CC BY
260
His
В E S E A R >: II
ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Расчет пропускной способности систем беспроводного доступа специального
назначения
Системы широкополосного беспроводного абонентского доступа являются одним из важнейших элементов систем связи специального назначения, так как повсеместно используются в современных мультисервисных инфокоммуникационных сетях и при помощи терминального оборудования непосредственно обеспечивают стык "пользователь-сеть". Следовательно, от качества предоставления ими услуг в большей степени зависит непрерывность и оперативность процессов управления войсками и оружием. Поэтому решение задач расчета пропускной способности и рационального распределения материальных ресурсов систем широкополосного беспроводного абонентского доступа является актуальной.
Ключевые слова: беспроводный доступ, абонент, пропускная способность, система связи, сегмент сети.
Голубинцев А.В.,
Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики
Главной функцией любой системы управления, в том числе и управления связью, является выработка и принятие обоснованных решений в условиях неопределенности. Для этого необходимо, чтобы лицо, принимающее решение имело достаточно полную информацию о состоянии системы связи в режиме реального времени, которое может базироваться на результатах работы систем поддержки принятия решений.
Системы широкополосного беспроводного абонентского доступа являются одним из важнейших элементов систем связи специального назначения, так как повсеместно используются в современных мультисервисных инфокоммуникационных сетях и при помощи терминального оборудования непосредственно обеспечивают стык "пользователь-сеть". Следовательно, от качества предоставления ими услуг в большей степени зависит непрерывность и оперативность процессов управления войсками и оружием. Поэтому решение задач расчета пропускной способности и рационального распределения материальных ресурсов систем широкополосного беспроводного абонентского доступа является актуальной. Данная задача относится к классу минимаксных, так как в качестве ограничений используется минимизация расходов на оборудование, что характерно именно для сетей специального назначения, которые функционируют в условиях неблагоприятных воздействий и жестких ограничений на используемые ресурсы. Следует заметить, что при расчете характеристик подобных сетей, необходимо учитывать нагрузку на сеть для выполнения требований потребителей услуг по
пропускной способности. Причем, расчет пропускной способности сети в целом целесообразно начинать именно с расчета пропускной способности сегментов абонентского доступа. Ошибки в расчетах приводят к снижению производительности сети или к увеличению материальных вложений в её инфраструктуру. Таким образом, в данной работе рассматриваются некоторые аспекты исследования проблемы пропускной способности систем широкополосного беспроводного абонентского доступа сетей специального назначения и методики ее расчета.
Рассмотрим сегмент беспроводной сети, включающий N статистически однородных терминальных станций (ТС) и одну базовую станцию (БС). Сеть имеет физическую топологию "сота" с БС в центре соты, в зоне покрытия которой располагаются "взаимовидимые" ТС, скрытые станции отсутствуют [1]. Под статистической однородностью станций понимается одинаковость распределений Ц, I = /т|п,... /тах) длин пакетов, поступающих из очереди, причем учёту подлежат только активные станции, имеющие хотя бы один пакет в очереди на передачу. Совершенно очевидно, что выходная мощность БС в несколько раз больше мощностей передатчиков мобильных пользователей.
Введем некоторые ограничения на характер трафика: весь восходящий трафик направлен во внешнюю сеть; нисходящий трафик поступает из внешней сети, т. е. информационные потоки между ТС отсутствуют; трафика от БС к ТС распределён равномерно, т. е. текущий пакет БС предназначен любой ТС;с вероятностью 1 /Ы.
Calculation of throughput
of systems of wireless access of a special purpose
Golubintsev A.V.,
North Caucasian branch of the Moscow technical university of communication and informatics
Abstract
Systems of broadband wireless subscriber access are one of the most important elements of communication systems of a special purpose as are everywhere used on the modern multiservice infocommunication networks and by means of terminal equipment directly provide a joint "user network". Therefore, the continuity and efficiency of administrative processes more depends on quality of provision of services by them armies and the weapon. Therefore the solution of tasks of calculation of throughput and rational distribution of the material resources of systems of broadband wireless subscriber access is actual.
Keywords: wireless access, subscriber, throughput, communication system, network segment.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 3-2012
WIRELESS BROADBAND ACCESS TECHNOLOGIES
His
HERE Л It i: II
Влияние затухания учитывается как возможное подавление одного сигнала другим. Поясним это на практическом примере. Пусть две станции находятся на расстояниях К, и (|?2 >1?,) от БС (рис. 1).
N N
ре = П(1 ~zi)> Ps = Y1Psi> Pc = l-Pe-Ps i=0 i=0
(2)
где р , - вероятность «успешного» слота для 1-й станции; ц , п фО - множество терминальных станций, с которыми она
Следует заметить, что для простоты изложения значена параметров с нулевыми индексами соответствуют параметра« базовой станции. Тогда, с учетом принятых допущений, можнс записать
'¡«к л
ао^Е-ТГ £
-л N I =ï
к(Е>1;
[3]
(4)
Рис. 1 Схема сегмента сети беспроводного абонентского доступа
Тогда при одновременной передаче БС воспримет сигнал от станции №2 как шум на фоне сигнала от станции N° если соотношение этих сигналов больше некоторой величины А [дБ]: 10 1% ( Я2 /К\)у >А , (1) где - у = 2 для вакуума или коротких дистанций связи, у 3,3 Для реальных условий распространения
Таким образом, станция ТС с радиус-вектором Й будет конкурировать только со станциями, расположенными не дальше расстояния /?,-'= Л(10"' 101 от БС., которые и будут определять
вероятность коллизии и вероятность передачи для ТС..
