локальных беспроводных сетей.

1.4. Основные принципы функционирования беспроводных информационных систем.

1.5. Анализ методологии физического уровня Wi-Fi.

1.6. Анализ методов кодирования и видов модуляции полезной информации

1.6.1. Методы передачи FHSS и DAR.

1.6.2. Метод передачи DSSS на скоростях 1 и 2 Мбит/с.

1.6.3. Метод передачи DSSS на скоростях 5.5 и 11 Мбит/с.

1.7. Анализ информационных характеристик физического уровня.

1.7.1. Анализ помехоустойчивости.

1.7.2. Анализ эффективной пропускной способности.

1.8. Разработка общей модели беспроводной вычислительной системы.

1.9. Анализ методов повышения помехоустойчивости беспроводных систем.

1.10. Постановка задачи исследования.

1.11. Выводы.

ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ФРАКТАЛОВ В СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1. Основные положения фрактальной теории.

2.2. Сравнительный анализ фрактальных статистик.

2.3. Метод фрактальной оценки случайных процессов.

2.4. Фрактальная модель анализа информационных сигналов.

2.5. Фрактальная модель физической среды беспроводного канала.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. УДАЛЕННЫЙ ПРИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В БЕСПРОВОДНОЙ СИСТЕМЕ.

3.1. Многолучевое распространение информационных сигналов.

3.2. Принцип корреляционной обработки широкополосных сигналов.

3.3. Модель комбинационного многолучевого приемника с фрактальным анализом канала.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНОГО МАРШРУТИЗАТОРА В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОМЕХ.

4.1. Анализ помехоустойчивости радиомаршрутизатора, содержащего раздельные буферы хранения.

4.1.1. Модель анализа приведенной беспроводной системы.

4.1.2. Стационарные характеристики приведенной беспроводной системы.

4.2. Анализ помехоустойчивости радиомаршрутизатора, содержащего общие буферы хранения.

4.2.1. Загрузка общего пула хранения заблокированных пакетов.

4.2.2. Модель анализа многоканальной беспроводной системы.

4.2.3. Стационарные характеристики многоканальной беспроводной системы.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы повышения помехоустойчивости корпоративных беспроводных систем с удаленным доступом»

Актуальность. Интенсивное развитие сетевых технологий с удаленным доступом в последние годы характеризуется существенным повышением уровня требований, предъявляемых к разработке новых, более эффективных способов передачи и приема информации в распределенных корпоративных системах. В настоящее время значительно расширился круг задач, решаемых техническими ресурсами корпоративных сетей по обеспечению максимальной пропускной способности с гарантированным качеством. В первую очередь это обусловлено активным развитием сетевых технологий с интеграцией услуг, требующих от каналов связи оптимальной производительности.

Развитие корпоративных сетей с удаленным беспроводным доступом предполагает совершенствование методов передачи и приема данных, прежде всего, на физическом уровне. Одна из главных проблем беспроводного способа соединений заключается в том, что информационный канал не может быть ограничен физически от влияния шумов и помех. Это обусловлено тем, что радиоканал изначально является информационной средой с открытым распространением. Поэтому, для осуществления беспроводных сеансов связи требуются более надежные способы выполнения соединений, в отличие от кабельных технологий удаленного доступа.

Анализ условий функционирования систем рассматриваемого типа показывает, что довольно важными, в этой связи, становятся вопросы проектирования приемопередающих устройств, от работы которых зависит результирующее качество функционирования узлов беспроводной вычислительной сети. Наиболее актуальными при этом являются задачи повышения помехоустойчивости корпоративных беспроводных систем, функционирующих на границе зоны радиопокрытия вычислительной сети.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей и методов повышения помехоустойчивости корпоративных беспроводных систем с удаленным доступом, учитывающих непроизводительные системные потери, связанные с искажениями сетевых пакетов в физической среде.

В соответствии с поставленной целью исследования проводились по следующим основным направлениям:

1. Анализ существующих методов обеспечения помехоустойчивости беспроводных систем с учетом требований стандарта Wireless Fidelity, предъявляемых к характеристикам физического уровня.

2. Разработка метода оценки параметров информационных сигналов на основе фрактальной статистической теории.

3. Разработка модели комбинационного многолучевого приемника с фрактальным анализом канала.

4. Разработка модели анализа помехоустойчивости радиомаршрутизатора, осуществляющего повторную передачу сетевых пакетов, искаженных случайными шумами и помехами.

