Научная статья на тему 'Алгоритм оптимизации гетерогенной беспроводной сети по критерию равномерности загрузки оборудования провайдера'

Алгоритм оптимизации гетерогенной беспроводной сети по критерию равномерности загрузки оборудования провайдера Текст научной статьи по специальности «Телевидение»

370
89
Поделиться
Ключевые слова
MEDIA-INDEPENDENT HANDOVERS (MIHS) / ГЕТЕРОГЕННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ / АЛГОРИТМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ / НЕ ЗАВИСЯЩИЕ ОТ ТИПА БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА / РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ

Аннотация научной статьи по связи, автор научной работы — Дмитриев Вадим Николаевич, Чередниченко Андрей Валерьевич

Переключения, не зависящие от типа беспроводного доступа, в гетерогенной беспроводной сети очень важны для объединения различных технологий беспроводного доступа (WiFi, WiMAX, GSM, UMTS и GPRS). Предложен алгоритм оптимизации гетерогенной беспроводной сети, который не зависит от типа беспроводного доступа. Функция определения загруженности точки доступа или базовой станции используется для выбора сети. Правила переключений, основанные на алгоритмах распределения нагрузки, позволяют оптимизировать использование радиоресурса. Библиогр. 7. Ил. 5.

Media-independent handovers (MIHs) in heterogeneous wireless networks are crucial for convergence of different access technologies (WiFi, WiMAX, GSM, UMTS and GPRS). The algorithm of optimization of heterogeneous wireless network independent on the type of wireless access is proposed. The function of determination of access point or base station loading is used to select the network. The rules of handovers based on the algorithms of load balancing make it possible to optimize the utilization of radio resource.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Алгоритм оптимизации гетерогенной беспроводной сети по критерию равномерности загрузки оборудования провайдера»

УДК 621.397.132

В. Н. Дмитриев, А. В. Чередниченко

АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ ГЕТЕРОГЕННОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ ПО КРИТЕРИЮ РАВНОМЕРНОСТИ ЗАГРУЗКИ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОВАЙДЕРА

Введение

Переключения в беспроводной сети больше не ограничены переключениями между точками доступа WLAN или переключениями между базовыми станциями сотовой связи. С тех пор как WiFi (Wireless Fidelity), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) и GPRS (General Packet Radio Service) стали совместно доступны и тем самым образовали уже гетерогенную беспроводную сеть, к переключениям в гомогенных беспроводных сетях (например, только в пределах WLAN (Wireless Local Area Network) или в пределах GSM) добавляются еще и переключения между различными типами беспроводных сетей (гетерогенные переключения) [1]. Наиболее важным является и то, что прирост рынка WiFi-телефонов в настоящее время превышает 100 % в год. При этом постоянно снимаются технологические ограничения, связанные ранее с проблемой бесшовного переключения между операторами WiFi или совместимости с другими операторами [2]. Для этого была создана группа CALM (Communication Architecture for Land Mobile Environment), организация ISO (International Organization for Standardization), стандарт IEEE 802.21 или MIH (Media Independent Handover), а также предложено большое количество решений научных организаций. Функция MIH реализуется между вторым и третьим уровнями модели взаимодействия открытых систем [3]. В рамках данных стандартов предлагаются механизмы, предоставляющие всю необходимую информацию процедурам переключения мобильных устройств, однако алгоритмы принятия решения о переключении являются индивидуальными для каждой конкретной системы и в этих стандартах не рассматриваются [4].

Таким образом, вопрос об оптимизации данного переключения в настоящее время остается открытым. Цель исследований - разработать систему управления гетерогенной беспроводной сетью (СУГБС), которая не только обеспечивала бы равномерную загрузку оборудования гетерогенной сети, но и позволяла бы использовать стандартные алгоритмы улучшенного распределения нагрузки (РН), используемые в проводных сетях и успевшие хорошо зарекомендовать себя.

Описание системы управления гетерогенной беспроводной сетью

Как показано на рис. 1, МУ (мобильный узел - телефон, ноутбук или другое мобильное устройство) может находиться в определенный момент времени в зоне покрытия только UMTS/GSM. Однако по причине мобильности он может находиться в зоне покрытия более чем одной сети, например, в зоне покрытия БС (базовая станция) UMTS и AP (access point - точка доступа) IEEE 802.11. Множество IEEE 802.11 WLAN зон покрытия находится внутри зон покрытия UMTS, а зона покрытия WiMAX может частично покрывать зону покрытия WLAN и (или) UMTS. Кроме того, зоны покрытия UMTS также могут перекрывать друг друга. Таким образом, в любой момент времени есть необходимость в правильном решении о том, какую БС или AP использовать для каждого МУ.

Главной особенностью СУГБС является возможность оптимизации общей производительности существующих WiFi-сетей, а также сетей сотовых операторов вне зависимости от технологий, которые в них используются. Как показано на рис. 2, МУ обычно находится в двух возможных состояниях:

- мобильный узел обслуживается АР до тех пор, пока RSS (Received Signal Strength) АР находится в допустимых границах.

