CC BY
27
МЕТОД ОЦЕНКИ ОБЪЁМА ДОСТАВЛЯЕМЫХ ДАННЫХ
В СЕТЯХ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА С СОВМЕСТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ МАРШРУТИЗАЦИЕЙ
технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ г. Казань, Россия, vintenkova.yulia@gmail.com
Козлов Сергей Владимирович,
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ г. Казань, Россия, ksl6v@yandex.ru
В настоящее время большинство сетей широкополосного радиодоступа работает в условиях воздействия внутрисистемных помех, влияние которых существенно снижает объемы доставляемых по каналам связи данных. Для снижения потока внутрисистемных помех был разработан метод совместной динамической маршрутизации, заключающийся в определении оптимального набора маршрутов из множества допустимых по критерию минимума времени доставки. Исходными данными для этого метода являются объемы доставляемых данных по всем каналам связи, входящим в множество допустимых маршрутов. Целью работы является разработка метода оценки объемов доставляемых по каналам связи данных сетей широкополосного радиодоступа, работающих в условиях внутрисистемных помех, на основе известных отношений сигнал/шум от всех передающих узлов, задействованных в маршруте. В статье делается вывод о достаточности использования гауссовской вероятностной модели для описания распределения внутрисистемных помех при большом количестве одновременно передаваемых сигналов. Выводятся выражения для определения отношений сигнал/помеха оценок квадратурных компонент подне-сущих OFDM сигналов, на основе которых оцениваются объемы доставляемых данных. Верификация разработанного метода оценки объемов доставляемых данных проводится путем сравнения рассчитанных информационных скоростей передачи данных с измеренными значениями для тестового участка сети стандарта 802.11n, состоящего из двух точек доступа и двух терминалов пользователя, работающих на соседних частотных каналах в диапазоне 5 ГГц. В рассматриваемой сети для доставки данных до точек доступа используется шесть допустимых маршрутов. Результаты верификации показали корректность применения разработанного метода оценки объёма доставляемых данных в сетях широкополосного радиодоступа с совместной динамической маршрутизацией, а также существенное влияние точки доступа, работающей на соседнем частотном канале на получаемые результаты.
Информация об авторах:
Винтенкова Юлия Сергеевна, аспирант кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, г. Казань, Россия Козлов Сергей Владимирович, д.т.н., профессор кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, г. Казань, Россия Спирина Елена Александровна, к.т.н., доцент кафедры Радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ, г. Казань, Россия
Для цитирования:
Винтенкова Ю.С., Козлов С.В., Спирина Е.А.Метод оценки объёма доставляемых данных в сетях широкополосного радиодоступа с совместной динамической маршрутизацией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №2. С. 16-20.
For citation:
Vintenkova Yu.S., Kozlov S.V., Spirina E.A. (2018). Transferred data volumes estimation method for collective dynamic routing implementation in broadband radio access networks. T-Comm, vol. 12, no.2, pp. 16-20. (in Russian)
Винтенкова Юлия Сергеевна,
Казанский национальный исследовательский
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10026
Спирина Елена Александровна,
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ г. Казань, Россия, selenaa_kazan@mail.ru
Ключевые слова: объём доставляемых данных, динамическая маршрутизация, информационная скорость передачи данных, отношение сигнал/шум, отношение сигнал/помеха, внутрисистемные помехи, алгоритмы приёма.
Одним из путей повышения пропускной способности сетей широкополосного радиодоступа является снижение потока внутрисистемных помех, которое может быть обеспечено при использовании метода совместной динамической маршрутизации [1-3], заключающегося в определении оптимального набора маршрутов из множества допустимых по критерию минимума времени доставки. Для применения этого метода необходимо знание объёма данных / , дос-
К"
тавляемых по сети до каждого из приёмных узлов И = ], Д'" по каждому из допустимых маршрутов $ = \.С за длительность фрейма Т1' [2], который является интервалом доставки пакета данных по всем маршрутам сети с учётом физического и канальных уровней, а также задержек доступа к среде передачи данных.