5. Разработка метода расчета загрузки общего пула буферов маршрутизатора.

Предмет исследования. Предметом исследования настоящей работы является помехоустойчивость беспроводных вычислительных сетей Wireless Fidelity (Wi-Fi).

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Меняев, Ян Алексеевич

4.3. Выводы

По результатам исследований и разработок главы 4 можно сделать следующие выводы.

1. Разработаны две вероятностные модели анализа помехоустойчивости радиомаршрутизатора, позволяющие оценить эффективность передачи сетевых пакетов в условиях воздействия сильных помех. На основе моделей произведен расчет необходимой емкости пула маршрутизатора исходя из количества дополнительных буферов, выделяемых для хранения сетевых пакетов, искаженных шумами и помехами. Первая модель основывалась на дискретных принципах поступления пакетов, и предполагала жесткую адресацию в системе, т.е. каждый пакет являлся строго привязанным к своему каналу. Вторая модель строилась исходя из непрерывного времени поступления пакетов, и предполагала передачу в режиме мягкой адресации, т.е. любой сетевой пакет мог быть назначен любому незанятому радиоканалу. Анализ моделей показал, что с точки зрения обеспечения помехоустойчивости маршрутизатора вторая модель, на основе г общего пула, является более эффективной, чем первая, так как позволяет проводить более точный расчет потерь и предполагает перераспределение нагрузки потока сетевых пакетов в условиях воздействия сильных помех.

2. Для обеих моделей анализа помехоустойчивости были разработаны способы нахождения переходных характеристик в беспроводном маршрутизаторе, которые определялись исходя из параметра вероятности ошибки, отражающего качество передачи пакетов в радиоканалах. Получены выражения для переходных вероятностей в системе путем рачета числа соответствующих передач искаженных пакетов. Разработанные модели исходили из марковской методологии анализа возможных переходов, что позволило найти вероятности всех разрешенных состояний в беспроводном маршрутизаторе.

3. Разработан метод расчета загрузки общего пула дополнительных буферов на основе аппарата случайных размещений. С помощью данного метода изучались вопросы перегрузки пула исходя из ресурса каналов беспроводной системы. На основе метода возможно проведение корректировки дисциплины коммутации общего пула с целью перераспределения нагрузки хранения между всеми каналами маршрутизатора.

4. Исследованы стационарные характеристики моделей. Получены выражения для оценки пропускной способности и вероятности потерь беспроводной системы на основе состояний обстановки физической среды в каналах. Исследования обеих моделей показали, что с ухудшением помеховой обстановки в радиоканалах наблюдается возрастающее влияние блокировок в системе на ее общую производительность. Показано, что для корпоративных беспроводных систем с удаленным доступом, и особенно для систем, функционирующих на границе зоны радиопокрытия сети, предварительный анализ помехоустойчивости каналов связи является важным и необходимым.

Заключение

На базе проведенных исследований в работе были получены следующие основные результаты.

1. Выполнен анализ существующих методов обеспечения помехоустойчивости беспроводных информационных систем. Построена классификация методов и определены области их применимости. Анализ показал, что для корпоративных беспроводных систем с удаленным доступом, и особенно для систем, функционирующих на границах зон радиопокрытия сети, существующие методы проявляют недостаточную эффективность.

2. Предложено формализованное описание структуры корпоративной беспроводной системы с учетом физических принципов передачи и приема информации в распределенных сетях, что позволило сформулировать основные требования по помехоустойчивости к удаленным корпоративным системам и выполнить постановку задачи исследования.

3. Решена комплексная задача анализа и обеспечения помехоустойчивости беспроводного сетевого оборудования, что позволило повысить эффективность функционирования как передающей, так и принимающей частей удаленной корпоративной системы.

4. Разработан метод вычисления фрактальной оценки случайных процессов, наблюдаемых при приеме информации на физическом уровне беспроводных систем. Исследования показали, что разработанный метод позволяет эффективно различать типы зашумления полезных информационных сигналов.

5. Разработана модель комбинационного многолучевого приемника, осуществляющего адаптивный прием широкополосных сигналов с использованием фрактального анализатора. Исследования показали, что применение в приемнике фрактального анализа и введение многолучевого приема позволяет повысить помехоустойчивость сигнальной обработки до 3.12 дБ по сравнению с традиционно применяемым однолучевым приемом.

