Разработка и исследование параллельных приложений для оптимизации топологии беспроводных сетей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Ай Мин Тайк

  • Ай Мин Тайк
  • кандидат науккандидат наук
  • 2019, ФГАОУ ВО  «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
  • Специальность ВАК РФ05.13.01
  • Количество страниц 125
Ай Мин Тайк. Разработка и исследование параллельных приложений для оптимизации топологии беспроводных сетей: дис. кандидат наук: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям). ФГАОУ ВО  «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники». 2019. 125 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Ай Мин Тайк

Обозначения и сокращения

Введение

ГЛАВА 1. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

1.1 Беспроводные сети

1.2 Технологии беспроводной связи

1.3 Типы беспроводных сетей

1.3.1 Мобильные сети

1.3.2 Беспроводные сенсорные сети

1.3.3 Беспроводные ячеистые сети

1.3.4 Сети ^1МАХ

1.4 Электронные услуги и сетевые сервисы

1.4.1 Электронное правительство

1.4.2 Электронное обучение

1.4.3 Электронное здравоохранение

1.4.4 Электронная коммерция

1.4.5 Интернет вещей и беспроводные сенсорные сети

1.5 Интернет в Мьянме

1.5.1 План развития беспроводных сетей

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

2.1 Сеточные модели

2.1.1 Сетка с треугольными ячейками

2.1.2 Сетка с шестиугольными ячейками

2.1.3 Сетка с квадратными ячейками

2.2 Качество топологии беспроводных сетей

2.3 Алгоритмы распределения вышек в беспроводных сетях

2.3.1 Самоорганизующаяся карта

2.3.2 Генетический алгоритм

2.3.3 Физические аналогии

2.3.4 Эвристические алгоритмы

2.3.5 Алгоритм полного перебора

2.4 Критерии оптимальности топологии беспроводной сети

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА

ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

3.1 Последовательная реализация алгоритма

3.1.1 Размещение антенн в узлах ячеек

3.1.2 Вычисление критериальных функций

3.2 Параллельная реализация алгоритма

3.2.1 Размещение антенн в узлах ячеек

3.2.2 Оптимизация кода для Intel Xeon Phi Coprocessor

3.3 Среда разработки Intel® Parallel Studio XE (IPS)

3.4 Верификация алгоритма размещения узлов

3.4.1 Сравнение результатов с методом физических аналогий

3.4.2 Сравнение результатов работы алгоритма с известным решением

3.4.3 Зависимость точности решения от шага сетки

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМА

4.1 Оценка влияния критериальной функции на топологию беспроводной

сети

4.2 Эффективность параллельной реализации алгоритма

4.2.1 Оптимизация топологии сети с направленными антеннами

4.2.2 Зависимость точности решения от шага сетки

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Свидетельство о регистрации программы

Приложение 2. Акт внедрения

Обозначения и сокращения

BFA Алгоритм перебора (Brute Force Algorithm)

GA Генетический алгоритм (Genetic Algorithm)

GSM Глобальная система мобильной связи

MPT Министерство почты и телекоммуникаций Мьянмы

OpenMP (Open Multi-Processing) Открытый стандарт для распараллеливания программ

RF Радиочастота

SOM Самоорганизующаяся карта Кохонена (Self-organizing map)

WiMAX Телекоммуникационная технология универсальной беспроводной связи (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

WSN Беспроводная сенсорная сеть (Wireless sensor network)

ТКС Телекоммуникационная система

ИКТ Информационно-коммуникационные технологии

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», 05.13.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование параллельных приложений для оптимизации топологии беспроводных сетей»

Введение

Актуальность проблемы. Беспроводная связь является самым быстрорастущим сегментом отрасли связи, которая стала важной частью коммуникационной инфраструктуры. Наблюдается быстрый рост числа мобильных вычислительных устройств, таких как ноутбуки, планшеты и телефоны с поддержкой Wi-Fi. Беспроводная связь, поддерживающая обмен информацией между людьми или устройствами, позволяет использовать виртуальный офис и управлять домашней техникой из любой точки мира. Эти сети стимулируют создание нового класса интеллектуальной домашней электроники, которая может взаимодействовать друг с другом, с Интернетом, телефонами и системами безопасности и мониторинга. Такие умные дома в состоянии обеспечить новое качество жизни пожилым людям и инвалидам, минимизировать потери от чрезвычайных ситуаций. Беспроводные сенсорные сети активно используются в промышленности, торговле и в оборонных структурах. Все эти применения требуют наличия развитой сетевой инфраструктуры.

Многие сельские районы в развивающихся странах с низкой плотностью населения не имеют подключения к Интернету. На сегодняшний день сети развиваются активно главным в городских районах промышленно развитых стран с высокой плотностью жителей. План развития сетевой инфраструктуры в Мьянме предполагает расширение беспроводных сетей в регионах с низким использованием оптоволокна и других проводных решений. Такое решение позволит значительно снизить уровень «цифрового неравенства», даже при ограниченных бюджетах проектов.

Проектирование беспроводных сетей является достаточно сложной задачей в связи с проблемой топологического проектирования. Методы топологического проектирования беспроводных сетей основаны на геометрическом подходе, который достаточно сложно автоматизировать. В общем виде задача заключается в определении оптимального варианта размещения телекоммуникационных вышек. Это оптимизационная задача,

5

которая требует учёта нескольких параметров. Для ее решения используют различные подходы, но общепринятой методики нет.

Сегодня производительность рабочих станций, оснащенных многоядерными процессорами и ускорителями, делает реальным использование и точных алгоритмов. Универсальный подход к решению оптимизационных задач базируется на методе полного перебора вариантов.