Объём доставляемых данных / может быть определён
к»
на основе оценки вероятности доставки пакета, которая вычисляется как отношение полученных пакетов к переданным пакетам [4].
Требуемая величина вероятности доставки пакетов определяется для каждого типа предоставляемой услуги на основе требований качества обслуживания. Согласно |4], если вычисленное значение вероятности меньше требуемого, принимается решение о снижении скорости передачи данных, а, следовательно, и объёма доставляемых данных [ .
а"
Если вычисленное значение вероятности равно единице, то принимается решение о повышении скорости передачи данных и объёма доставляемых данных /
а""
Однако для получения корректной оценки вероятности доставки необходимо значительное количество переданных пакетов. В случае частого использования маршрута расчет вероятности происходит с малыми задержками, но если маршрут используется редко, то задержка получения оценки вероятности доставки существенна возрастает. Для ее снижения могут передаваться специальные тестирующие пакеты, однако это приведет к росту служебного трафика и снижению пропускной способности сети.
помеховой обстановки, тип модуляции и используемые алгоритмы приема сигналов.
В настоящее время в сетях широкополосного радиодоступа для определения векторов кодовых символов используется двухэтапная процедура приёма сигналов, включающая получение оценок квадратурных компонент (д д1 )
V д/ч к7
Сигналов i-x иоднесущих, поступающих по маршруту g на вход и"-го приёмного узла для к -го кодового символа, с последующим различением на их основе отдельных кодовых
СИМВОЛОВ d '•
Vs ,, (f)[л\ „,,Я- „.1 d . ч ■ (1)
gn я 4 V fít к glnк! цЫ к
Для двухэтаппой процедуры приёма, описываемой выражением (I), вероятность ошибки передачи данных будет определяться распределениями оценок квадратурных компонент поднесущих и заданными пороговыми значениями, зависящими от вида модуляции данных.
Следовательно, объём доставляемых данных / в сетях
V"
широкополосного радиодоступа будег определяться модуляцией, обеспечивающей требуемую вероятность доставки данных или вероятность ошибки не более допустимой р^ .
Сигналы ю-иомеховая обстановка в точке приёма зависит от используемого маршрута g, следовательно, для снижения отклонений получаемых оценок h д1 ] могут ириме-
V 7 gm А
пяться различные алгоритмы приёма Rs [7|.
Так как математическое ожидание компонент шума и квадратурных компонент всех сигналов при равновероятном распределении передаваемых кодовых символов равняются нулю, то отклонения [х . X .. ) имеют нулевые математи-
V Hin"к 7 gbrk '
чес кие ожидания, а дисперсии согласно [5 | определяются как:
и'« A(rr+0+ у £ р, *K't, * (2)
gm"a J-S » "> ' и Ш gil in S&l'n"
где A'ö - односторонняя спектральная плотность мощности белого гауссовского шума, Т" - интервал анализа сигналов,
Объём доставляемых данных / * может быть также оп- _ коэффициент шума на частоте на £-й поднесу щей,
ределён на основе оценки информационной скорости передачи данных. В работе [5] был разработан метод оценки гарантированной информационной скорости передачи данных в фиксированных сетях широкополосного радиодоступа, использующий информацию о сигналъно-помехбвой обстановке в канале связи. Согласно этому методу информационная скорость пропорциональна пропускной способности сети, вычисленной по формуле Шеннона, с коэффициентом к,. Однако этот метод требует экспериментального получения оценки коэффициента пропорциональности к- для различных видов сетей |6] и предполагает одновременную работу всех базовых станций, что не характерно для маршрутизируемых сетей.