6. Разработаны две модели анализа помехоустойчивости беспроводного маршрутизатора, позволяющие оценивать эффективность передачи сетевых пакетов в условиях воздействия сильных помех. Исследования показали, что при введении в маршрутизаторе повторной обработки сетевых пакетов общее сокращение физических потерь беспроводной системы составляет 22.86 %.

7. Предложен метод расчета загрузки общего пула буферов многоканального маршрутизатора на основе анализа случайных размещений сетевых пакетов. Исследования показали, что данный метод позволяет оценивать эффективность работы передающей части системы, когда ресурсы хранения пакетов распределены между всеми беспроводными каналами.

8. Предложенные модели и методы внедрены в I {НИТИ «Техномаш» и использовались при разработке и проектировании коммутационного беспроводного оборудования, что подтверждено соответствующим актом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Меняев, Ян Алексеевич, 2004 год

1. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. — М.: Мир, 1984.-573 с.

2. Гнеденко Б.Г. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1969. - 400 с.

3. Карлин С. Основы теории случайных процессов. — М.: Мир, 1971. — 536 с.

4. Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход Ф.И. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. -М.: Наука, 1985. — 640 с.

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999. — 576 с.

6. Колчин В.Ф., Севастьянов Б.А., Чистяков В.П. Случайные размещения. М.: Наука, 1976.-224 с.

7. Крамер Г. Математические методы статистики. — М.: Мир, 1975. — 648 с.

8. Барндорф-Нильсен О., Кокс Д. Асимптотические методы в математической статистике. М.: Мир, 1999. - 255 с.

9. Шурыгин A.M. Прикладная стохастика: робастность, оценивание, прогноз. -М.: Финансы и статистика, 2000.-224 с.

10. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. -М.: Наука, 1969.-436 с.

11. Шелухин О.И., Тенякшев A.M., Осин A.B. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. М.: Радиотехника, 2003. - 480 с.

12. Кроновер P.M. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории. -М.: Постмаркет, 2000. 352 с.

13. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. - 254 с.

14. Saupe D. Random fractals in image synthesis // Fractals and Chaos. New York: NY Press, 1991. - P. 89-118.

15. Кликушин Ю.Н. Фрактальная шкала для измерения формы распределений вероятности // Журнал радиоэлектроники. 2000. - № 3. -С. 1-6.

16. Кликушин Ю.Н. Метод фрактальной классификации сложных сигналов // Журнал радиоэлектроники. 2000. - № 4. - С. 1-12.

17. Кликушин Ю.Н., Кобенко В.Ю. Сравнительный анализ фрактальныхметодов обработки случайных процессов // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Тезисы докладов 2-й РНТК. — Нижний Новгород, 2000. Ч. 7. - С. 50.

18. Кобенко В.Ю. Классификация процессов сложной формы по фрактальным свойствам VK-методом // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Тезисы докладов 2-й РНТК — Нижний Новгород, 2000. Ч. 10. - С. 60.

19. Ватолин Д.А., Ратушняк A.A., Смирнов М.А. Методы сжатия данных. Алгоритмы сжатия изображений. М.: МГУ, 2002. - 98 с.

20. Мелроуз Дж. Иерархические фрактальные графы и блуждания на них. // Фракталы в физике. -М.: Мир, 1988. С. 519-523.

21. Кочкаров A.M. Фрактальные графы в секвентном анализе. // Математическое моделирование и вычислительный эксперимент в естественных, гуманитарных и технических науках: Материалы 2-го всерос. симпозиума. Кисловодск, 1998. - С. 50-52.

22. Нигматуллин P.P. Дробный интеграл и его физическая интерпретация // Теоретическая и математическая физика. — 1992. Т. 90, № 3. — С. 354— 368.

23. Дворнякин C.B., Калужин Р.В. Фрактальные преобразования в задачах сжатия речи // Информатизация правоохранительных систем: Материалы межд. конф.-М., 1998.-С. 106-109.

24. Хасанов М.Н. Фрактальные характеристики динамики объектов управления // Автоматика и телемеханика. 1994. - № 2. - С. 59-67.

25. Потапов A.A. Фракталы в дистанционном зондировании // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2000. — № 6. -С. 3-65.

26. Стаховский И.Р. Физика Земли // Физика Земли. 1995. -№ 3. - С. 84-94.

27. Луккин Ф. Кластеризация во вселенной // Фракталы в физике. М.: Мир, 1988.-С. 446-451.

28. Пьетронеро Л., Купере Р. Стохастический подход к крупномасштабной кластеризации материи во вселенной // Фракталы в физике. М.: Мир,29