Разделим все время работы сети на виртуальные временные слоты различной длины. В начале каждого такого слота станция уменьшает значение счетчика отсрочки и если этот счетчик обнуляется начинает передачу.
Виртуальный слот может представлять собой:
-«пустой» слот, в котором ни одно из станций не ведет передачу;
- «успешный» слот, когда происходит успешная передача пакета данных (и подтверждение приема) от БС к ТС или от ТС к БС;
- «коллизионный» слот, когда одновременно передают две и более станции, поэтому передаваемые кадры искажаются из-за взаимного влияния [5].
Будем предполагать, что вероятность начала передачи данной станцией в данном слоте не зависит от предыстории работы сети. Тогда вероятности того, что произвольно выбранный виртуальный слот будет «пустым» [ре), «успешным» (р5) или «коллизионным» (р }, определяются выражениями:
р* = т,-(1-т0)Па-^у=1......я'
ксп,
л
где с/д- вероятность передачи пакета длиной I станцией к.
л
Распределение {^,/ = /т;п,,,,/тах} отличается
{d/J = /mi„ ...¿maxi dl[k] ~ определяет вероятность того, что е рассматриваемую попытку передачи fc-й станции происходит передачи пакета длиной I, a d, это распределение длин пакетов, поступающих на MAC — уровень от протоколов более высоких уровней. Очевидно, что чем длиннее пакет, тем больше вероятность его искажения и тем больше может быть числс попыток его передачи.
Таким образом, пропускная способность S всей сети находится по формуле:
S = -
PsU
(Ре ° + Ps 1 л + Pc Т с )
(5)
где и Т средние длительности «успешного» V
«коллизионного» слотов, а V - среднее число баЙ1 информации, переданной в течение «успешного» слота.
Можно также выделить пропускную способность восходящего канала (от ТС к БС - 5ц) и нисходящего канале (от БС к ТС Б, I:
S S up + Sjowii > ^up ^up ' S down /=1
Ps 0^0
где si _
Ps i Ui
up ■
(реО+ Р^ + Рс Тс ) (7)
(Ре а+ Рх Т и + РсТ с) емкость канала, приходящаяся на ТС, а соответствует и дл?
¡-й ТС.
Для практического расчета пропускной способности беспроводной сети необходимо определить все компоненть формулы (4).
Считая, что вероятности коллизии трех станций и более пренебрежительно малы по сравнению с вероятностью коллизии двух Станций, можно получить:
1
. У. рШ
(8!
High technologies in Earth space research № 3-2012
His
II E К ЕЛ Я i: Il
ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ДОСТУПА
Гйе â=ê*i—
вероятность одновременной передачи
\-у
только f -й и 1-й станций; TP определяется эмпирической формулой:
nj= I '(О
^ А ^шах А
An in ^ ¿ + 1
/ /
' A 'max A
Z d*}+ L dHi
=/min ¿=¿+1
Аналогично для БС
Tx0)=i0)+^HSIF^+b+lACK)H\~nh0)]DIFS + 7ih(l)E/FSJ<Lr
(14)
Ts(l) = 'rts + octs +SIFS) + (l- 4,, ){<(/) + SIFS + 0ack + SIFS)}+ +[1 - nh{i)]DIFS + nh{i)ElFSJ > L, (15)
/-1 Л 'mas Л
^ d ki + X ^
= /min ¿ = ¿ + 1
Л 'max Л
X ¡1 kj + £ dki fr = /min * = £ + !
[ ± Л 1
где fC!3 и - длительность кадров CIS и АСК соответственно; [9) SIFS - короткие межкадровые промежутки; DIFS - интервал времени, завершающий удачно переданный пакет; 5 -задержка распространения сигнала. В итоге получаем:
( 1
' ni и ' л
I ¿kj
к = L-¥\
+ el es
где TlJ - средняя длительность коллизии станций / и J, I — RTS-
порог, ftts- длительность кадра RTS, EIFS- интервал времени, завершающий попытку передачи в случае коллизии.