Для обеспечения своевременного учета изменения реальной сигнально-помеховой обстановки, необходимо разработать новый метод оценки объёма доставляемых данных у ,
■¿к"
учитывающего структуру сигнала, модель сигнально»
р - мощность 1-й подпесущеи сигнала п -го пере-
Ц11
дающего узла на входе «"-го приёмного узла для маршрута g, з К.г ~ коэффициент внутрисистемных помех, учитывающий влияние этого сигнала на квадратурные компоненты 1-й поднесущей при использовании алгоритма измерения Rs,
Таким образом, отклонения h д1 ) содержат шумо-
V gin к 7 gin к /
вую и помеховую составляющие, степень влияния которых зависит от мощностей шума и сигналов внутрисистемных помех, а также коэффициентов шума и внутрисистемных помех, вычисляемых с учётом взаимной корреляции поднесущих.
Для реальных сетей связи, использующих большое количество поднесущих, вклад в общую дисперсию дисперсий (2) каждого из них р . . к™ ' незначителен, поэтому
an : ч А, не-
согласно [8] плотность распределения вероятностей оценок квадратурных компонент можно считать гауссовской.
Для используемых в реальных сетях связи методов маршрутизации маршруты выбираются случайно на основании последовательности поступивших пакетов. В случае применения метода совместной динамической маршрутизации, базирующегося на способе многомерной динамической маршрутизации [4], маршруты выбираются в зависимости от поступившего вект ора информации / и при его повторении тоже повторяются. Следовательно, при использовании метода совместной динамической маршрутизации каждому вектору передаваемых кодовых символов будет соответствовать определённый маршрут, что позволяет считать плотность распределения вероятностей оценок квадратурных компонент сигнала гауссовской с дисперсией, зависящей от номера маршрута g.
Порог принятия решения определяется минимальным расстоянием между квадратурными компонентами различных
КОДОВЫХ СИМВОЛОВ
передаваемых па /-и поднесушен
пт - м передающим узлом на входе приёмного узла и" при
использовании маршрута g. ошибки кодового символа
(
=2-Erf
АА"
с - « 1
у Яшл у
Следовательно, вероятность может быть определена как:
(3)
(
if - 2 ■ Erf
Vv
■yeUv -1)
(4)
где п ~ количество элементов в сигнальном созвездии,
V*
о*" -отношение сигнал/помеха на /-Й поднесущей ик-го
приёмного узла при передаче данных от пг-то передающего узла по маршруту g при использовании алгоритма приёма Rs, зависящее от д - отнонгения сигнал/шум для /-й
"gin я
поднесущей сигнала на входе и"-го приёмного узла от пг -го передающего узла по маршруту g:
Рgla'aT ,
Pgjn'J -
(5)
gin ¿—i an n gll и I)
n,T = I
_ „ р
(6)
где р - полная мощность OFDM сигнала «' -го пере-
grrtf
дающего узла па входе л*-го приёмного узла при использовании маршрута g, а. Р — мощность шума.
Так как условием доставки данных является обеспечение вероятности ошибки не более допустимой рЕг < рЕг , то
на основе выражений (4-6) объём данных ¡"\ т, доставляе-
мых на /-Й поднесущей одним OFDM символом, может быть определён согласно выражению;
/ г—-— у
2 /2J
Г. . г = log
gm п
i ® х
где Erf(p) = -. = (e~dx ~ Функоия ошибки.
Минимальное расстояние между квадратурными компонентами различных кодовых символов АЛ""", определяется
gin It'
функциями модуляции. В этом случае вероятность ошибки передачи кодового символа на основе выражения (3) будет определяться как:
где Erf '(•) —функция обратная функции ошибки Erf(p)-
Так как сеть работает в соответствии с эталонной сетевой моделью, для использования метода совместной динамической маршрутизации нужно рассматривать передачу данных на физическом и канальном уровнях. На физическом уровне данные передаются в виде протокольных блоков данных (PLCP Protocol Data Unit - PPDU), которые кроме объема полезных данных включают объёмы преамбулы, заголовков подуровней PLCP и MAC, поля проверочной последовательности кадров (FCS).