В работе предложен алгоритм оптимизации топологии беспроводных сетей, основанный на методе перебора и позволяющий оценивать качество топологии по различным критериям. Алгоритм формирует топологию сети из направленных и всенаправленных антенн, используя квадратную тесселяцию территории.

Высокая вычислительная сложность алгоритма перебора предопределили выбор платформы для его реализации - рабочие станции на базе многоядерных процессоров и ускорителей, и многопоточной технологии программирования.

Актуальность проводимых исследований определяется тем, что они направлены на решение важной для развивающихся стран задачи -совершенствование национальной сетевой инфраструктуры.

Цель работы заключается в разработке параллельных приложений для построения оптимальной топологии беспроводных сетей, обеспечивающих снижение времени решения задачи.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

1. Рассмотрены основные направления использования и тенденции развития беспроводных коммуникаций в развитых странах, проведена оценка уровня развития телекоммуникаций в Мьянме.

2. Проанализированы технологии организации и методы оптимизации топологий беспроводных сетей.

3. Проведен сравнительный анализ критериев оптимальности топологии беспроводных сетей.

4. На основе метода полного перебора вариантов, разработан алгоритм оптимизации топологии беспроводных сетей, проведена оценка его вычислительной сложности.

5. Разработаны методы распределения вычислительной нагрузки для параллельной реализации алгоритма на многоядерных процессорах и ускорителях.

6. Разработаны последовательная и параллельная реализации алгоритма оптимизации топологии беспроводных сетей.

7. Проведена экспериментальная оценка эффективности параллельной реализации алгоритма.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются беспроводные сети, их использование и проектирование.

Предмет исследования составляют методы и алгоритмы оптимизации топологии беспроводных сетей.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы положения общей теории систем, методы оптимизации и параллельного программирования.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в теоретическом обосновании и практическом подтверждении возможности использования метода полного перебора вариантов для решения задачи оптимизации топологии беспроводных сетей, и состоит в следующем:

1. Теоретически обоснована возможность использования алгоритма перебора вариантов для нахождения оптимальной топологии беспроводных сетей.

2. Проведена оценка вычислительной сложность алгоритма поиска оптимальной топологии для сетей с направленными и всенаправленными антеннами.

3. Проведён сравнительный анализ топологий сети, полученных для различных критериальных функций.

4. Разработано параллельное приложение, реализующее алгоритм перебора вариантов и инвариантное к критериям оптимизации; проведены исследования его эффективности при построении оптимальной топологии беспроводной сети.

Практическая значимость. Проведенные исследования подтвердили предположение о возможности практического использования метода перебора вариантов для построения оптимальной топологии беспроводных сетей с направленными и всенаправленными антеннами. Разработанное приложение инвариантно по отношению к различным критериям, что дает возможность формирования нескольких альтернативных вариантов сети, их всестороннего анализа и выбора наиболее конкурентоспособного. Такой подход позволяет находить решение даже тогда, когда условия поиска плохо формализуются. Проведенные исследования подтвердили хорошую масштабируемость параллельного приложения на рабочих станциях, оснащенных многоядерными процессорами и ускорителями Intel Xeon Phi.

Предложенный подход позволит повысить качество экспертизы телекоммуникационных проектов, реализуемых в рамках Генерального плана развития ИКТ в Мьянме.

Достоверность полученных результатов и выводов базируется на корректном использовании общепринятых математических методов оптимизации, современных технологий программирования, и подтверждается проведенными вычислительными экспериментами.

Внедрение результатов. Предложенный в диссертационной работе подход к решению оптимизационной задачи используется для экспертизы и анализа телекоммуникационных проектов в Технологическом Институте, г. Янгон, Мьянма. Акт внедрения представлен в приложении. Результаты, выносимые на защиту 1. Параллельный алгоритм оптимизации топологии беспроводных сетей, инвариантный к различным критериям оптимальности.

2. Метод распределения вычислительной нагрузки для алгоритма поиска оптимальной топологии беспроводной сети, обеспечивающий коэффициент использования ресурсов платформы в диапазоне от 0,85 до 0,94.

3. Результаты сравнительного анализа топологий сети, полученных для различных критериальных функций.

4. Программная реализация алгоритма в среде Intel Parallel Studio адаптированная для многоядерных процессоров и ускорителей.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены и обсуждались на 23 международных, всероссийских и межвузовских научных конференциях:

1. Международная заочная научно-практическая конференция «Теоретические и прикладные вопросы науки и образования». Тамбов, 2013.

2. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 6-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. МИЭТ, 2013.

3. Микроэлектроника и информатика - 2015. 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ, 2014.

4. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 7-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. МИЭТ, 2014.

5. Международная конференция «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем». МИЭТ, 2014.

6. Микроэлектроника и информатика - 2015. 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ, 2015.

7. Sixth International Conference on Internet Technologies and Applications (ITA 15), Glyndwr University, Wrexham, North Wales, UK, 2015.

8. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 8-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. МИЭТ, 2015.

9. Международная конференция «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем». МИЭТ, 2015.

10. 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElConRusNW), Saint-Petersburg Electro technical University "LETI", 2016.

11. Микроэлектроника и информатика - 2016. 23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ, 2016.

12. 2016 International Conference on Mechatronics and Automation Technology (ICMAT 2016), Auckland, New Zealand, 2016.

13. The International Conference for Students on Applied Engineering(ICSAE), Newcastle, United Kingdom, 2016.

14. VIII International Conference Optimization and Applications(OPTIMA-2017), Petrovac, Montenegro, 2107.

15. Микроэлектроника и информатика - 2017. 24-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ, 2017.