В квадратных скобках последней формулы стоит дифференциал функции распределения общей длительности
1 " - " _ Л Ts =—^PsiTsi, Tsi = У (/)(//, ' Рх 1=0 1=0
_ \ IL _ _ 'mix л
и— Хам, Щ= £ (\-ith(D)itiii,' Ps '=0 ;=/„,„
(16)
17)
Таким образом, получены все компоненты формулы (4), и
передачи станции с момента начала до момента окончания , с
г пропускная способность сети беспроводного широкополосного передачи последней станции при условии, что хотя бы одна из с
г ' г / I " доступа может быть найдена, если известны вероятности
станций использует в своей попытке передачи базовый метод Л
доступа. Здесь учтен тот факт, что функция распределения передачи Т[ и распределения длин пакетов, передаваемых
максимума случайных величин есть произведение функций станциями. В свою очередь, определяется как: распределения этих величин. Кроме того, в выражении для
+— - время передачи кадра с данными, tH - время
V
(18)
передачи заголовка кадра и I - длина пакета данных.
Пусть в начале «успешного» слота одна из станций начала ' ' где /, и - средние количества попыток, совершаемых этой
передачу пакета длиной /, тогда ее попытка не удастся со
Следующей вероятностью:
ДляТС щ(1) =
для БС
4(0=
U0JSL
(10)
(11)
станциеи, и виртуальных слотов, в которые станция воздерживается от передачи, в течении рассматриваемого процесса соответственно (и>; - можно назвать суммарным временем отсрочки).
(19)
где вероятности искажения помехами кадров различных типов £ определяются по формуле ^ = 1 - екр { - ¡ВЕЩ, где ВЕК -
вероятность искажения одного бита информации (интенсивность помех).
Тогда средняя длительность «успешного» слота при передаче ¡-й станцией пакета длиной Iравна:
% (0=<<0+0 - ^(дагаАСК )+[\-пи(№1Е$+щ(!)Е1Р8,и I
(12)
(13)
где 41Д/) вероятность, что происходит ровно I попыток.
Суммарное время отсрочки ¡У определенное при условии / попыток находится как:
W. = У HJ—L - уу W* + i, при условии I <m < т+ I, (20)
t ¿^ - г ! Л
щ-Т.
iv, -1 w -1
i-m + [ W„ + i
(21]
Ts (!) - 'rts +0-v )( 'cts +
+0-^r){Hl) + S/FS + [\-^(l)]UACK+SIFS)} + '
+[1 - %h (l)]DIFS+Щ (I)EIFS, I > L
Тогда, процесс передачи пакета закончится отказом после -попытки с вероятностью ргег(1) - \пс(1 3 или завершится успешно на I - попытке с вероятностью:
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 3-2012
WIRELESS BROADBAND ACCESS TECHNOLOGIES
His
HERE A It t: II
ri(i) = [1-Kc(!)]nc(/r\i = 1..../V,, Следовательно,
V/ (i) = V/ 0) = [1-Kc(lA*c(l)tX ,1 = 1,........Ns -1
(22)
(23)
где вероятность лс неудачи из-за коллизии определяется по формулам:
¿еи(
для ТС [т.е. при определении Т| ) и . Р,и
К =1 —
<Ш
Чо]
(24)
(25)
сравниваем их с предыдущими. Если разница между ними больше некоторого значения - точности оценки т,-, то возвращаемся к шагу 2 с г, равными полусумме старого и нового значений.
4. По формуле (4) находим значение пропускной способности.
Предлагаемое решение позволит на основе требований, заданных потребителями услуг, о также конкретных условий функционирования произвести расчеты пропускной способности сети широкополосного беспроводного абонентского доступа, результаты расчетов могут быть использованы в системах поддержки принятия решения по управлению соответствующей системой связи. В свою очередь, обоснованное решение позволит достичь экономического эффекта за счет минимизации расходов на оборудование и повысить эффективность функционирования сети в целом.
для БС [т.е. при определении т)
(а !
\di\=dtfti ZIX/W*
(26)
В общем случае можно определить следующий алгоритм расчета пропускной способности сети беспроводного широкополосного доступа:
]. Задаются параметры как всей системы, так и
отдельных станций [например, размер минимального конкурентного окна СУ/^ = \Л/0); кроме того определяется
1
-,i=l,N ■
гг тт
2. Для каждой станции и БС, всевозможных длив пакетов I и количества попыток ( вычисляем вероятности ^ (А
средние Щ и щ .
3. Находим новые значения вероятности передачи Т/ и
Литература
1. Легков К. Е., Кисля ков М.А., Донченко A.A. Обзор типовых условий функционирования систем беспроводного широкополосного доступа // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, 2009. - №1. - С. 51 -54.
2. Данченко A.A., Легков К.Е. беспроводные городские сети: анатомия стандартов IEEE 802.16 // Сборник трудов СКФ MTVCH -2009. - Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ, 2009. - С. 46-49.
3. Co/i F., Conti M., Gregori E. Dynamic luning of the IEEE 802,51 protocol to achieve a theoretical throughput limit // IEEE Trans. On Networking, Dec 2000. No. 8(2). Pp. 785-799.
4. Легков K.E., Донченко A.A., Садовое 8.ß. Современные технологии беспроводного широкополосного доступа 802.1 бе и LTE: перспективы внедрения на транспорте // T-Comm: Теле комму ни ко ци и и транспорт, 2010. - №2. - С. 30-33.
High technologies in Earth space research № 3-2012