С учётом вышесказанного, объём данных / доставляе-
г»
мых до приёмного узла nR определяется суммой объёмов данных jrS от всех передающих узлов на всех поднесущих V,
используемых для передачи данных, всеми OFDM символами фрейма №FDM за исключением служебных данных.
Объем полезных данных в битах при использовании стандарта 802. line короткой преамбулой, с учётом выражения (7) будет определяться как:
2)
\
+ 1
-440
■ (8)
Для стандарта 802.11п, использующего метод доступа к среде передачи данных ОСР, в соответствии с функцией
координации МАС-уровня длительность Т" блоков данных РРПи можно определить как:
-у-_ -р ■ _ -р ИВ _ -1 гр.УРЯ _ ут С1Б _ рЛСК | ,
где — длительность межфреймового интервала ОСР,
Т™ - длительность служебного фрейма Пеас^у-Ю^епс], рчк _ длительность короткого межфреймового интервала, Т'™ - длительность служебного фрейма С 1еаг-1о-8епс), Т м к — д л ите л ь н ост ь фрейм а подтвержден и я.
Следовательно количество О Р В М - с и м волов во фрейме дготл/ с уЧ^том длительность Т блоков данных, вычисляемой по формуле (9), определяется как:
№™м = -Т", (10)
где V""' - техническая скорость передачи данных.
Для верификации разработанного метода оценки объема доставляемых данных была развернута тестовая сеть широкополосного радиодоступа, состоящая из двух точек доступа иВ1ЧТ Мапо81аЙоп М5 и двух терминалов пользователя, работающих па соседних частотных каналах в диапазоне 5 ГГц. В рассматриваемой сети для доставки данных до точек доступа используется шесть допустимых маршрутов. В первых четырёх маршрутах для передачи данных одновременно используется только одна точка доступа, а в оставшихся двух маршрутах—задействованы одновременно обе точки доступа. Рассмотрим передачу данных только по первому и пятому маршрутам, так как остальные аналогичны им.
7ТЛ
Верификация проводилась путём сравнения измеренных значений информационных скоростей передачи данных и рассчитанных на основе объемов доставляемых данных /
я"
для различных маршрутов и отношений сигнал/шум. Информационная скорость передачи данных зависит от / , опре-
делаемого по формуле (8), и количества фреймов данных Л'''', длительностью т" в суперфрейме длительностью Т№ :
у....... _ .
/
• N
(И)
Структура суперфрейма передачи данных но первому маршруту в тестовой сети для отношения сигнал/шум р =40 дБ. полученная с помощью программного анализатора сети СоттЧПе^, приведена на рис. 1,
Рис. I. Структура суперфрейма передачи данных
('„-(мае)
а)
l'iic. 2. Зависимости оценок информационных скоростей передачи данных по пятому маршруту; а) до первой точки доступа; б) до второй точки доступа
Дня этого случая среднее количество фреймов данных N1' на длительности суперфрейма ГЛ> =102.4 мс составило 168 фреймов. Фреймы данных имели длину 1550 байт и схему модуляции и кодирования MCS=3, количество OFDM-символов в одном фрейме, согласно выражению (10), соста-
вило iVömli = 176, а измеренная информационная скорость передачи данных составила 20,4 Мб/с. Значение информационной скорости передачи данных, рассчитанное по формуле (11), составило 21 Мб/с, что показывает высокую достоверность, полученной оценки.
Далее осуществлялась передача данных до первой и второй точек доступа по пятому маршруту. Зависимости оценок информационных скоростей передачи данных до первой и второй точек доступа {Г|„"нф,(/^,и,,ф)> полученных экспериментально Vpew» а также рассчитанных по выражению (11) Ураи От отношения сигнал/шум на входе первой точки доступа р при условии, что отношение сигнал/шум на входе
второй точки досту па р , =40ДБ приведены на рис. 2.