16. 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus2017), MIET, Moscow, 2017.

17. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 10-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, МИЭТ, 2017.

18. Микроэлектроника и информатика - 2018. 25-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, МИЭТ, 2018.

19. 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus2018), MIET, Moscow, 2018.

20. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2018. 11-ая Всероссийская научно-практическая конференция. МИЭТ, 2018.

21. IX International Conference Optimization and Applications (OPTIMA-2018), Petrovac, Montenegro, 2108.

22.13 th International Conference on Cyber Warfare and Security (ICCW2018) NDU, Washington DC, USA, 2018.

23. 3rd International Conference on Science, Engineering and Technology (ICSET), ISSSN: 2320-2084, vol. 7, no. 4, January 6-7, 2019, Tokyo, Japan. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 тезисов докладов и 18 статей, в том числе 5 в журналах, входящих в перечень ВАК, а 13 работ включены в базу Scopus. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём диссертационной работы. Рукопись диссертационной работы, общим объемом 124 страницы, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 76 источников и двух приложений.

ГЛАВА 1. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Беспроводные сети стали важной частью коммуникационной инфраструктуры, обеспечивающей доступ мобильных клиентов к разнообразным сервисам. Современные телекоммуникационные системы, технологии и услуги являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни и вносят основной вклад в развитие различных областей экономики. Постоянная связь с интернетом может быть обеспечена с помощью беспроводных сетей, которые предоставляют доступ к услугам в местах, где невозможно установить проводное соединение, например, в городских парках и на стадионах.

Процесс разработки топологии беспроводных сетей связан с решением оптимизационных задач, где в качестве критериев выступают экономические, экологические и социальные аспекты. Это вычислительно сложная процедура, особенно для направленных антенн, поскольку для каждого узла сети необходимо определить три параметра: координаты антенны и угол излучения. В работе исследуется возможность использования параллельной реализации алгоритма перебора для размещения антенн при проектировании топологии беспроводной сети.

1.1 Беспроводные сети

Многие люди используют мобильные электронные устройства для подключения к Интернету с помощью беспроводной сети и связи друг с другом, а также для доступа к телекоммуникационным услугам. Под телекоммуникациями понимают процесс обмена информацией на значительных расстояниях с помощью электронных средств. Это понятие относится ко всем видам передачи информации - голоса, данных и видео. Это широкий термин, который включает в себя целый спектр, как видов информации, так и технологий ее передачи, таких как мобильная телефония, волоконная оптика, спутниковая связь, цифровое радио и телевидение, Интернет и электронная почта. Беспроводные коммуникации - это процесс

передачи информации или энергии между двумя или более точками, которые не соединены проводниками. Для передачи информации могут использоваться радиоволны, а также инфракрасное, оптическое или лазерное излучение. Существует множество беспроводных коммуникаций, наиболее часто известных по маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая из них обладает определёнными характеристиками, которые и определяют её область применения.

Беспроводная сеть использует радиочастотные сигналы для передачи и получения информации между устройствами. Сегодня беспроводные сети используют многие типы устройств; например, мобильные терминалы, персональные компьютеры, ноутбуки, планшеты, сотовые телефоны, беспроводные сенсоры, спутниковые приемники и другие. Используя радиочастотные сигналы, беспроводная технология предполагает эфирную передачу данных, уменьшая потребность в дорогостоящих проводных соединениях. Бесспорным преимуществом беспроводных технологий является возможность обеспечения доступ к сети мобильным клиентам. Высокий спрос на создание новых и модернизацию существующих беспроводных сетей определяется как интенсивным ростом числа мобильных клиентов, так и простотой предоставления беспроводного доступа [1]. Сравнение проводных и беспроводных сетей приведено в таблице 1 [2].

Таблица 1. Сравнение проводных и беспроводных сетей.

No Характеристики Проводная сеть Беспроводная сеть

1 Установка Сложно Просто

2 Видимость узлов Связь через коммутаторы Связь через точку доступа

3 Взаимное влияние сетей Нет Возможно взаимное влияние на производительность

4 Время установки Длительно Быстро

5 Цена оборудования Низкая Высокая

6 Подключение к сети В пределах кабельной системы В пределах зоны покрытия

7 Мобильность Ограничена В пределах зоны покрытия

8 Надежность Высокая Разумно высокая

9 Скорость передачи Высокая Ниже

10 Среда передачи Кабели и оптические волокна Радио и микроволны

11 Коммутаторы Нужны Не нужны

12 Стандарт 802.3 802.11а, Ь, g

1.2 Технологии беспроводной связи

Беспроводная технология - это быстро развивающаяся технология, обеспечивающая гибкость и мобильность в современных условиях. Беспроводные технологии применяются в самых различных областях для сокращения времени инсталляции и преодоления различных препятствий, создаваемых кабелями. Беспроводные сети обеспечивают более удобную работу по сравнению с другими типами сетей, быстрый и безопасный обмен информацией. Типы беспроводных радиочастотных модулей (RF): Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi и WiMax.

Радиочастотные модули представляют собой небольшую электронную схему, используемую для передачи и приема радиосигналов на одной из несущих частот - 433.92 MHz, 315 MHz, 868 MHz, 915 MHz и 2400 MHz. Эти частоты используются в соответствии с национальными и международными правилами, регулирующими использование радиосвязи. Модули RF наиболее часто используются в миниатюрных продуктах - беспроводные аварийные системы, дистанционное управление, беспроводные датчики и системы домашней автоматики.