— мобильный узел обслуживается БС до тех пор, пока RSS одной или более точек доступа не достиг порогового значения.

Рис. 1. Архитектура гетерогенной беспроводной сети

Рис. 2. Алгоритм оптимизации гетерогенной беспроводной сети

Таким образом, АР обладает большим приоритетом для МУ благодаря более высокой пропускной способности и более низкой стоимости трафика в сравнении с БС. Если МУ находится в зоне действия нескольких БС, то СУГБС будет выбирать АР исходя из таких показателей, как стоимость и производительность, учитывая при этом необходимость в обеспечении распределения нагрузки. Для обеспечения координации передачи информации и команд в различных стандартах передачи данных будем использовать МТИ [5].

Распределение нагрузки обеспечивается на последнем этапе, при этом алгоритм РН задается вручную администратором сети. Ниже описаны три наиболее распространенных алгоритма РН, а также доказана возможность их использования в беспроводных сетях.

Описание алгоритма оптимизации гетерогенной беспроводной сети

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Допустим A = {ab aN} и С = {c1, cm} - это АР WLAN и БС сотовой связи (GPRS/UMTS) соответственно, причем обычно M = 1 или значительно меньше N, т. к. множество точек доступа развертывают внутри зон покрытия сотовой связи. В данной статье мы рассматриваем только случай, когда ai е A(1 < i < N) и ci е A(1 < i < M) как список возможных кандидатов на подключение, в самоорганизующихся сетях (ad hoc) МУ также являются возможными точками доступа для подключения.

СУГБС должна хранить список из A и C, как список возможных кандидатов для подключения, а также хранить информацию о загруженности каждого их них.

U = (щ, ., uK} - это МУ. Каждый МУ или требует переключения или же уже обслуживается АР/БС, без необходимости в переключении. Таким образом, U можно разделить на две подсети в определенный момент времени t:

- 1 подсеть:

Ut {и1(Гь u2(t), ..., um(t)},

где m(t) - количество МУ, требующих переключения в момент времени t;

- 2 подсеть:

V = U - Ut ,

где МУ с хорошим подключением к АР или БС (т. е. не требуют переключения).

Каждая АР ai и БС ci способны обеспечить определенную максимальную пропускную способность Zi. Обозначим w(i) как вес или стоимость пропускной способности АР или БС. Для простоты можно использовать только две стоимости каналов: для каждой АР - wa, для БС - wc.

Точки доступа и базовые станции способны собирать информацию о средней пропускной способности каждого МУ, которое обслуживается в данный момент. Но если МУ не подключено к AP/БС или его только что включили, то такой информации у AP/БС нет. Однако если на каждом МУ использовать приложение, которое будет периодически собирать эту информацию и передавать в СУГБС, то можно собрать информацию о реальной пропускной способности eiJ-для каждой AP/БС.

Таким образом, суммарная реальная нагрузкаpi для ai и ci (АР и БС)

Pi = I ej .

uteVt

Введем двоичную переменную xij, которая принимает значение единицы (xij = 1), когда ui подключен к AP или БС, и ноль (Ху = 0), если не подключен.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Таким образом, X = {Ху} - матрица зоны покрытия будет выглядеть так:

Х,

е (°.1!.

Г Ба, для АР х.= 0, если ЯБ81,- < \ ,

4 4 \8С, для БС

где $а и 3С - пороговое значение Я88, достигнув которого МУ может установить соединение с АР и БС соответственно.

Суммарная необходимая пропускная способность у1(Х) для а1 и с1 (АР и БС) для подключения дополнительных МУ иI

V (Х) = I еуху .

Коэффициент загруженности Р(1) а1 или с1 (АР или БС):

Т7Г-\ Г ЛРг + V (X)

Р (/) = w(l)—------——- .

Z

Возможность применения стандартных алгоритмов балансировки нагрузки

Функция балансировки нагрузки (Load Balancing) уже давно используется в проводных сетях и реализована во множестве аппаратных шлюзов. Эта технология обеспечивает улучшенное распределение нагрузки при использовании двух и более WAN-портов [6].

Три наиболее распространенных алгоритма в проводных вычислительных сетях [7], это:

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

1. Spillover.

2. Weighted Round Robin.

3. Least Load First.

При использовании функции Load Balancing каждый раз, когда возникает новая исходящая TCP-сессия, с интерфейса LAN аппаратный шлюз выбирает WAN-интерфейс для отправки пакетов. В дальнейшем пакеты данной сессии будут использовать ранее определенный WAN-интерфейс. TCP-сессия открывается и закрывается на одном и том же WAN-интерфейсе.

Далее рассмотрим возможность использования алгоритмов балансировки нагрузки в беспроводных сетях. В качестве WAN-интерфейсов у нас будут AP/БС, а в качестве TCP-сессий -МУ, подключенные к ним. Далее для простоты будем использовать только AP, тем самым wt можно опустить. При использовании не только AP, но и БС весом (стоимостью AP/БС) пренебрегать нельзя. Для простоты будем использовать только две AP.