Из зависимостей, приведённых на рис. 2, видно, что точка доступа, работающая на соседнем частот ном канале, оказывает существенное влияние па информационную скорость передачи данных, а, следовательно, и па объём доставляемых данных. Оценки информационной скорости передачи данных, рассчитанных по формуле (И), согласуются с результатами эксперимента, что позволяет сделать вывод о корректности применения разработанного метода оценки объёма доставляемых данных в сетях широкополосного радиодоступа с совместной динамической маршрутизацией.
Литсратура
1. Спирина Е.А. Оптимизация распределения информации в фиксированных сетях широкополосного радиодоступа с учетом внутрисистемных помех // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], №9, 2015. Режим доступа: hiip://j re.cplire.ru/jre/ sep 15/5/ text,html (Дата обращения: 15.09.2017).
2. Спирина Е.А.. Кочлов C.B. Метод маршрутизации, обеспечивающий повышение пропускной способности II' сетей в условиях внутрисистемных помех // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], №12, 2015. Режим доступа: http://jre.cplire.nl/ jre/dec 15/3/text.html (Дата обращения: 15.09,2017).
3. Винтенкова Ю.С., Козлов C.B.. Спирина Е.А. Анализ эффективности метода совместной динамической маршрутизации в сетях широкополосного радиодоступа с графиком протоколов TCP, HTTP, FTP // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], №1, 2016. Режим доступа: http://jre,cplire.ru/jre/jan 16/3/texLhtmI (Дата обращении: 15.09.2017).
4. Винтенкова Ю.С.. Козлов C.B.. Спирина Е.А. Способ многомерной динамической маршрутизации в сети связи с пакетной передачей сообщений - Патент РФ на изобретение №2608679; Зарегистрирована в Государственном реестре изобретений Российской федерации 23.01.2017. - Заявка №2015149360 от 17.1 1.2015.
5. Петрова Е.А. Оценка гарантированной информационной скорости передачи в сетях широкополосного радиодоступа с учетом внутрисистемных помех // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], №10, 2014. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/ octl4/7/texthtml (Дата обращения: 15.09,2017),
6. Козлов C.B.. Спирина Е.А.. Фашлов Л.И.. Аминова P.P. Оптимизация энергетических параметров Wi-Fi сетей с учетом внутрисистемных помех // Материалы XVII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» ПТиТТ-2016. ООО «16ПРИНТ», 2016. С. 276-277.
7. Спирина Е.А.. Козлов C.B. Анализ эффективности использования алгоритмов оптимального приема OFDM сигналов в IP сетях с совместной динамической маршрутизацией // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], №2, 2017. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/febl7/3Äext.pdf(Дата обращения: 15.09.2017).
8. Левин KP. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989. 653 с.
7ТТ
COMMUNICATIONS
TRANSFERRED DATA VOLUMES ESTIMATION METHOD FOR COLLECTIVE DYNAMIC ROUTING IMPLEMENTATION IN BROADBAND RADIO ACCESS NETWORKS
Yuliya S. Vintenkova, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, City of Kazan, Russia, vintenkova.yulia@gmail.com Sergei V. Kozlov, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, City of Kazan, Russia, ks16v@yandex.ru Elena A. Spirina, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, City of Kazan, Russia, selenaa_kazan@mail.ru
Abstract
Most communication networks nowadays operate under the impact of intra-system interference, which significantly reduces the data transferred through communication channels. To reduce the intra-system interference flow, the collective dynamic routing method was developed, which determines the optimal set of routes from the set of acceptable routes with the least delivery times. The initial data for this method are transferred data volumes for all communication channels which are included in the each acceptable route. The purpose of the work is to develop a method for transferred data volumes estimation in communication channels which operate under the intra-system interference impact. This method is based on the certain signal-to-noise ratios for each transmitter that is included in the given route. The conclusion on the usage of the Gaussian probability model sufficiency for describing the distribution of intrasystem interference with large number of simultaneously transmitted signals is drawn. The expressions that determine OFDM signals subcarriers quadrature components signal-to-interference ratio, which estimate the transferred data volumes, are derived. The verification of the designed method for transferred data volumes estimation was performed by comparison of calculated data transfer rate values with values measured for the 802.lln standard operating network test fragment that consisted of two access points and two user terminals operating on adjacent frequency channels in the 5 GHz band. Verification results proved the accuracy of designed transferred data volume estimation method application in broadband radio access networks with collective dynamic routing and significant impact of adjacent access point operation on obtained results.