Bluetooth работает на основе функций адаптивной перестройки частоты и прямой коррекции ошибок. Сегодня технология Bluetooth - это реализация протокола, определенного стандартом IEEE 802.15. Bluetooth работает в частотном диапазоне 2,4 ГГц, на коротких расстояниях - 10 метров или 100 метров в зависимости от класса устройства Bluetooth. Эта технология позволяет вести обмен данными на скорости до 1 Мбит/с в одном канале или 64 Кбит/с через 3 симметричных канала [3]. Она также является аутентифицированной, отправляя подтверждение от приемника к передатчику перед созданием соединения между устройствами. Технология Bluetooth использует всенаправленную передачу. Число устройств, взаимодействующих в одной сети, ограничено восемью абонентами. Производится запрос подтверждения получения каждого пакета данных в каждый момент времени. Размер пакета также ограничен.

ZigBee - один из наиболее широко используемых стандартов для беспроводных сенсорных сетей с низким энергопотреблением, низкой скоростью передачи данных, низкой стоимостью и малыми задержками. Он прост в разработке и развертывании, обеспечивает безопасность и высокую надежность передачи данных. Технология ZigBee ориентирована на дешевые, очень маломощные и низкоскоростные беспроводные сети для промышленных и бытовых систем автоматизации. Важнейшим преимуществом ZigBee является низкое потребление энергии и поддержка различных топологий, что важно при создании сенсорных сетей. В большинстве случаев мощность передатчика менее 1 мВт. При этом он обеспечивает диапазон передачи до 150 метров на открытом воздухе с помощью метода, который называется спектром распространения прямой последовательности. ZigBee работает в диапазоне 868 МГц (Европа), 915 МГц (Северная Америка и Австралия) и 2,4 ГГц (доступно по всему миру) с частотой передачи данных до 250 Кбит/с [4].

Беспроводная технология Wi-Fi позволяет устройствам общаться на больших скоростях и больших расстояниях. Эта сеть основана на стандарте IEEE 802.11, включая 802.11 a, 802.11 b, 802.11 g и 802.11 n, использует централизованные средства маршрутизации для распространения сигнала. Локальные сети на основе технологии Wi-Fi позволяют обеспечить беспроводной широкополосный доступ в Интернет для современных ноутбуков, смартфонов, планшетов и компьютеров, используя удостоверение подлинности. При увеличении количества устройств в одном Wi-Fi соединении сила сигнала, передаваемого на каждое устройство, уменьшается

[5].

Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Однако, стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Вследствие чего и

возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей.

По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить:

- автономные (самостоятельные, децентрализованные, умные);

- работающие под управлением контроллера (легковесные, централизованные);

- бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера).

По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети:

- со статическими настройками радиоканалов;

- с динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов;

- со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов.

В Москве был реализован проект по оснащению сетью Wi-Fi подвижного состава метрополитена Москвы. На всех линиях московского метро Wi-Fi появился в декабре 2014 года. Бесплатным доступом в интернет были оснащены все 12 линий метро протяжённостью более 325 километров [6]. С февраля 2015 года беспроводной интернет тестируют в пригородных поездах Белорусского, Савеловского и Курского направления. В рамках развития клиентского сервиса сейчас реализуется проект Wi-Fi на остановках, который позволит делать 25-минутную бесплатную сессию для того, чтобы в режиме ожидания транспорта люди могли оставаться на связи. Люди могут воспользоваться бесплатным Wi-Fi, подключившись к московской транспортной сети (MT_FREE) [7]. Несколько миллионов пассажиров ежедневно пользуются сетями Wi-Fi. Во всех поездах Московского метрополитена, Московского центрального кольца (МЦК) и аэроэкспрессов теперь действует сеть Wi-Fi московского транспорта (MT_FREE). Пассажиры могут оставаться в сети на протяжении всей поездки. Компания Maxima Telecom управляет совместной сетью Wi-Fi, созданной в рамках долгосрочного проекта с Департаментом транспорта и развития дорожной инфраструктуры. Оператор Tele2 предоставил 4G-доступ

16

для половины Московского метрополитена (по состоянию на 30 мая 2017 года) [8].

Технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) была разработана в 2001 году для содействия развертыванию беспроводных сетей в качестве новой технологии широкополосного доступа на основе стандартов 802.16. WiMAX работает аналогично Wi-Fi, но на более высоких скоростях на больших расстояниях и для большего числа пользователей. WiMAX имеет возможность предоставлять услуги даже в районах, которые недоступны для традиционной проводной инфраструктуры из-за способности преодолеть топологические ограничения, что крайне важно для развивающихся стран. WiMAX может покрыть площадь до 50 км в диаметре со скоростью передачи данных 70 Mbps, что достаточно для обеспечения соединений в крупных городах [9].

1.3 Типы беспроводных сетей

Беспроводные сети используют средства радиосвязи для обеспечения доступа мобильных устройств к сетевым приложениям. Основные типы беспроводных сетей приведены на рисунке 1 [10]:

• Персональная сеть соединяет частные устройства, расположенные в непосредственной близости друг от друга и используется для передачи информации на короткие расстояния (около 30 футов).

• Локальная сеть обеспечивает связь двух и более устройств, имеющих точки доступа в интернет. Примерами могут служить кампусные или университетские сети.

• Городская сеть позволяет объединить множественных территориально близких локальных сетей, например, в городе. Для этого могут использоваться различные сочетания технологий - медь, волоконно-оптические кабели и радиоканал [11].

• Глобальная сеть делает доступными сетевые ресурсы и услуги из любой точки мира. Связность клиентов в такой сети поддерживается с помощью

нескольких спутниковых систем и подводных кабелей. Доступ в сеть обеспечивают интернет-провайдеры.