Алгоритм переполнения (Spillover)

Предельное значение нагрузки определяется для основной AP. При достижении этой нагрузки начнет использоваться резервная AP (для новых подключений), как это показано на рис. 3. Как только загрузка основной AP упадет, новые подключения будут снова создаваться на ней. Как пример применения этого алгоритма - более высокая цена трафика резервной AP.

45 Mb/s текущая нагрузка АР1

Рис. 3. Алгоритм переполнения (Spillover)

Новые подключения к основной AP будут создаваться при выполнении неравенства

p, + v; (X) < Z,,

где i - номер AP1 (основной точки доступа для данной зоны).

В противном случае новое подключение будет устанавливаться на резервной AP.

Циклический взвешенный алгоритм (Weighted Round Robin)

Определяется коэффициент загрузки для двух AP. При этом соотношение определяется для количества подключенных МУ. Например, как это показано на рис. 4, a, API : AP2 = 3:1. Это означает, что количество подключенных МУ к AP1 и AP2 будет кратно 3:1. При этом реальное распределение нагрузки не анализируется.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

АР1 : АР2 = 3:1

Рис. 4. Циклический взвешенный алгоритм (Weighted Round Robin)

Однако если при анализе загруженности анализировать не только количество подключений, но и загруженность АР, как это показано на рис. 4, б, то реальная загруженность будет соответствовать заданным параметрам, а коэффициент загрузки будет следующим:

F(i) = .

z,

Правило менее загруженной очереди (Least Load First)

В данном алгоритме определяем утилизацию канала связи каждой АР в соответствии с предельной нагрузкой (пропускной способностью). Это означает, что новое подключение создается с менее загруженной АР.

Например, как это показано на рис. 5, предельная нагрузка на AP1-50 Mb/s, AP2 - 150 Mb/s. Текущая нагрузка AP1 = 10 + 15 = 25 MB/s, AP2 - 70 Mb/s. Соответственно, коэффициент нагрузки AP1 - 50 %, AP2 - 47 %. Новое подключение будет создаваться с AP2.

Рис. 5. Правило менее загруженной очереди (Least Load First)

Для расчета коэффициента загрузки AP(i) будем использовать следующую формулу:

F (i) = p.

zi

Заключение

В ближайшем будущем интерес к гетерогенным сетям, которые будут состоять из WLAN (WiFi, Bluetooth, ZigBee), WiMax, сотовой связи (GSM, UMTS, CDMA) и VANET/MANET, будет только расти. Именно поэтому разрабатываемый универсальный алгоритм переключения между беспроводными сетями различных типов, не зависящий от типа сети и в то же время учитывающий особенности каждой из них при помощи таких метрик, как стоимость сети, загруженность, пропускная способность, энергопотребление, надежность и т. д., а также обеспечивающий распределение нагрузки, будет особенно востребован.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

1. Голышко А. В. На пути к LTE // Электросвязь. - 2009. - № 7. - С. 6-12.

2. Парамонов А. И., Кучерявый А. Е. Миграция речевого трафика в современных сетях связи // Электросвязь. - 2007 - № 12. - С. 20-22.

3. Назаров С. Н. Исследование основных характеристик гибридной сети беспроводной передачи информации // Инфокоммуникационные технологии. - 2010. - Т. 8, № 3. - С. 94-101.

4. Пакулова Е. А. Обеспечение роуминга подвижных объектов в гетерогенной беспроводной сети, в рамках системы мониторинга и диспетчеризации подвижных и стационарных объектов // Между-нар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. Проблемы современной системотехники. - 2010. - С. 72.

5. Institute of Electrical and Electronics Engeneers «IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks -

Part 21 : Media Independent Handover Services», IEEE Std 802.21. - 2008.

6. Srisuresh P., Gan D. RFC 2391 «Load Sharing using IP Network Address Translation (LSNAT)» // RFC -

1998 / http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc2391.txt.

7. Функция балансировки нагрузки (Load Balancing) между двумя WAN-портами на ZyWALL // ZyXEL

Communication Corporation - 2006 / http://zyxel.ru/content/support/knowledgebase/KB-1443/Load%20 Balancing.pdf.

Статья поступила в редакцию 1.06.2011

ALGORITHM OF OPTIMIZATION OF HETEROGENEOUS WIRELESS NETWORK BY THE CRITERIUM OF BALANCED LOAD OF PROVIDER’S EQUIPMENT

V. N. Dmitriev, A. V. Cherednichenko

Media-independent handovers (MIHs) in heterogeneous wireless networks are crucial for convergence of different access technologies (WiFi, WiMAX, GSM, UMTS and GPRS). The algorithm of optimization of heterogeneous wireless network independent on the type of wireless access is proposed. The function of determination of access point or base station loading is used to select the network. The rules of handovers based on the algorithms of load balancing make it possible to optimize the utilization of radio resource.

Key words: heterogeneous wireless network; handover algorithm; mediaindependent handovers (MIHs); load balancing.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.