Keywords: transferred data, data transfer rate, signal-to-noise ratio, signal-to-interference ratio, intra-system interference, signal reception algorithms.
References
1. Spirina E.A. (2015). Optimizacija raspredelenija informacii v fiksirovannyh setjah shirokopolosnogo radiodostupa s uchetom vnutri-sistemnyh pomeh. Journal Of Radio Electronics [web-journal], no. 9. Retrieved from: http://jre.cplire.ru/jre/sepl5/57text.html (Last access date: 15.09.2017). (In Russian)
2. Spirina E.A., Kozlov S.V. (2015). Metod marshrutizacii, obespechivajushhij povyshenie propusknoj sposobnosti IP setej v uslovijah vnu-trisistemnyh pomeh. Journal Of Radio Electronics [web-journal], no. 12. Retrieved from: http://jre.cplire.ru/jre/dec 15/3/text.html (Last access date: 15.09.2017). (In Russian)
3. Vintenkova Y.S. , Kozlov S.V., Spirina E.A. (2016). Analiz jeffektivnosti metoda sovmestnoj dinamicheskoj marshrutizacii v setjah shirokopolosnogo radiodostupa s trafikom protokolov TCP, HTTP, FTP. Journal Of Radio Electronics [web-journal], no. 1. Retrieved from: http://jre.cplire.ru/jre/janl6/3/text.html (Last access date: 15.09.2017). (In Russian)
4. Vintenkova Y.S., Kozlov S.V., Spirina E.A. (2017). Sposob mnogomernoj dinamicheskoj marshrutizacii v seti svjazi s paketnoj peredachej soobshhenij - Patent RF RU2608678, with priority from 17.11.2015, published 23.01.2017. (In Russian)
5. Petrova E.A. (2014). Ocenka garantirovannoj informacionnoj skorosti peredachi v setjah shirokopolosnogo radiodostupa s uchetom vnutrisistemnyh pomeh. Journal Of Radio Electronics [web-journal], no. 10. Retrieved from: http://jre.cplire.ru/jre/oct 14/7/text.html (Last access date: 15.09.2017). (In Russian)
6. Kozlov S.V., Spirina E.A., Fazylov L.I., Aminova R.R. (2016). Optimizacija jenergeticheskih parametrov Wi-Fi setej s uchetom vnutrisistemnyh pomeh. Materialy XVII Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii "Problemy tehniki i tehnologij telekommunikacij", Samara: "I6PRINT", 2016, pp. 276-277. (In Russian)
7. Spirina E.A., Kozlov S.V. (2017). Analiz jeffektivnosti ispol'zovanija algoritmov optimal'nogo priema OFDM signalov v IP setjah s sovmestnoj dinamicheskoj marshrutizaciej. Journal Of Radio Electronics [web-journal], no. 2, Retrieved from: http://jre.cplire.ru/jre/febI7Z3/text.pdf (Last access date: 15.09.2017). (In Russian)
8. Levin B.R. (1989). Teoreticheskie osnovy statisticheskoj radiotehniki. Moscow: Nauka, 653 p. (In Russian)
Information about authors:
Yuliya S. Vintenkova, postgraduate student, Department of Radioelectronic and Telecommunication Systems, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, City of Kazan, Russia
Sergei V. Kozlov, Dr. Sc. in Technical Sciences, professor, Department of Radioelectronic and Telecommunication Systems, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, City of Kazan, Russia
Elena A. Spirina, Ph. D. in Technical Sciences, associate professor, Department of Radioelectronic and Telecommunication Systems, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev, City of Kazan, Russia
T-Comm Tom 12. #2-2018