Рис. 1 Типы беспроводных сетей [12].

Беспроводные сетевые технологии сегодня используются на всех уровнях сетевой иерархии. Классификация беспроводных сетей может основываться на предоставляемых ими услугах. Например, Глобальная Система Мобильной связи (GSM) являются основой для цифровой мобильной телефонии, широко используемой в мире.

1.3.1 Мобильные сети

Мобильные сети стали основой телекоммуникаций в последние годы, с широким распространением мобильных телефонов, планшетов, и других мобильных устройств. Они соединяются друг с другом, чтобы передать пакеты сигналов - данных, голоса, изображения и текста на мобильные устройства, которые действуют в качестве приемников. Мобильное устройство подключится к ближайшей или наименее перегруженной базовой станции. Базовые станции подключены к цифровой бирже, где пакеты передаются в другие телефонные сети или сети передачи данных. Базовые станции расположены в ячейках, которые представляют собой участки земли, обычно шестиугольные. Они имеют, по крайней мере, один трансивер и используют различные радиочастоты. Приемопередатчики базовых станций обеспечивают сплошное покрытие территории и пространственную непрерывность связи. Ячейки или соты в крупных городах будут меньше по

размеру из-за большого количества пользователей. Чем выше плотность населения, тем больше нужно базовых станций [13].

Базовые станции обеспечивают покрытие соты за счет использования различных типов антенн. Сотовые вышки часто используют направленные антенны, чтобы улучшить прием в зонах интенсивного движения. Если вышка имеет направленные антенны, то федеральная комиссия по связи позволяет оператору сотовой связи передавать до 500 ватт эффективной излучаемой мощности. Вышки сотовой связи могут находиться в центрах ячеек и использовать всенаправленные антенны, но чаще их располагают в углах шестиугольников, где сходятся три ячейки. Тогда каждая вышка имеет три комплекта направленных антенн, нацеленных в три различных направления с отклонением в 120 градусов, обеспечивающих круговое покрытие - 360 градусов [14].

Таблица 2. Типы антенн, используемых в мобильной связи

Модель MAX 95 NBM3 AG-HP-5G23 XLS-5800/HP XLD-4961/H

Диапазон (км) 40 30 30 40 30

Усиление (dbi) 25 22 24 - -

Типы Направленные Радиорелейные линии

Расположение Внешнее

Area served by the Relay ' I Area served by the BS

Рис. 2 Структура сети мобильной связи[15]

В городах каждая вышка может иметь дальность действия до приблизительно 1/2 мили (0,80 км), в то время как в сельских районах дальность действия может достигать 5 миль (8,0 км). Вполне возможно, что на открытых площадках пользователь может получать сигналы от сотового узла, удаленного от него на 25 миль (40 км) [16]. Рисунок 2 показывает типовую структуру мобильной сети, а в таблице 2 приведены параметры используемых антенн.

Беспроводные сенсорные сети ^БК) получили широкое распространение в последнее десятилетие из-за достижений в области беспроводной связи и вычислительной техники. В настоящее время большинство устройств WSN оснащено маломощными передатчиками, обеспечивающими передачу данных в зоне с радиусом 10-50 метров со скоростью до 300 кбит/с. Узлы беспроводной сети состоят из нескольких основных компонентов: датчиков, модулей обработки данных и устройств приема-передачи.

Похожие диссертационные работы по специальности «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», 05.13.01 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ай Мин Тайк, 2019 год

Список литературы

1. I.A. Shourbaji, "An overview of wireless local area network (WLAN)," International Journal of Computer Science and Information Security, vol. 11, no. 2, pp. 46-53, March 2013.

2. Navpreet Kaur, Sangeeta Monga, "Comparisons of wired and wireless networks," International Journal of Advanced Engineering Technology, vol. 5, no. 2, pp. 34-35, April 2014.

3. Nateq Be-Nazir Ibn Minar and Mohammed Tarique, "Bluetooth Security Threats and Solution" A Survey. In International Journal of Distributed and Parallel Systems (IJDPS) Vol.3, No.1, January 2012.

4. Muthu Ramya.C, Shanmugaraj.M and Prabakaran.R, "Study on Zigbee Technology". 3rd International Conference on Electronic Computer Technology(ICECT), pp. 297-301, Vol.6, 8-10 April 2011, Kanyakumari,India.

5. V.Abinayaa, Anagha Jayan, "Case Study on Comparison of Wireless Technologies in Industrial Applications," International Journal of Scientific and Research Publications, vol. 4, no. 2, February 2014.

6. Wi-Fi access in Moscow and other cities around the world [Online]. Доступ: https: //www. mos.ru/en/news/item/14867073/

7. All Moscow Metro lines now feature MT_FREE Wi-Fi network (30 April 2017), [Online]. Доступ: https://www.mos.ru/en/news/item/23445073/

8. Donat Shneps-Shneppe, "On Digital Signaling for Moscow City Railways," International Journal of Open Infromation Technologies, vol. 6, no. 6, 2018.

9. Aye Min Thike, Sergey Lupin, Roustiam Chakirov, "The Computational Aspects Estimating the Efficiency of Wireless Networks' Topology," 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), pp 582-586, 1 - 3 February 2017, St. Petersburg, Russia.

10. Kanika Sharma, "A Study of Wireless Networks: WLANs, WPANs, WMANs, and WWANs with Comparison," International Journal of Computer Science and Information Technologies (IJCSIT), Vol.5, No-6, 2014.

11. Aye Min Thike, Sergey Lupin, Yuriy Vagapov, "Implementation of brute force algorithm for topology optimisation of wireless networks," 2016 International Conference for Students on Applied Engineering (ICSAE), pp 264268, 20 - 21 October 2016, Newcastle upon Tyne, UK.

12. Wireless Networks. (2012, Jan. 26). [Online]. Доступ: http://www.e-cartouche.ch/content_reg/cartouche/LBSbasics/en/html/LBSBasicsU4_learningObj ect3.html

13. Mobile Telephone Networks Explained [Online]. Доступ: https://www.mobilenetworkguide.com.au/mobile_phone_networks.html

14. Cellular Telephone Basics. (2012, April. 2). [Online]. Доступ: https://web.archive.org/web/20120417220750/http://www.privateline.com/Cellbasi cs/Cellbasics02.html

15. R.Ratheesh, P.Vetrivelan, "Power optimization techniques for next generation wireless networks," International Journal of Engineering and Technology (IJET), Vol-8, No -1, pp. 247-256, Feb-Mar 2016.

16. Cellular network [Online]. Доступ: https: //en.wikipedia. org/wiki/Cellular_network

17. Gustavo S. Quirino, Admilson R.L. Ribeiro, and Edward David Moreno, "Asymmetric encryption in wireless sensor networks," in Wireless Sensor Networks - Technology and Protocols, pp. 219-232, 2012.

18. Niranjan Panigrahi, Pabitra Mohan Khilar, "Optimal topological balancing strategy for performance optimisation of consensus-based clock synchronisation protocols in wireless sensor networks: A genetic algorithm-based approach," IET Wireless Sensor Systems, vol.4, no. 4, pp. 213-222 , December 2014.

19. G.S. Quirino, A.R.L. Ribeiro, and E.D. Moreno, "Asymmetric encryption in wireless sensor networks," in Wireless Sensor Networks -

Technology and Protocols, M.A. Matin, Ed. Rijeka, Croatia: InTech, 2012, pp. 219-232.

20. Mohd Fadzli Mohd Salleh, "Overview of Wireless Mesh Networks," Journal of Communications, vol.8, no. 9, pp. 586-599 , September 2013.

21. Wi-Fi Mesh and WiMAX Technologies [Online] Доступ: http://www.strixsystems.com/education/the%20basics%20of%20wifi%20and%20 wimax-082907.asp

22. Shabbir Ahmed. "Performance Analysis of Mobile Wimax Technology," in Proc. of 2014 International Conference on Computing for Sustainable Global Development (INDIACom), pp.959-961, 5-7 March 2014, New Delhi, India.

23. Tássio Carvalho, José Jailton Júnior, Warley Valente, Carlos Natalino, Renato Francés and Kelvin Lopes Dias. "A Mobile WiMAX Mesh Network with Routing Techniques and Quality of Service Mechanisms", IntechOpen, pp. 61-84, 5 June 2013.

24. M. Alshehri, S. Drew. "Implementation of e-Government: Advantages and Challenges", Proceedings of the IASK International Conference E-Activity and Leading Technologies & InterTIC 2010, pp.79-86, 8-11 November 2010, Oviedo, Spain.

25. Bhavneet Dhindsa, Malika Narang, Kavita Choudhary. "Benefits and Challenges of E-Governance Portal", International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE), pp.121-123, Vol - 3, Issue -5, November 2013.

26. Shruti Vasudevan, "How User Insights Can Help Attract and Retain Citizends in E-Government Services"(22 November 2016), [Online] Доступ: https://www.silvertouchinc.com/blog/user-insights-can-help-attract-retain-citizens-e-government-services.html

27. Jennifer Olsonurt deMaagd, Eric Tarkleson, Julie Sinclair, Suengyun Yook and Rhonda Egidio. "An Analysis of e-Learning Impacts & Best Practices in Developing Countries", Michigan State University, October 2011.

28. Afroza Sultana, Rumana Rahman and Sadia Hamid Kazi. "An XML-Based Platform Independent Integrated e-Learning System (IELS) for the Rural

117

and Remote Areas of Developing Countries", 20i 0 2nd international Conference on Education Technology and Computer (ICETC), pp. 464- 468, Vol-3, 22-24 June 2010, Shanghai, China.

29. Aye Min Thike, Sergey Lupin, Roustiam Chakirov and Yuriy Vagapov, "Topology Optimisation of Wireless Sensor Networks," 2016 International Conference on Design, Mechanical and Material Engineering (D2ME 2016), Vol. 82, 8 - 10 September, 2016, Auckland, New Zealand.

30. Wireless Campus, [Online] Доступ: http://dealflownetworks.com/education/wireless-campus/

31. Laura Denardis, "E-health Standards and Interoperability," ITU-T Technology Watch Report, April 2012.

32. Xuemin Shen, Nei Kato and Xiaodong Lin, "Wireless Technologies for E-Healthcare", IEEE Wireless Communications, pp. 10-11, Vol. 17, Issue: 1, February, 2010.

33. World Health Organization. [Online]. Доступ: http://www.searo.who.int/entity/health situation trends/ events/03 Myanmar Country Expiries

34. Nitin R Kulkarni and Sujata Terdal, "Pervasive Monitoring of M-Health Care Using Android", International Journal of Science and Research (IJSR), pp. 816-823, Vol. 4, Issue: 4, April 2015.

35. W. C. Chen and X. D. Liu, "Wireless Communication Algorithm for Mobile Electronic Commerce", Advanced Engineering Forum, pp. 1088-1092, Vol. 6-7, September 2012.

36. E-commerce. [Online]. Доступ: https://en.wikipedia.org/wiki/E-commerce.

37. Steps to successfully start an eCommerce website. [Online]. Доступ: https://aniwebdesigns.com/steps-to-successfully-start-an-e-commerce-website/

38. Aamir Shaikh and Siraji Pathan, "Research on Wireless Sensor Network Technology," International Journal of Information and Education Technology, pp. 476-479, vol. 2, no. 5, October, 2012.

39. Yuan Zhang, Limin Sun, Houbing Song and Xiaojun Cao, "Ubiquitous WSN for Healthcare: Recent Advances and Future Prospects," IEEE Internet of Things Journal, pp. 311- 318, vol. 1, Issue: 4, August, 2014.

40. Sergey Lupin, Aye Min Thike, Hein Tun, "Comparison the Various Criteria in Wireless Network Topology Optimization Task", VIII International Conference Optimization and Applications (OPTIMA-2017), pp.370-377, October 2-7, 2017, Petrovac, Montenegro.

41. Internet World Stats (Usage and Population Statistics). [Online] Доступ: http: //www. internetworldstats. com/asia/mm. htm

42. Alliance for Affordable Internet. [Online] Доступ: http://a4ai.org/wpcontent/uploads/2015/03/Myanmar-Case- Study.pdf

43. Kee-Yung Nam, Maria Rowena Cham, and Paulo Rodelio Halili. "Developing Myanmar's Information and Communication Technology Sector Toward Inclusive Growth," Asian Development Bank (ADB),Vol.462, November 2015.

44. Ziqing Zhang, Hai Zhao, Jian Zhu and Dazhou Li."Research on Wireless Sensor Networks Topology Models", Journal Software Engineering and Applications (JSEA), pp. 1167-1171, Vol.3, 2010.

45. Chi-Chang Chen, Chi-Yu Chang and Po-Ying Chen. "Linear Time Approximation Algorithms for the Relay Node Placement Problem in Wireless Sensor Networks with Hexagon Tessellation", Journal of Sensors, Vol.2015, 20 March 2015.

46. Nor Azlina Ab. Aziz, Kamarulzaman Ab. Aziz, and Wan Zakiah Wan Ismail. "Coverage Strategies for Wireless Sensor Networks", World Academy of Science, Engineering and Technology, pp. 145-150, Vol: 3, Issue: 2, 2009.

47. Yudhvir Singh. "Delaunay triangulation coverage strategy for wireless sensor networks (ICCCI -2012)", 2012 International Conference on Computer Communication and Informatics, Vol: 3, Issue: 2, 10-12 Jan 2012. Coimbatore, India.

48. Ruiying Li, Xiaoxi Liu, Wei Xie and Ning Huang. "Deployment-Based Lifetime Optimization Model for HomogeneousWireless Sensor Network under Retransmission", Sensor 14, pp. 23697-23724, 2014.

49. Jaime Lloret, Sandra Sendra and Ignacio Bosch. "A Wireless Sensor Network For Vineyard Monitoring That Uses Image Processing", Sensors 2011, pp. 6165-6196, December 2011.

50. Lu Wang and Tinghua Ai. "The Comparison of Drainage Network Extraction Between Square and Hexagonal Grid-Based DEM", The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, pp. 687-692, Vol- XLII-4, 1-5 October 2018. Delft, Netherlands.

51. Research ICT Africa, "Policy brief 6: SADC not bridging digital divide", 8 September 2017, [Online] Доступ: https://researchictafrica.net/polbrf/Research_ICT_Africa_Policy_Briefs/2017_Poli cy_Brief_6_SADC.pdf

52. P. Saritha Hepsibha and G. Sanjiv Rao. "Comparative Analysis of Area Coverage in WSNs Using Various Grid-Based Node Deployment Schemes", International Journal of Future Computer and Communication, pp. 633-637, Vol-2, No. 6, December 2013.

53. Haider Kadhim Hoomod, Intisar Al-Mejibli and Abbas Issa Jabboory. "Optimizing SOM for Cell Towers Distribution", Annual Conference on New Trends in Information & Communications Technology Applications-(NTICT'2017), pp. 138-143, 7-9 March 2017.

54. Khalid Khan and D.K. Lobiyal. "Performance Evaluation of Different Optimization Techniques for Coverage and Connectivity Control in Backbone Based Wireless Networks", Wireless Personal Communications, pp. 4329-4345, Vol-96, Issue-3, Octorber 2017.

55. Jaime Liorca, Stuart D.Milner and Christopher Cobden Davis. "Molecular System Dynamics for Self-Organization in Heterogeneous Wireless Networks", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 21 September 2010.

56. Rakesh Kashyap, Malladihalli S Bhuvan, Srinath Chamarti, Pranav Bhat, Mintu Jothish and Karker Annappa. "Algorithmic Approach for Strategic Cell Tower Placement", Fifth International Conference on Intelligent Systems, Modelling and Simulation, pp. 619- 624, 27-29 January 2014, Langkawi, Malaysia.

57. Ibukunola. A. Modupe, Oludayo. O. Olugbara and Abiodun. Modupe. "Minimizing Energy Consumption in Wireless Ad hoc Networks with Meta heuristics", 4th International Conference on Ambient Systems, Networks and Technologies (ANT 2013), pp. 106- 115, December 2013, Halifax Nova Scotia, Canada.

58. P. K. Sharma and R. K. Singh, "Cell Coverage Area and Link Budget Calculations in GSM System," Int. J. Mod.Eng.Res., vol. 2, no. 2, pp. 170-176, 2012.

59. Nurettin Yorek, Ilker Ugulu and Halil Ay din, "Using Self-Organizing Neural Network Map Combined with Ward's Clustering Algorithm for Visualization of Students'Cognitive Structural Models about Aliveness Concept," Computational Intelligence and Neuroscience, pp. 1-14, January 2016.

60. S. K. Shreedharamurthy and H. R. S. Reddy, "Kohonen neural network based Kannada numerals recognition system," Int. J. Sci. Eng. Res., pp. 989-994, vol. 5, no. 5, 2014.

61. P. Sharma, G. Bhardwaj, G. Sharma, and V. Pandey, "Implementation of Artificial Neural Network ( SOFM ) for future prediction in Satellite Imagery," Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng., pp. 193-197, vol. 5, no. 1, 2015.

62. Omar Banimelhem, Moad Mowafi and Walid Aljoby, "Genetic Algorithm Based Node Deployment in Hybrid Wireless Sensor Networks", Communications and Network, pp. 273-279, vol. 5, 8 August 2013.

63. A. Tripathi, P. Gupta, A. Trivedi and R. Kala, "Wireless Sensor Node Placement using Hybrid Genetic Program- ming and Genetic Algorithms," International Journal of Intelligent Information Technologies, pp. 63-83, Vol. 7, No. 2, April 2011.

64. Hammad Hafiz, Harjeet Aulakh and Kaamran Raahemifar, "Antenna Placement Optimization for Cellular Networks", 26th IEEE Canadian Conference Of Electrical And Computer Engineering (CCECE), 5-8 May 2013, Regina, SK, Canada.

65. Center of Mass Formula. [Online] Доступ: http://www.softschools.com/

66. Aye Min Thike, Sergey Lupin, Hein Tun, Olga Kostrova and Roustiam Chakirov, "Topology Optimisation of Wireless Internet Infrastructure", 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), pp. 362-364, February 2-3, 2016, St. Petersburg, Russia.

67. Aye Min Thike, Sergey Lupin, Ba Hla Than, Htun Htun Linn and Kyaw Nay Zaw Lin, "Wireless network topology optimization — Decisions for directional antennas", 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), pp. 1467-1471, 29 jan - 1 feb, 2018, Moscow, Russia.

68. Ай Мин Тайк. Вычислительные аспекты оценки эффективности топологии беспроводных сетей. // Микроэлектроника и информатика- 2017. 24-ю Всероссийскую межвузовскую научно-техническую конференцию студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2017. - 314с., C.181.

69. Aye Min Thike and Sergey Lupin, "Parallel Application for Wireless Network Topology Optimisation", 3rd International Conference on Science, Engineering and Technology (ICSET), ISSN:2320-2084, pp. 14-20, Vol-7, Issue-4, January 6-7, 2019, Tokyo, Japan.

70. OpenMP Architecture Review Board, "OpenMP Application Programming Interface" (November 2018), [Online] Доступ: https://www.openmp.org/wp-content/uploads/OpenMP-API-Specification-5.0.pdf

71. Intel® Xeon Phi™ Coprocessor 7120P, [Online] Доступ: https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/75799/intel-xeon-phi-coprocessor-7120p-16gb-1 -238-ghz-61 -core.html

72. Shannon Cepeda (Intel), Optimization and Performance Tuning for Intel® Xeon Phi™ Coprocessors (12 November 2012) [Online] Доступ: https://so^ware.intel.com/en-us/articles/optimization-and-performance-tuning-for-intel-xeon-phi-coprocessors-part-2-understanding

73. Stephen Blair-Chappell and Andrew Stokes, "Parallel Programming with Intel Parallel Studio", John Willey & Sons, Inc. Indianapolis, 2012.

74. Krishnendu Chakrabarty, S. Sitharama Iyengar, Hairong Qi and Eungchun Cho, "Grid Coverage for Surveillance and Target Location in Distributed Sensor Networks", IEEE Transactions on Computers, pp. 1448-1453 , Vol.51, No.12, December 2002.

75. Ай Мин Тайк. Оптимизация топологии беспроводных сетей с направленными антеннами. //25-й Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2018. - 316c., C.152.

76. Ай Мин Тайк. Учет пространственного распределения жителей в задаче поиска оптимальной топологии беспроводной сети. 10-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании - 2017»: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2017. - 108с., C.66.

Приложение 1. Свидетельство о регистрации программы

Приложение 2. Акт внедрения

The Republic of the I nion of Myanmar Ministry of Education Technological University (Thanlyin) Department of Information Technology Engineering

Email: cieimvat a ttu.edu.nim

Date: 27.9.2019

CONFIRMATION

on the implementation of the results of the doctoral thesis Aye Min Thike

This document confirms that the software complex and methodology of the optimization the wireless network topology, which based on the results of Aye Min Thike doctoral thesis on "Development and research of parallel applications for wireless network topology optimization", are used in (he telecommunication projects The software complex realized as the parallel application in the Microsoft Visual Studio and Intel Parallel Studio environment

The research aimed to the automation of network topology design is very actual, especially for wireless network topology optimization and engineering.The results of experiments allow us to confirm that the realization of brute force algorithm as multi-threaded application is invariant in relation to different criteria and this allows changing the optimization purposes without essential rebuilding the application.The results also confirmed the good scalability of the parallel application, that important for practice. Moreover, the software complex allows finding not one but all existing solutions of the optimization task

Tlie approach, developed for parallel implementation of brute force algorithm, may be recommended for solving the complex practical tasks in other fields, not only for distributing antennas in the w ireless network topology

Dr Ei Ei Myat Professor and Head

Department of Information Technology Engineering.

Technological University (Thanlyin)

Yangon. Myanmar

cieimyafrffittu mffî

+95-9-43023144

APPROVED BY

» Rector

Technological University(Thanlyin) Yangon. Myanmar September 27,2019

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.